Fragen Sie Ethan: Vielleicht ist die fehlende Antimaterie in schwarzen Löchern versteckt?

Die Idee des Künstlers vom Planetensystem Kepler-42. Wir haben allen Grund zu der Annahme, dass alles aus Materie und nicht aus Antimaterie besteht, aber Schwarze Löcher können uns eine ganz andere Geschichte erzählen - wir haben keine Möglichkeit festzustellen, woraus sie bestehen

Eines der größten kosmischen Geheimnisse des gesamten Universums ist, warum darin so viel mehr Materie als Antimaterie steckt. Die Gesetze der Physik erlauben es uns, soweit wir wissen, Materie und Antimaterie streng zu gleichen Anteilen zu erzeugen und zu zerstören. Wenn wir jedoch die Sterne, Galaxien und großräumigen Strukturen des Universums betrachten, stellen wir fest, dass sie alle aus Materie bestehen und die Menge an Antimaterie vernachlässigbar ist. Dieses kosmische Rätsel lässt viele Menschen argumentieren, dass vielleicht die gleiche Menge Antimaterie existiert hat, und dann hat es sich irgendwie von der Materie getrennt. Ist das möglich und könnte sich Antimaterie in Schwarzen Löchern verstecken? Unser Leser fragt:

Es gibt das Geheimnis der Anwesenheit von Materie und der Abwesenheit einer angemessenen Menge Antimaterie. Einige entfernte und alte Schwarze Löcher bildeten sich viel schneller als aktuelle Theorien vorhersagen. Kann sich fehlende Antimaterie in diesen prähistorischen Schwarzen Löchern verstecken? Ist die Masse der supermassiven Schwarzen Löcher vergleichbar mit mindestens der Menge der fehlenden Antimaterie?

Der Gedanke ist aufregend. Lassen Sie uns in diese Theorie eintauchen und sie klären.


Der Galaxienhaufen MACSJ0717.5 + 3745 muss wie wir aus Materie bestehen, oder auf der Sichtlinie würden wir Hinweise auf die Vernichtung von Materie mit Antimaterie sehen

In welcher Richtung auch immer wir das Universum beobachten, überall sehen wir dasselbe: Galaxien und Sterne, in alle Richtungen und an allen Orten des Weltraums, zumindest im Durchschnitt. Auf kleinen Skalen sammeln sich natürlich Galaxien zusammen an, aber wenn Sie die größten Skalen untersuchen, hat das Universum überall im Durchschnitt die gleichen Eigenschaften (zum Beispiel Dichte). Wenn es irgendwo eine Galaxie gäbe, die aus Antimaterie und nicht aus Materie besteht, würden wir eine Vielzahl von Beweisen für die Vernichtung von Materie / Antimaterie und ein Defizit an Materie an der Grenze zwischen Materie und Antimaterie sehen. Die Tatsache, dass wir nirgendwo solche Beweise gefunden haben - weder in einzelnen Galaxien noch in Galaxienhaufen oder in kollidierenden Galaxienhaufen - zeigt uns, dass das Universum zu 99,999% aus Materie besteht, wie wir, und nicht aus Antimaterie.


In Clustern, Galaxien, neben uns liegenden Sternensystemen, in unserem eigenen Sonnensystem - überall gibt es ernsthafte Einschränkungen hinsichtlich des Anteils an Antimaterie. Es besteht kein Zweifel - überall im Universum dominiert die Materie.

Und das ist seltsam, weil wir nach dem gegenwärtigen Verständnis der Gesetze der Physik die Mechanismen nicht kennen, die es uns ermöglichen würden, mehr Materie als Antimaterie zu erzeugen. Die Symmetrie von Materie und Antimaterie in Bezug auf die Teilchenphysik wird noch strenger postuliert, als Sie sich vorstellen können. Z.B:

• Jedes Mal, wenn ein Quark erscheint, wird ein Antiquark erstellt.
• Jedes Mal, wenn der Quark zerstört wird, wird auch der Antiquark zerstört.
• Jedes Mal, wenn das Lepton erscheint oder zerstört wird, wird das Antilepton derselben Leptonfamilie auf dieselbe Weise erzeugt oder zerstört.
• Jedes Mal, wenn ein Quark oder Lepton interagiert, kollidiert oder zerfällt, bleibt die Gesamtzahl der Quarks und Leptonen am Ende der Reaktion (Quarks minus Antiquarks, Leptonen minus Antileptonen) konstant.

Die einzige Möglichkeit, mehr Materie in das Universum zu bringen, besteht darin, mehr Antimaterie zu erzeugen.


