Angriff auf die Schwarzen Löcher - wissenschaft.de
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Angriff auf die Schwarzen Löcher

Einige Physiker akzeptieren keinen Gravitationskollaps. Deshalb haben sie Gegenmodelle zu den Schwarzen Löchern ersonnen: Gravasterne, Holosterne und kosmische Fusselknäuel.

Schwarze Löcher sind die gewichtigste Sache der Welt – und zugleich die einfachste: Denn sie haben maximal drei Eigenschaften: Masse, Drehimpuls und Ladung. Aber mysteriös sind sie doch: Sie nabeln sich vollständig von ihrer Umgebung ab, und die bekannten Gesetze der Physik versagen in ihrem Zentrum. Möglicherweise vernichten sie sogar alle physikalischen Informationen, die jemals in sie gelangt sind. Denn Stephen Hawking von der Cambridge University hat nachgewiesen, dass Schwarze Löcher aufgrund von Quanteneffekten irgendwann unweigerlich verdampfen und nur „informationslose“ Strahlung übrig bleibt, die Hawking-Strahlung. Damit wären aber grundlegende physikalische Prinzipien verletzt. Deshalb stellen einige Forscher die etablierte Physik der klassischen Schwarzen Löcher in Frage und haben mehrere Alternativen ersonnen, wie die Natur den unendlichen Gravitationskollaps ausgebrannter Sterne im letzten Moment doch noch stoppen könnte.

Diese neuen Objekte in den Theorien der Astrophysiker sind freilich ebenfalls exotisch und spekulativ, insofern es keinen direkten Beweis gibt, dass sie existieren – aber das gilt genauso für die Schwarzen Löcher. Die provokanten Modelle basieren auf neuen sphärisch-symmetrischen Lösungen von Albert Einsteins Feldgleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie. Dass solche Lösungen existieren, ist verblüffend genug – und schon für sich genommen ein wichtiges Resultat. Inwiefern sie in der Natur realisiert sind, ist aber ein anderes Thema.

Das erste und zurzeit wichtigste Modell haben Emil Mottola vom Los Alamos National Laboratory in New Mexico und Pawel Mazur von der University of South Carolina, Columbia, vorgeschlagen und Gravastern genannt. Das Kunstwort setzt sich aus den Begriffen „ Gravitation“, „Vakuum“ und „Stern“ zusammen. Denn die hypothetischen Objekte sind Vakuumsterne, besitzen aber eine feste Oberfläche: eine nur etwa 10–33 Zentimeter dünne Schale mit ähnlichen Eigenschaften wie das Bose-Einstein-Kondensat der Festkörperphysik. Sie soll sich bei einem Quantenphasenübergang im kollabierenden Vorläuferstern bilden. „Diese neue Materieform ist sehr stabil, aber durchaus flexibel, sodass alles, was darauf fällt, assimiliert wird“, sagt Mottola. „Außerdem kann Energie auch wieder abgestrahlt werden.“

Im Inneren der Schale befindet sich dem Modell zufolge ein energiereiches Vakuum mit der exotischen physikalischen Eigenschaft, antigravitativ zu wirken, das somit die Schale stabilisiert. Eine solche Eigenschaft – allerdings auf kosmischen Skalen – hat bereits Albert Einstein 1917 mit der Einführung seiner positiven Kosmologischen Konstante diskutiert und der niederländische Kosmologe Willem de Sitter im selben Jahr als materiefreie, aber exponentiell expandierende Raumzeit beschrieben. Inzwischen haben Astronomen entdeckt, dass sich die Ausdehnung des Alls tatsächlich beschleunigt – neuesten Messungen von einem Team um Adam Riess vom Hubble-Weltraumteleskop-Institut in Baltimore zufolge seit mindestens fünf Milliarden Jahren. Die „ Antriebskraft“ dafür ist eine ominöse Dunkle Energie, für die die Kosmologische Konstante die einfachste Erklärung wäre.

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Das Vakuum im Inneren der Gravasterne ist Mazur und Mottola zufolge eine Blase aus dieser Dunklen Energie. Ihre antigravitative Wirkung soll der gewaltigen Masse des Exotensterns Paroli bieten, sodass der endgültige Gravitationskollaps ausbleibt. Freilich ist unklar, wie Gravasterne stabil bleiben können, wenn von außen immer mehr Materie auf sie einstürzt. Vermutlich müssen sie schließlich doch zu einem Schwarzen Loch kollabieren, kritisieren Skeptiker. Das legen Berechnungen von Matthias Vigelius nahe, der an der Landessternwarte Heidelberg über dieses Thema seine Diplomarbeit schrieb.

