Fünfdimensionale Schwarze Löcher: US-Physiker erklären, wie Relikte des Urknalls bis heute überleben konnten

Eine Gruppe von Physikern des Lehman College (USA) hat ein theoretisches Modell vorgestellt, dem zufolge primordiale Schwarze Löcher – hypothetische Objekte, die in den ersten Sekundenbruchteilen nach dem Urknall entstanden –, dank der Wechselwirkung mit einer zusätzlichen, fünften Raumdimension 13,8 Milliarden Jahre des Bestehens des Universums überlebt haben könnten. Die Studie, die zur Veröffentlichung in der Zeitschrift Physical Review D vorbereitet wird, bietet eine neue Erklärung dafür, warum ein Teil der mikroskopischen Schwarzen Löcher nicht innerhalb kosmologischer Zeiträume verdampft ist, wie es das Standardmodell in vier Dimensionen vorhersagt.

Membran-Universum und verborgene Dimension

Die moderne theoretische Physik betrachtet das beobachtbare Universum als eine vierdimensionale Membran (Bran), die in einen Raum höherer Dimensionalität eingebettet ist. In diesem Bild sind Elementarteilchen und elektromagnetische Strahlung fest an die Membran gebunden und können den vierdimensionalen Raum nicht verlassen. Die Gravitation hingegen unterliegt dieser Einschränkung nach Hypothese nicht: Sie kann in zusätzliche Dimensionen „auslaufen“. Die fünfte Dimension existiert dem Modell zufolge in einem aufgerollten (kompaktifizierten) Zustand und hat eine charakteristische Größe von etwa einem Mikrometer. Die entscheidende Schwelle für ein Schwarzes Loch wird durch die Größe seines Ereignishorizonts bestimmt: Ist diese kleiner als ein Mikrometer, so erstreckt sich das Gravitationsfeld des Objekts bereits in fünf Dimensionen und macht es zu einem fünfdimensionalen Objekt mit grundlegend anderen Eigenschaften.

Entstehung primordialer Schwarzer Löcher: zwei Szenarien

Im Gegensatz zu Schwarzen Löchern mit Sternmasse, die durch den Kollaps massereicher Sterne entstehen, bildeten sich primordiale Schwarze Löcher in den ersten Augenblicken nach dem Urknall aus überdichten Bereichen der Materie. Das Modell betrachtet zwei Hauptmechanismen ihrer Entstehung. Der erste ist mit schnellen Phasenübergängen bei der raschen Abkühlung des frühen Universums verbunden: Lokale Bereiche mit anomal hoher Dichte kollabierten zu mikroskopischen Schwarzen Löchern. Der zweite Mechanismus setzt den Kollaps kosmischer Strings voraus – hypothetischer topologischer Defekte der Raumzeit, die sich zu Schleifen formten, die unter ihrer eigenen Spannung zusammenzogen. Im Rahmen des Modells der „dunklen Dimension“ entstehen primordiale Schwarze Löcher, die aus solchen Strings hervorgehen, bereits von Anfang an fünfdimensional, da ihr Ereignishorizont von Beginn an unter der mikronischen Schwelle liegt.

Gregory-Laflamme-Instabilität und Übergang in die fünfte Dimension

Die Berechnungen der Autoren zeigten, dass selbst vierdimensionale primordiale Schwarze Löcher, die infolge von Phasenübergängen entstanden, instabil gewesen wären. Aufgrund der sogenannten Gregory-Laflamme-Instabilität – eines relativistischen Effekts, bei dem zylindrische oder kugelförmige Objekte mit kleiner Querschnittsgröße die Stabilität verlieren und sich in eine zusätzliche Dimension „aufrollen“ –, hätten sich solche Objekte rasch in fünfdimensionale verwandelt. Unabhängig vom konkreten Entstehungsmechanismus wäre somit ein erheblicher Teil der primordialen Schwarzen Löcher früher oder später in einen fünfdimensionalen Zustand übergegangen.