Ein Paar Materie / Antimaterie (links) aus reiner Energie [Photonen] zu gewinnen, ist eine vollständig reversible Reaktion (rechts). Materie / Antimaterie kann sich vernichten und in reine Energie verwandeln. Der Prozess der Schöpfung und Vernichtung unter Befolgung der Gleichung E = mc ² ist der einzige bekannte Weg, um Materie oder Antimaterie zu erzeugen und zu zerstören.

Die Standardinterpretation dieser Tatsachen ist, dass, obwohl nicht klar ist, wie, aber in der Vergangenheit des Universums, Materie mehr als Antimaterie erschien. Im Standardbild des heißen Urknalls, als das Universum noch sehr jung war, wurde eine große Anzahl von Teilchen-Antiteilchen-Paaren für alle bekannten (und sogar für diejenigen, die wir später entdecken werden) Teilchen erzeugt. Dies liegt daran, dass es bei hohen Temperaturen und Dichten dank Einsteins E = mc ² möglich ist, spontan neue Partikel-Antiteilchen-Paare aus reiner Energie zu erzeugen. In gleichen Mengen vernichten sich diese Dämpfe und erzeugen wieder reine Energie (Photonen). Mit der Abkühlung des Universums endet die Energie für die Bildung neuer Paare und die Vernichtung beginnt sich durchzusetzen.


Mit der Expansion und Abkühlung des Universums zerfallen instabile Teilchen und Antiteilchen, Materie-Antimaterie-Paare vernichten sich und Photonen können nicht mehr mit Energie kollidieren, die groß genug ist, um neue Teilchen zu erzeugen.

Wenn wir nicht die Asymmetrie von Materie und Antimaterie hätten, hätten wir ein Universum, in dem es für jedes Proton 10 ²⁰ Photonen und ein Antiproton gibt. Es würde ungefähr die gleiche Anzahl von Elektronen und Positronen geben wie Protonen und Antiprotonen - und das ist alles. Stattdessen beobachten wir jedoch das Universum, in dem es für jedes Proton „nur“ 1-2 Milliarden Photonen gibt. Wir nehmen an, dass es im frühen Universum einen bestimmten asymmetrischen Prozess gab, der diese Asymmetrie erzeugte. Ein einfaches Beispiel wäre die Schaffung eines neuen Satzes von Partikeln und Antiteilchen mit unterschiedlichen Präferenzen hinsichtlich Zerfallskanälen, was zu einem leichten Vorteil der Materie gegenüber der Antimaterie führen könnte.


Eine symmetrische Sammlung von Bosonen aus Materie und Antimaterie (X, Y, Anti-X und Anti-Y) könnte mit bestimmten Eigenschaften der Großen Vereinigungstheorie die Asymmetrie der Antimaterie-Materie erzeugen, die wir heute im Universum beobachten.

Was ist mit unserer neuen Idee? Was wäre, wenn zu einem frühen Zeitpunkt etwas dazu führen würde, dass Antimaterie in schwarze Löcher fällt und normale Materie zurückbleibt? Immerhin beobachten wir wirklich sehr früh supermassive BHs in großer Zahl! Ihre Herkunft ist jedoch nicht unbedingt ein Problem oder eine gute Motivation, eine solch ungewöhnliche Idee zu unterstützen. Alles, was ohne die Einbeziehung neuer Physik erklärt werden kann, muss so erklärt werden, und was supermassive BHs betrifft, denken wir, dass alles eine Frage des direkten Zusammenbruchs ist. Für einige BHs ist es für das Aussehen nicht notwendig, dass es zuerst einen Stern gibt, der ausbrennt und sich in eine Supernova verwandelt. Sie kollabieren einfach, was schnell genug zu ausreichend großen „Samen“ von BH führen könnte, um das Vorhandensein junger Quasare zu erklären, die wir heute beobachten.


Ferne massive Quasare in ihrem Kern haben supermassereiche Schwarze Löcher. Sie sind ohne einen großen „Samen“ sehr schwer zu erschaffen, aber ein schwarzes Loch des direkten Zusammenbruchs kann dieses Rätsel elegant lösen. Wir können auch die Massen zentraler BHs basierend auf den Eigenschaften von Quasaren berechnen, und obwohl sie unglaublich groß sind, enthalten sie viel weniger Masse als normale Materie im Universum.

