Eine Illustration zeigt einen Gravastar, der wie eine kosmische Matrjoschka-Puppe gestapelt ist.(Bildnachweis: Daniel Jampolski und Luciano Rezzolla, Goethe-Universität Frankfurt)
Eine neu entwickelte Lösung der Gleichungen, die den Kern von Albert Einsteins revolutionärer Theorie bilden, legt nahe, dass hypothetische Sterne, die „Nestare“ genannt werden, aus gestapelten Gravitationssternen oder „Gravastaren“ bestehen könnten, ähnlich wie russische Teepuppen, auch bekannt als Matrjoschka-Puppen.
Eines der beeindruckendsten Dinge an Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie aus dem Jahr 1915 ist, wie viele unglaubliche kosmische Objekte ihre zentralen Gleichungen vorhergesagt haben.
Die allgemeine Relativitätstheorie hat nicht nur vorhergesagt, dass die Schwerkraft von massereichen Objekten ausgeht, die das Gefüge der Raumzeit krümmen, sondern auch Theorien über schwarze Löcher und die Wellen, die sie in diesem Gefüge erzeugen, hervorgebracht, die sogenannten Gravitationswellen. Die Existenz beider Phänomene wurde durch Beobachtungen bestätigt. Andere Ideen, die auf der allgemeinen Relativitätstheorie beruhen, aber rein theoretisch geblieben sind, sind Anti-Schwarze Löcher, Weiße Löcher genannt, und „Wurmlöcher“, die sie möglicherweise mit Schwarzen Löchern verbinden. Nur die Zeit wird zeigen, ob Einstein auch an dieser Front Recht behalten wird.
Eine weitere theoretische Idee, die 2001 aus der allgemeinen Relativitätstheorie hervorging, ist das Konzept der „Gravastare“, kompakter Körper mit Kernen aus dunkler Energie. Dunkle Energie ist die Kraft, die die Expansion des Universums zu beschleunigen scheint. Wissenschaftler gehen davon aus, dass die dunkle Energie in Gravasternen einen Unterdruck ausübt, der die Sterne vor ihrer eigenen, nach innen gerichteten Gravitationskraft schützt.
Und nun deutet eine neue Lösung der allgemeinen Relativitätstheorie auf einen weiteren interessanten Aspekt dieser so genannten Gravastare hin. Sie könnten ineinander gestapelt werden, um eine Reihe von „Nestaren“ zu bilden.
„Der Nestar ist wie eine Matrjoschka-Puppe; unsere Lösung der Feldgleichungen ermöglicht eine ganze Reihe von verschachtelten Gravastaren“, sagte einer der Entwickler der Lösung, der theoretische Physiker Daniel Jampolski von der Goethe-Universität, in einer Erklärung.
Meet Gravastars wie schwarze Löcher, aber anders
Nur ein Jahr nach der Veröffentlichung der allgemeinen Relativitätstheorie und während seines Einsatzes an der Front des Ersten Weltkriegs entwickelte der deutsche Physiker Karl Schwarzschild die erste Lösung der Feldgleichungen und verblüffte damit sogar Einstein, der glaubte, dass die Entwicklung einer Lösung Jahre dauern würde.
Die Schwarzschild-Lösung enthielt zwei Merkmale, die schließlich das Konzept des Schwarzen Lochs begründen sollten. Der deutsche Physiker sagte voraus, dass in einem bestimmten Radius um einen Körper mit Masse die Geschwindigkeit, die erforderlich ist, um diesem Körper zu entkommen, auf mehr als die Lichtgeschwindigkeit ansteigen muss.
Bei den meisten Körpern liegt dieser so genannte Schwarzschild-Radius tief unter ihrer Oberfläche; bei der Sonne zum Beispiel liegt er 3 km vom Herzen unseres Sterns entfernt, der einen Gesamtradius von 700.000 km hat. Wenn aber ein Stern kollabieren könnte und sein Radius unter den Schwarzschild-Radius schrumpft, würde dies zu einem Körper mit einer äußeren Begrenzung führen, aus der nicht einmal Licht entkommen könnte. Dies führte zu dem Konzept des Ereignishorizonts eines Schwarzen Lochs.
