Eine Illustration eines Schwarzen Lochs, das die Raumzeit um sich herum aufwühlt. (Bildnachweis: Robert Lea (erstellt mit Canva))
Ein Forscherteam hat eine neue Theorie für Schwarze Löcher entwickelt, die eines der größten Rätsel der Physik löst: die zentrale Singularität. An diesem Punkt versagen alle bekannten physikalischen Gesetze und Modelle.
Wenn man ein Objekt entwerfen wollte, das Rätsel bewahrt und zugleich zutiefst verstört, könnte man kaum etwas Besseres finden als ein Schwarzes Loch.
Zunächst bildet die äußere Grenze dieser kosmischen Giganten eine einseitige Lichtfalle – den sogenannten Ereignishorizont. An diesem Punkt wird die Anziehungskraft eines Schwarzen Lochs so überwältigend, dass nicht einmal Licht entkommen kann. Dadurch gelangt keinerlei Information aus dem Inneren nach außen. Was sich im Herzen eines Schwarzen Lochs verbirgt, bleibt unserer direkten Beobachtung und Messung daher für immer verborgen.
Mit Hilfe der mathematischen Grundlagen von Einsteins Gravitationstheorie aus dem Jahr 1915, der Allgemeinen Relativitätstheorie, können Wissenschaftler das Innere eines Schwarzen Lochs modellieren. Doch dabei zeigt sich ein grundlegendes Problem: Die Theorie besagt, dass alle mathematischen Werte an der sogenannten „Singularität“ im Zentrum des Schwarzen Lochs gegen unendlich streben.
Diese neue Studie deutet darauf hin, dass „gewöhnliche Schwarze Löcher“ ohne zentrale Singularität – physikalisch betrachtet wie der Versuch, den Kuchen gleichzeitig zu behalten und zu essen – möglicherweise mehr sind als nur Wunschdenken optimistischer Physiker.
„Die Singularität ist der rätselhafteste und problematischste Aspekt eines Schwarzen Lochs“, erklärt Robie Hennigar, Forscher an der Durham University in England. „An diesem Punkt verlieren unsere Vorstellungen von Raum und Zeit schlichtweg ihre Bedeutung. Falls Schwarze Löcher tatsächlich keine Singularitäten besäßen, wären sie weitaus gewöhnlichere Objekte.“
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Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie besagt, dass massereiche Objekte die Struktur der Raumzeit verformen – jenes Geflecht aus den drei Raumdimensionen und der Zeitdimension. Die Gravitation entsteht genau durch diese Krümmung. Je größer die Masse eines Objekts ist, desto stärker verzerrt es die Raumzeit und umso intensiver wirkt die Schwerkraft. Diese Zusammenhänge werden durch die grundlegenden Gleichungen der Relativitätstheorie beschrieben: Einsteins Feldgleichungen.
„Die Krümmung der Raumzeit wird durch die Einsteinschen Feldgleichungen bestimmt“, erklärte Pablo Antonio Cano Molina-Niñirola vom Institut für Kosmoswissenschaften der Universität Barcelona (ICCUB). „Diese Gleichungen bilden das Fundament der Allgemeinen Relativitätstheorie.“
„Diese Gleichungen sind äußerst erfolgreich, denn sie sagen eine Fülle beobachtbarer Phänomene im Kosmos voraus – von der Bewegung der Planeten bis zur Entwicklung des Universums und der Existenz Schwarzer Löcher“, fügte er hinzu. „Aber sie sagen auch die Existenz von Singularitäten voraus, und das ist problematisch.“
Schwarze Löcher – Regionen der Raumzeit mit extremer Krümmung – entstanden erstmals als Konzept aus Lösungen von Einsteins Feldgleichungen. Diese wurden vom deutschen Physiker und Astronomen Karl Schwarzschild während seines Einsatzes an der Front im Ersten Weltkrieg 1915 vorgeschlagen. Die Lösungen streben im Zentrum dieser Region gegen unendlich.