Schauen Sie also nicht auf supermassereiche Schwarze Löcher. Es gibt auch die Idee von primären Schwarzen Löchern , die regelmäßig als Kandidat für die Erklärung der Dunklen Materie wiederbelebt werden. Sie können nicht zu leicht sein, sonst würden sie sehr schnell verdunsten; Sie können nicht zu schwer sein, sonst würden wir sie bemerken. Die meisten Massenlücken, in die die Masse der primären BHs passen sollte, um die fehlende Masse des Universums zu erklären, wurden bereits ausgeschlossen oder in einen sehr engen Rahmen gebracht. Die Erzeugung eines primären BH erfordert eine Dichteschwankung (Abweichung von der durchschnittlichen Dichte) von 68%, aber im frühen Universum weichen die größten Schwankungen nicht um mehr als 0,006% von der durchschnittlichen Dichte ab. Tatsächlich wurde die einzige zulässige Massenspanne, in die die primären BHs für einen ausreichend großen Anteil der dunklen Materie verantwortlich sein könnten, von LIGO bereits abgelehnt. Seine Beobachtungen der BH-Fusionsrate zeigen, dass die Gesamtmasse dieser BHs mit 10 bis 100 Sonnenmassen 0,000017% der kritischen Dichte nicht überschreitet.


Einschränkungen der Dunklen Materie, bestehend aus primären BHs. Das einzige verfügbare „Fenster“, in dem dunkle Materie aus Schwarzen Löchern bestehen kann, wurde kürzlich durch von LIGO erhaltene Einschränkungen für den stochastischen Hintergrund von Schwarzen Löchern mit einer solchen Massenlücke geschlossen.

Außerdem konnten wir die Gesamtmasse des BH im Universum abschätzen, die etwa 0,007% der Gesamtenergie ausmacht. Angesichts der Tatsache, dass es 700-mal mehr normale Materie als BH gibt, kann sich Antimaterie nicht in ihnen verstecken. Antimaterie führte nicht zu BH.

Wir haben aber noch einen anderen Weg, dies herauszufinden: Die Gesetze der Physik haben Symmetrieregeln, die Materie und Antimaterie erfüllen müssen. Eine dieser Regeln gilt für Kräfte, die auf Partikel wirken: Unabhängig davon, welche Kraft auf ein Partikel wirkt, sollte eine Kraft gleicher Größe (möglicherweise mit dem entgegengesetzten Vorzeichen) auf das Antiteilchen wirken. Dies funktioniert jedoch in beide Richtungen, daher kann es keine Kräfte geben, die nur auf Antimaterie wirken. Wenn Sie möchten, dass etwas auf die Antimaterie des Universums einwirkt, muss es auch auf die Materie einwirken.


Die Umwandlung eines Partikels in ein Antiteilchen und deren gleichzeitige Reflexion in einem Spiegel ist eine CP-Invarianz. Wenn der Antispiegel anders als normal zerfällt, wird die Invarianz verletzt. Die Zeitsymmetrie oder T ist gebrochen, wenn CP gebrochen ist. Die kombinierte Symmetrie von C, P und T muss gemäß den aktuellen Gesetzen der Physik erhalten bleiben, die beeinflussen, welche Wechselwirkungen auftreten können und welche nicht.

Angesichts der bestehenden Gesetze der Physik sind wir daher sicher, dass Antimaterie nicht vollständig zusammenbrechen und sich in ein Schwarzes Loch verwandeln kann, wodurch normale Materie zurückbleibt. Wenn die Menge an dunkler und normaler Materie gleich wäre, wäre eine solche Argumentation sinnvoll, aber die folgenden Punkte:

• Wir brauchen keine exotische Physik für das Auftreten supermassiver BHs im frühen Universum.
• primäre BHs passen nicht in die Idee der Bildung der Strukturen des Universums, und die Existenz einer großen Anzahl von ihnen wird größtenteils ausgeschlossen;
• Antimaterie darf keine Wechselwirkungen erfahren, die zu ihrer Umwandlung in BH führen, während BH aus normaler Materie nicht möglich wäre.

genug, um zum Standardbild zurückzukehren. Irgendwie produzierte das Universum irgendwann in der fernen Vergangenheit mehr Materie als Antimaterie, und deshalb konnten Sie und ich erscheinen. Die Art und Weise, wie dies geschah, bleibt eines der größten ungelösten Rätsel der heutigen Physik.


Das frühe Universum war mit Materie und Antimaterie gefüllt, die sich in einem Meer von Strahlung befanden. Aber als dies alles nach dem Abkühlen vernichtet wurde, blieb ein wenig Materie übrig. Eine genaue Beschreibung dieses Prozesses ist als Problem der Baryogenese bekannt und bleibt eines der größten ungelösten Probleme in der Physik.