Noch merkwürdiger ist, dass die Schwarzschild-Lösung darauf hindeutet, dass es einen Punkt geben könnte, an dem die Materie so dicht ist, dass selbst die Gleichungen der allgemeinen Relativitätstheorie zusammenbrechen müssen. Dieser Punkt wurde als die zentrale Singularität eines Schwarzen Lochs bekannt, an dem alle bekannten physikalischen Theorien keinen Sinn mehr haben.
Diese Konzepte wurden 1971 bestätigt, als die Menschheit das erste Schwarze Loch entdeckte, und in den 2000er Jahren folgte die Entdeckung, dass eine starke Radioquelle im Herzen der Milchstraße tatsächlich ein supermassives Schwarzes Loch mit einer Masse ist, die 4,5 Millionen Mal so groß ist wie die der Sonne. Diese riesige Leere in unserer Galaxie wird Sagittarius A* (Sgr A*) genannt.
Die visuelle Form von Schwarzen Löchern, wie sie die Allgemeine Relativitätstheorie beschreibt, wurde 2019 auf unglaubliche Weise bestätigt, als ein Bild eines glühenden Rings aus Material um das supermassive Schwarze Loch im Herzen der Galaxie Messier 87 von der Event Horizon Telescope Kollaboration der Öffentlichkeit präsentiert wurde.
Das Event Horizon Telescope hat dieses Bild des supermassiven schwarzen Lochs im Zentrum der Galaxie M87 aufgenommen und bestätigt damit das Bild, das die allgemeine Relativitätstheorie von schwarzen Löchern zeichnet. (Bildnachweis: EHT Collaboration)
Gravastars oder „Gravitationskondensatsterne“ wurden 2001 von Pawel Mazur und Emil Mottola als Alternative zu Schwarzen Löchern theoretisiert.
Aus Sicht der theoretischen Physiker haben Gravastare mehrere Vorteile gegenüber Schwarzen Löchern. Sie sind fast so kompakt wie Schwarze Löcher und haben an ihrer Oberfläche einen Gravitationseinfluss, der im Wesentlichen so stark ist wie der eines Schwarzen Lochs, so dass sie eine starke Ähnlichkeit aufweisen. Aber es gibt entscheidende Unterschiede. Erstens haben Gravastare keine Ereignishorizonte und schließen daher das Licht und damit die Information nicht hinter einem einseitigen „Schirm“ ein. Zweitens gäbe es keine Singularität in den Herzen der Gravastare, die stattdessen Herzen aus dunkler Energie haben sollen.
Dieses von Mazur und Mottola entwickelte Rezept für Gravastars beinhaltet eine fast unendlich dünne Haut aus gewöhnlicher Materie, die für Wissenschaftler schwer zu erklären ist. Nestars verzichten darauf und schlagen vor, dass das „Stapeln“ zu einer etwas dickeren Hülle aus Materie führen würde.
„Es ist etwas einfacher, sich vorzustellen, dass so etwas existieren könnte“, sagte Jampolski.
Nur weil die Feldgleichungen der allgemeinen Relativitätstheorie die Existenz eines Objekts im Kosmos zulassen, bedeutet das natürlich nicht, dass das Objekt auch existieren muss.
„Leider haben wir immer noch keine Ahnung, wie ein solcher Gravastar entstehen könnte“, sagte der Mitentwickler der Nestartheorie und theoretische Physiker der Goethe-Universität, Luciano Rezzolla, in der Erklärung. „Aber selbst wenn Nestare nicht existieren, hilft uns die Erforschung der mathematischen Eigenschaften dieser Lösungen letztlich dabei, Schwarze Löcher besser zu verstehen.“
Forschungen wie diese sind auch dann nützlich, wenn sich die primäre Theorie nicht bewahrheitet, denn sie zeigen wunderbare Wege auf, die sich aus einer Theorie ergeben, die vor über einem Jahrhundert erstmals in Betracht gezogen wurde.
„Es ist großartig, dass es auch 100 Jahre, nachdem Schwarzschild seine erste Lösung für Einsteins Feldgleichungen aus der allgemeinen Relativitätstheorie vorgelegt hat, immer noch möglich ist, neue Lösungen zu finden“, so Rezzolla abschließend. „Es ist ein bisschen so, als würde man eine Goldmünze auf einem Weg finden, der schon von vielen anderen erforscht wurde.“
Diese Forschungsarbeit wurde am 15. Februar in der Zeitschrift Classical and Quantum Gravity veröffentlicht.