Physiker mögen keine Unendlichkeiten, denn sie deuten entweder auf das Versagen oder die Unvollständigkeit ihrer Modelle hin oder weisen auf etwas völlig Unphysikalisches hin. Das bedeutet etwas wirklich Beunruhigendes und Unerwünschtes für Physiker.
„Nach der allgemeinen Relativitätstheorie ähnelt das Innere eines Schwarzen Lochs einem sich zusammenziehenden Universum“, erklärte Molina-Niñirola. „Die Singularität markiert den Moment, in dem der Raum selbst kollabiert.“
Eine Illustration eines Schwarzen Lochs, das die Raumzeit um sich herum aufwühlt. (Bildnachweis: Robert Lea (erstellt mit Canva))
Molina-Niñirola fügte hinzu, dass viele Physiker davon ausgehen: Bei extrem starker Gravitation und stark gekrümmter Raumzeit muss die allgemeine Relativitätstheorie durch eine grundlegendere Theorie ersetzt werden. Vermutlich handelt es sich dabei um eine Quantengravitationstheorie, die zu einer „Theorie von Allem“ führen würde. Diese würde die bisher unvereinbaren Theorien der allgemeinen Relativität und der Quantenphysik zusammenführen.
„Die Hoffnung ist, dass in dieser vollständigen Theorie die Singularitäten von Schwarzen Löchern verschwinden werden“, erklärte Molina-Niñirola. „Unser Ansatz für reguläre Schwarze Löcher geht genau in diese Richtung. Allerdings verwenden wir keine vollständige Quantengravitationstheorie, sondern eine sogenannte ‚effektive Theorie‘. Dabei handelt es sich um eine klassische Gravitationstheorie, die die Effekte einer hypothetischen Quantengravitation einfangen soll.“
Das Team hat die Einsteinschen Feldgleichungen so modifiziert, dass sich die Gravitation bei starker Raumzeitkrümmung anders verhält. Dadurch verschwinden letztlich die zentralen Singularitäten in Schwarzen Löchern.
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Diese neu überarbeitete Theorie deutet darauf hin, dass es im Zentrum eines Schwarzen Lochs keine Singularität gibt. Doch was existiert dann in diesem extremen, exotischen Bereich?
„In unserem Modell kommt der Kollaps der Raumzeit zum Stillstand, und die Singularität wird durch eine stark verzerrte, statische Region im Zentrum des Schwarzen Lochs ersetzt“, erklärte Molina-Niñirola. „Diese Zone bleibt stabil, da sie sich nicht weiter zusammenzieht. Theoretisch könnte dort also ein Beobachter verweilen – vorausgesetzt, er würde die extremen, aber endlichen Gravitationskräfte in diesem Bereich überstehen.“
Abgesehen von gekrümmter Raumzeit – was befindet sich nach dieser Theorie im Zentrum eines Schwarzen Lochs? Hennigar zufolge streng genommen: nichts.
„Überall in diesen Schwarzen Löchern herrscht reines Vakuum“, erklärte der Forscher der Durham University weiter. „Es muss keine Materie vorhanden sein, aber man kann sie bei Bedarf problemlos einbeziehen.“ Er fügte hinzu: „Ein Schwarzes Loch ohne Materie mag seltsam klingen, doch selbst in der allgemeinen Relativitätstheorie ist so etwas möglich.“
Eine Illustration eines Schwarzen Lochs, das die Raumzeit um sich herum aufwühlt. (Bildnachweis: Robert Lea (erstellt mit Canva))
Selbst wenn das Konzept des Schwarzen Lochs vom Team bestätigt würde, würde dies die Suche nach einem gültigen Quantengravitationsmodell und einer „Theorie von Allem“ wohl nicht beenden.
