Wie sind die supermassiven Schwarzen Löcher entstanden, die heute als gigantische Wächter im Zentrum vieler Galaxien thronen? Zunächst ging man vom Naheliegenden auf: Die Riesen sind gewachsen, indem sie andere Materie akkretiert oder Schwarze Löcher konsumiert haben, also mit ihnen verschmolzen sind. Schritt für Schritt, von klein zu mittel bis riesig. Aber dieses Konzept hat ein paar Probleme. Erstens ist es uns noch nicht gelungen, die nötigen Zwischenstadien aufzuspüren. Es müsste sie ja noch immer geben, doch bisher hat man nur kleine Schwarze Löcher gefunden – oder die ganz großen. Problem Nummer 2 besteht darin, dass für diesen Wachstumsvorgang anscheinend zu wenig Zeit war. Jüngste Beobachtungen deuten darauf hin, dass sich supermassereiche Schwarze Löcher bereits im frühen Universum gebildet haben, und zwar viel früher, als die Physiker bisher angenommen haben. Diese Erkenntnis lässt wenig Zeit, um das Wachstum supermassereicher schwarzer Löcher zu erklären.

Die Geschwindigkeit, mit der sich Materie durch Akkretion in Schwarzen Löchern ansammeln kann, ist begrenzt. Und wie sollten Schwarze Löcher miteinander verschmelzen können, wenn sich im frühen Universum die Galaxien gerade erst zu bilden begannen? Ultraleichte Teilchen der dunklen Materie könnten das fehlende Puzzleteil sein, wenn die theoretischen Physiker Hooman Davoudiasl, Peter Denton und Julia Gehrlein vom Brookhaven National Laboratory des US-Energieministeriums (DOE) recht haben. Die Forscher stellen sich einen kosmologischen Phasenübergang vor, der die Bildung supermassereicher schwarzer Löcher in einem dunklen Sektor des Universums ermöglicht hat. Ein Phasenübergang ereignet sich auch, wenn man Wasser zum Kochen bringt. Wenn das Wasser genau die richtige Temperatur erreicht, zerfällt es in Blasen und Dampf. Die Physiker übertragen diesen Prozess nun in einen Urzustand der Materie, drehen ihn aber um, so dass er eine abkühlende Wirkung hat, und vergrößern ihn auf die Dimensionen des Universums.

“Bevor es Galaxien gab, war das Universum heiß und dicht, das ist hinlänglich bekannt. Wie sich das Universum auf das abgekühlt hat, was wir heute beobachten, ist eine interessante Frage, denn wir haben keine experimentellen Daten, die beschreiben, wie das passiert ist”, sagt Peter Denton. “Wir können vorhersagen, was mit den bekannten Teilchen passiert ist, weil sie häufig miteinander wechselwirken. Aber was ist, wenn es da draußen noch nicht bekannte Teilchen gibt, die sich anders verhalten?” Um dieser Frage nachzugehen, entwickelte das Brookhavener Team ein Modell für einen dunklen Sektor des Universums, in dem noch nicht entdeckte Teilchen im Überfluss vorhanden sind und selten miteinander wechselwirken. Zu diesen Teilchen könnte die ultraleichte dunkle Materie gehören, die laut Vorhersage 28 Größenordnungen leichter als ein Proton ist. “Die Häufigkeit der Wechselwirkungen zwischen bekannten Teilchen deutet darauf hin, dass die Materie, wie wir sie kennen, nicht sehr effizient in Schwarzen Löchern kollabiert wäre”, so Denton. “Wenn es aber einen dunklen Sektor mit ultraleichter dunkler Materie gab, könnte das frühe Universum genau die richtigen Bedingungen für eine sehr effiziente Form des Kollapses gehabt haben. Wir stellten die Theorie auf, dass Teilchen im dunklen Sektor einen Phasenübergang durchlaufen könnten, der es der Materie ermöglicht, sehr effizient zu Schwarzen Löchern zu kollabieren. Wenn die Temperatur im Universum genau richtig ist, kann der Druck plötzlich auf ein sehr niedriges Niveau fallen, so dass die Schwerkraft die Oberhand gewinnt und die Materie kollabiert.”

Fpr den Zuschauer wäre ein solcher Phasenübergang ein sehr dramatisches Ereignis, und das können sich die Forscher zunutzemachen, um ihre Idee nachzuprüfen. “Diese Zusammenbrüche sind eine große Sache. Sie senden Gravitationswellen aus”, sagt Denton. “Diese Wellen haben eine charakteristische Form, also machen wir eine Vorhersage für dieses Signal und seinen erwarteten Frequenzbereich.” Derzeitige Gravitationswellenexperimente sind allerdings leider nicht empfindlich genug, um die Theorie zu bestätigen. Aber Experimente der nächsten Generation könnten bereits in der Lage sein, Signale dieser Wellen zu entdecken. Damit würden wir nicht nur etwas über den Werdegang des Universums erfahren, sondern auch über die immer noch ominöse Dunkle Materie, die an dem Phasenübergang beteiligt sein gewesen muss.