Verlangsamte Verdampfung und Überleben über 13,8 Milliarden Jahre

Der Übergang in die fünfte Dimension verändert die physikalische Entwicklung des Schwarzen Lochs grundlegend. Nach dem Mechanismus der Hawking-Strahlung verlieren Schwarze Löcher allmählich Masse und verdampfen schließlich. Fünfdimensionale Objekte jedoch verdampfen deutlich langsamer als ihre vierdimensionalen Entsprechungen, da sich das Gravitationsfeld auf ein größeres Raumvolumen verteilt und die Strahlungsintensität pro Flächeneinheit des Horizonts verringert. Diese Verlangsamung ist den Berechnungen der Autoren zufolge ausreichend, damit ein Teil der primordialen Schwarzen Löcher bis zum heutigen Zeitpunkt überlebt – 13,8 Milliarden Jahre nach dem Urknall. Genau das macht sie zu potenziellen Kandidaten für die Rolle „ewiger“ Schwarzer Löcher, über die in der populärwissenschaftlichen Presse in den letzten Monaten die Rede war.

Verbindung zu anomalen astrophysikalischen Signalen

Die Autoren des Modells bieten auch eine Erklärung für eine Reihe anomaler Beobachtungen. Insbesondere könnte der finale Ausbruch bei der Verdampfung eines fünfdimensionalen Schwarzen Lochs zur Registrierung eines hochenergetischen Neutrinos durch das Observatorium KM3NeT ohne begleitende Photonenstrahlung geführt haben – ein Ereignis, das sich im Rahmen der Standardmodelle der Astrophysik schwer erklären lässt. Wird auch nur ein primordiales Schwarzes Loch direkt nachgewiesen, erhalten die Physiker ein direktes Werkzeug zur Untersuchung physikalischer Prozesse und Größenordnungen, die einer direkten Beobachtung nicht zugänglich sind, einschließlich der Überprüfung von Hypothesen über zusätzliche Dimensionen und die Eigenschaften der Gravitation auf submikronischen Skalen.

Widersprüchliche Daten

Mehrere Aspekte der vorliegenden Arbeit erfordern eine vorsichtige Interpretation. Erstens befindet sich die Studie zum Zeitpunkt der Veröffentlichung des Artikels noch in der Vorbereitungsphase für Physical Review D, hat also den vollständigen Peer-Review-Prozess noch nicht durchlaufen; das bedeutet, dass die Schlussfolgerungen im Zuge der Gutachterprüfung angepasst werden könnten. Zweitens gibt es in der wissenschaftlichen Gemeinschaft keinen einheitlichen Mechanismus für die Entstehung primordialer Schwarzer Löcher: Neben den in dieser Arbeit diskutierten Phasenübergängen und dem Kollaps kosmischer Strings weisen andere Studien (darunter auch aus dem Jahr 2026) auf eine mögliche Rolle der ersten Sterne des Universums bei der Bildung primordialer Objekte hin. Diese Mechanismen schließen einander nicht aus, liefern aber unterschiedliche Schätzungen für Masse und Anzahl der primordialen Schwarzen Löcher. Drittens ist der Zusammenhang mit der Neutrino-Detektion durch das Observatorium KM3NeT hypothetischer Natur: Die Autoren schlagen ihn als mögliche Erklärung vor, behaupten aber nicht, dass ein konkretes Ereignis die fünfdimensionale Natur der Quelle eindeutig bestätigt. Schließlich bleibt das Bestehen einer fünften Dimension auf mikronischer Skala eine theoretische Hypothese, die durch direkte experimentelle Daten nicht bestätigt ist.

Bedeutung für die Grundlagenphysik

Die Arbeit des Lehman College fügt sich in den breiteren Kontext der Suche nach Anzeichen zusätzlicher Raumdimensionen ein, die an der Schnittstelle von Quantengravitation, Kosmologie und Hochenergie-Astrophysik betrieben wird. Wenn fünfdimensionale primordiale Schwarze Löcher tatsächlich existieren und ihre Verdampfung registriert werden kann, wäre dies die erste direkte Beobachtung von Gravitation, die sich über die vierdimensionale Membran hinaus erstreckt. Dies würde einen grundlegend neuen Kanal zur Überprüfung von Branen-Kosmologie-Modellen eröffnen und möglicherweise eine Antwort auf die Frage nach der Natur der Dunklen Materie geben, deren Teil in einigen Szenarien in einer zusätzlichen Dimension „versteckt“ sein könnte.