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Eine Illustration eines schwarzen Lochs, an dessen Ereignishorizont die Ausdehnung des Universums konstant ist.(Bildnachweis: Robert Lea)

Die Expansionsrate des Universums beschleunigt sich im gesamten Kosmos, angetrieben durch eine mysteriöse Kraft, die als dunkle Energie bekannt ist – aber vielleicht nicht an den Rändern der schwarzen Löcher, wie neue Forschungsergebnisse zeigen.

Diese Idee impliziert nicht, dass die dunkle Energie nicht an den Grenzen der schwarzen Löcher wirkt, sondern legt nahe, dass diese mysteriöse, das Universum beherrschende Kraft die einzige Energie ist, die an den Ereignishorizonten wirkt.

Das Konzept könnte dazu beitragen, ein seit langem bestehendes Problem in der Kosmologie, die so genannte „Hubble-Spannung“, zu lösen, die sich aus radikal unterschiedlichen Schätzungen der Expansionsrate des Universums ergibt, die als Hubble-Konstante oder Hubble-Parameter bekannt ist.

Vielleicht noch bedeutsamer für nicht-theoretische Physiker ist, dass diese Forschung bedeutet, dass Schwarze Löcher, ihre äußeren Grenzen oder „Ereignishorizonte“ und die durch dunkle Energie angetriebene Expansion des Raums seltsamer und schwieriger zu verstehen sein könnten, als wir befürchtet haben.

Diese neue verblüffende Idee wurde von dem theoretischen Physiker Nikodem Poplawski von der Universität New Haven in Connecticut vorgeschlagen. Er sagte, dass sich der Raum um die schwarzen Löcher zwar ausdehnt, wenn auch anders als im restlichen Kosmos, die schwarzen Löcher selbst aber deshalb nicht wachsen.

„Die Expansionsrate des Universums am Ereignishorizont eines jeden Schwarzen Lochs ist konstant, doch die Größe des Ereignishorizonts und damit des Schwarzen Lochs selbst nimmt nicht zu, wenn sich das Universum ausdehnt“, so Poplawski gegenüber kosmischeweiten.de. „Man kann sich fragen: Wie ist es möglich, dass der Ereignishorizont nicht wächst, aber der Raum dort wächst? Das liegt daran, dass die Expansion des Raums dazu führt, dass sich Punkte, die sehr nahe am Ereignishorizont liegen, von diesem wegbewegen.“

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Poplawski fügte hinzu, dass einige Leute vorgeschlagen haben, dass Schwarze Löcher wachsen und ihre Masse erhöhen könnten, ohne dass es zu einer Materieakkretion aufgrund der Expansion des Universums kommt. Er argumentierte, dass seine Ergebnisse zeigen, dass diese Erklärung für das Wachstum schwarzer Löcher, insbesondere für supermassive schwarze Löcher, die im frühen Universum unglaublich schnell wuchsen, nicht gültig ist.

Fast schwarze Löcher?

Die ersten Gedanken über Schwarze Löcher kamen den Forschern, vor allem dem deutschen Physiker und Astronomen Karl Schwarzschild, als er 1915 Lösungen für Einsteins allgemeine Relativitätstheorie vorschlug.

Die allgemeine Relativitätstheorie besagt, dass Objekte mit Masse das Gefüge von Raum und Zeit, die als eine einzige Einheit, die Raumzeit, vereint sind, „verzerren“. Je größer die Masse ist, desto größer ist die Verformung der Raumzeit, die sie erzeugt. Da die Schwerkraft aus dieser Verformung resultiert, erklärt dies, warum die Schwerkraft eines Objekts umso stärker auf seine Umgebung wirkt, je mehr Masse es hat.

Schwarze Löcher entstehen aus der Vorstellung einer unendlichen Menge an Masse, die in einem unendlich kleinen Raum, der so genannten Singularität, konzentriert ist. Nach den Gleichungen der allgemeinen Relativitätstheorie wird diese Singularität, in der die gesamte Physik zusammenbricht, von einer unphysikalischen Oberfläche begrenzt, an der sich nicht einmal das Licht schnell genug bewegen kann, um zu entkommen. Dies ist der Ereignishorizont, und seine Existenz bedeutet, dass nichts aus einem Schwarzen Loch entkommt. Daher können wir niemals hoffen, das Innere eines Schwarzen Lochs zu „sehen“.

Aufgrund der extremen Zeitverzerrung in der Umgebung eines Schwarzen Lochs können wir auch niemals hoffen, den Ereignishorizont selbst zu sehen.