„In gewisser Weise ist dies ein unvermeidbares Problem. In unserem Universum kollabieren ständig Sterne – ein natürlicher physikalischer Prozess“, erklärte Hennigar weiter. „Doch dieses alltägliche Phänomen führt uns an die Grenzen unseres Wissens. In den letzten Kollapsphasen, kurz vor der Singularität, werden sowohl Gravitation als auch Quanteneffekte entscheidend.“
Falls diese Forschungsergebnisse zutreffen, könnten sie Schwarze Löcher etwas entmystifiziert haben. Allerdings werfen sie auch zahlreiche neue Fragen auf, die noch geklärt werden müssen.
„Unsere Arbeit liefert Antworten auf einige Rätsel, wirft aber auch neue Fragen auf“, erklärte Molina-Niñirola. „Unser Modell – ebenso wie andere wissenschaftliche Theorien – deutet darauf hin, dass Materie, die in ein normales Schwarzes Loch fällt, dieses letztlich durch ein Weißes Loch wieder verlässt. Dieses könnte sich in einem anderen Universum oder in einem abgetrennten Bereich unseres eigenen Universums befinden.“
„Das wirkt zwar äußerst ungewöhnlich, aber es ist die einzige Möglichkeit, falls Singularitäten nicht existieren: Alles, was in ein Schwarzes Loch fällt, muss letztlich wieder daraus hervorkommen.“
Eine Illustration eines Schwarzen Lochs, das die Raumzeit um sich herum aufwühlt. (Bildnachweis: Robert Lea (erstellt mit Canva))
Der Forscher fügte hinzu, dass dieser Prozess eigene Herausforderungen mit sich bringt. Diese müssten ebenfalls untersucht werden, um die Tragfähigkeit des Konzepts des Teams zu bewerten.
Die entscheidende Frage bleibt: Könnten Wissenschaftler jemals Beweise für diese Theorie finden – durch tatsächliche Beobachtungen von Schwarzen Löchern? Schließlich wissen wir, dass wir nicht einfach in ihr Inneres blicken können.
„Das ist schwer zu sagen“, erklärte Molina-Niñirola, „denn die Effekte, die zur Auflösung der Singularität führen, könnten erst bei extrem starken Gravitationskräften sichtbar werden – vermutlich weit stärker als alles, was wir beobachten können.“
„Aber es gibt einige Experimente, die uns gewisse Möglichkeiten eröffnen könnten.“
Molina-Niñirola erläuterte, dass die Beobachtung von Raumzeit-Wellen – sogenannten Gravitationswellen – Astronomen den Zugang zu weit stärkeren Gravitationsfeldern ermöglicht als je zuvor. Dies bietet Wissenschaftlern eine einzigartige Gelegenheit, Effekte jenseits der allgemeinen Relativitätstheorie zu untersuchen – möglicherweise sogar solche, die zur Auflösung von Singularitäten führen könnten.
Zudem sollte es, falls die Theorie des Teams stimmt, bereits im frühen Universum deutliche Spuren geben – und zwar während der Phase der kosmischen Inflation unmittelbar nach dem Urknall.
„In dieser Hinsicht könnte der Nachweis eines primordialen Gravitationswellenhintergrunds – der bisher noch nicht entdeckt wurde – Hinweise auf mögliche Modifikationen der Gravitation liefern“, erklärte Molina-Niñirola.
„Ein weiterer Effekt der Singularitätsfreiheit wäre, dass das Endprodukt der Schwarzen-Loch-Verdampfung durch Hawking-Strahlung ein mikroskopisch kleines Schwarzes Loch wäre.“
„Diese winzigen Schwarzen Löcher könnten als Kandidaten für Dunkle Materie in Frage kommen. Sollte sich also herausstellen, dass Dunkle Materie aus solchen Mini-Schwarzen-Löchern besteht, wäre dies ein indirekter Beweis für die Abwesenheit von Singularitäten.“
Die Forschungsergebnisse des Teams erschienen im Februar 2025 in der Fachzeitschrift Physics Letters B.