Eine andere Alternative zu Schwarzen Löchern hat der Physiker Michael Petri vom Bundesamt für Strahlenschutz in Salzgitter ersonnen: Holosterne. Sie sollten im Gegensatz zu Gravasternen eine Außenschale ohne massereiche Teilchen besitzen und aus masselosen Branen aus reinem Druck bestehen. Das ist im Rahmen der Stringtheorie begreiflich, die viele Physiker seit Jahren als Hauptkandidat für eine „Weltformel“ favorisieren – eine vereinheitlichte Theorie aller Kräfte und Materie-Sorten in der Natur. Demnach sind die Elementarteilchen gar nicht elementar, sondern Anregungsformen schwingender eindimensionaler Strings und mehrdimensionaler „Branen“ (so genannt wegen der Ähnlichkeit mit „ Membranen“). Petri interpretiert den Druck als Oberflächenspannung solcher Branen. Die Außenhülle wird von radial angeordneten Strings, die wie ein inneres Gerüst der Gravitation entgegenwirken, am Kollaps gehindert. Ob es sich um lange oder „fraktionierte“ Strings, um geknickte oder gerade handelt und was sonst noch alles in einem Holostern stecken könnte, weiß Petri nicht. Für das Modell ist es auch nicht entscheidend. „Man kann nur sagen, dass die Gesamtzustandsgleichung derjenigen von String-Materie entspricht.“

Die Masse eines Holosterns folgt aus den Eigenschaften seiner Außenschale. Sein Inneres ist – im Gegensatz zu dem eines Gravasterns – nicht gleichförmig, sondern die Energiedichte und der negative Druck werden zum Zentrum hin immer größer. Elektrisch geladene Holosterne sind auch möglich. Aber die theoretische Existenz von rotierenden Holosternen ist bislang ungeklärt.

Die Strings in einem Holostern laufen alle ins Zentrum. Dort sitzt zwar keine Singularität wie in Schwarzen Löchern, weil sich Strings nicht beliebig zusammenpressen lassen, aber doch eine „ negative Punktmasse“, die Kritiker als unphysikalisch ablehnen. „ Aber sie ist nur ein Artefakt der klassischen Beschreibung jenseits deren Gültigkeitsbereichs und wird bei einer quantenphysikalischen Beschreibung verschwinden“, ist Petri überzeugt.

Auch Samir Mathur von der Ohio State University hat mit zwei Doktoranden vorgeschlagen, hinter dem Ereignishorizont könnte sich ein Konglomerat aus Strings und Branen befinden. Er hat dieses Objekt Stringstern genannt oder „Fuzzball“, was sich mit „ Fusselknäuel“ übersetzen lässt. Wie Holosterne sollten auch die Stringsterne alle eingetroffenen Informationen enthalten und müssten sie auch wieder abstrahlen können. Der Ereignishorizont wäre keine scharfe Grenze und kein Ort ohne Wiederkehr. „Das ändert unser Bild vom Inneren eines Schwarzen Lochs“, sagt Mathur.

Doch diese Idee ist bislang auf keine große Begeisterung gestoßen, nicht einmal bei Stringtheoretikern. „Mathur glaubt, dass Einsteins Äquivalenzprinzip der Allgemeinen Relativitätstheorie komplett zusammenbricht, wenn etwas den Ereignishorizont durchstößt. Das widerspricht allem, was Physiker bislang angenommen haben“, kritisiert Leonard Susskind von der Stanford University, einer der Begründer der Stringtheorie. „ Mathurs Idee ist sehr interessant, aber ich kann nicht sehen, wie sie für reale Schwarze Löcher zutreffen soll.“ Ein weiteres Problem: Mathurs Modell kann nicht das Wachstum Schwarzer Löcher beschreiben.

Auch in Grava- und Holosternen würde keine Information verloren gehen. Sie bliebe bestehen – kodiert beispielsweise im Vibrationsmuster der Strings. Hawking-Strahlung würde nicht freigesetzt, sondern gewöhnliche Wärmestrahlung. „Die Physik im Inneren von Grava- und Holosternen ist sicherlich gewöhnungsbedürftig“, kommentiert der Astrophysiker Andreas Müller vom Max-Planck-Institut für Extraterrestrische Physik in Garching. „Sowohl Gravasterne als auch Holosternehaben keinen Ereignishorizont. Photonen können deshalb von ihrer Oberfläche zwar entkommen, verlieren infolge der Schwerkraft aber sehr viel Energie und sind praktisch unbeobachtbar. Leider ist dieser Effekt in allen Fällen ähnlich stark, sodass es schwierig sein wird, dunkle Grava- oder Holosterne von klassischen Schwarzen Löchern zu unterscheiden. Ob die Alternativen tatsächlich in der Natur realisiert sind, ist beim aktuellen Stand der astronomischen Beobachtungstechnologie wohl kaum zu klären.“

Müller hat seine Zweifel, ob es überhaupt möglich ist, dass Grava- und Holosterne rotieren. Falls sie das aber nicht tun, sind sie keine ernst zu nehmenden Gegenmodelle zu Schwarzen Löchern, denn die gemessene Energieerzeugung im Zentrum von Gas- und Staubscheiben lässt sich kaum ohne rotierende Gravitations- und Magnetfelder erklären. Und Müller betont: „Die Bezeichnung ,Stern‘ ist irreführend. Sowohl Grava- als auch Holosterne können theoretisch ohne Weiteres viel höhere Massen als Sterne haben. Und damit lässt sich nicht ausschließen, dass sie – anstelle von supermassereichen Schwarzen Löchern – die Zentren von Galaxien bevölkern.“

Mazur und Petri spekulieren sogar, dass unser ganzes beobachtbares Universum das Innere eines Grava- oder Holosterns sein könnte. Ein Holostern-Universum hätte ein Zentrum und wäre also inhomogen – doch das hält Petri für keinen Widerspruch zur Gleichförmigkeit der Kosmischen Hintergrundstrahlung. „Die maximale Abweichung von der Homogenität im beobachtbaren Universum wäre 10–60 – also nicht messbar.“ ■

Rüdiger Vaas

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