„Der Ereignishorizont bildet sich, nachdem auf der Erde eine unendliche Zeit verstrichen ist“, so Poplawski. „Wenn also ein Stern am Ende seines Lebens kollabiert und ein schwarzes Loch entsteht, sehen wir nicht das schwarze Loch, sondern den letzten Moment dieser Umwandlung. Als ob dieses Konzept nicht schon seltsam genug wäre, glaubt Poplawski, dass Ereignishorizonte noch seltsamer sind: Dort gibt es dunkle Energie, aber der Raum um die Ereignishorizonte scheint sie einfach zu ignorieren.

Ein Bild von Sagittarius A*, dem supermassereichen Schwarzen Loch im Herzen der Milchstraße, ist eigentlich ein Bild eines „fast schwarzen Lochs“. (Bildnachweis: EHT Collaboration)

„Die Expansionsrate des Universums, der Hubble-Parameter, ist konstant und kann an den Ereignishorizonten von Schwarzen Löchern entweder positiv oder null sein“, so Poplawski. „Das muss so sein, denn wenn die Expansionsrate des Universums am Ereignishorizont nicht konstant wäre, wären der Druck und die Krümmung der Raumzeit unendlich. Das wäre nicht messbar, also unphysikalisch.“

So verblüffend (und raumgreifend) Poplawskis Theorie auch ist, sie könnte tatsächlich ein Problem lösen, das die Wissenschaftler seit Jahrzehnten beunruhigt.

Hubble kein Problem mehr?

Ende der 1990er Jahre haben zwei verschiedene Astronomenteams anhand von Messungen der Entfernung zu Supernovae des Typs Ia festgestellt, dass sich das Universum nicht nur ausdehnt, wie Edwin Hubble zu Beginn des 20. Jahrhunderts nachgewiesen hatte, sondern dass sich die Expansion auch beschleunigt.

Damals wurde der Begriff „dunkle Energie“ geprägt, um den Aspekt des Universums zu beschreiben, der diese Beschleunigung bewirkt. Seitdem haben Wissenschaftler festgestellt, dass in der gegenwärtigen Epoche des Kosmos, in der wir leben, die dunkle Energie die dunkle Materie und die alltägliche Materie dominiert und etwa 68 % der Energie und Materie im Universum ausmacht.

Die einfachste Erklärung für die dunkle Energie ist derzeit die „kosmologische Konstante“, ein Maß für die Energiedichte des Vakuums. Aber wie Sie wahrscheinlich schon bemerkt haben, ist in der Kosmologie nichts wirklich einfach.

Ein veränderlicher Cephid-Stern, der von Astronomen als „Standardkerze“ verwendet wird, um die Expansionsrate des Universums zu messen. (Bildnachweis: NASA, ESA, Hubble Heritage Team (STScI/AURA)-Hubble/Europe Collaboration)

Wenn der Wert der kosmologischen Konstante anhand der Quantenfeldtheorie berechnet wird, ist das Ergebnis größer als das, was man erhält, wenn man weit entfernte Supernovae des Typs Ia und Sterne mit wechselnder Helligkeit, die so genannten Cephid-Variablen, betrachtet, die beide wegen ihrer Nützlichkeit bei der Messung kosmischer Entfernungen als „Standardkerzen“ bekannt sind.

Nach einigen Schätzungen beträgt der Unterschied zwischen den beiden Werten 121 Größenordnungen – das heißt 10 gefolgt von 120 Nullen. Es ist kein Wunder, dass einige Physiker die kosmologische Konstante als „die schlechteste Vorhersage in der Geschichte der Physik“ bezeichnen.

Dieses Problem, das als Hubble-Spannung bezeichnet wird, hat sich mit der Verbesserung der Quantenfeldtheorie und der Kosmologie sowie der zunehmenden Robustheit der Astronomie nur noch verschlimmert; überraschenderweise haben sich die Werte weiter auseinanderentwickelt.

Die einzige Möglichkeit, dass beide Schätzungen des Hubble-Parameters korrekt sind, besteht darin, dass die Expansionsrate des Universums nicht gleichmäßig über den gesamten Kosmos verläuft, sondern dass einige Regionen viel schneller expandieren als andere.

Eine Idee ist, dass sich unsere Galaxie, die Milchstraße, in einer unterdichten „Blase“ des Universums befindet – einer „Hubble-Blase“, wenn man so will -, die die lokalen Entfernungsmessungen beeinflusst, so dass sie einen niedrigen Hubble-Parameterwert liefern. Die Quantenfeldtheorie hingegen ist nicht auf das lokale Universum beschränkt, sondern berücksichtigt den gesamten Kosmos und liefert daher einen hohen Wert, der über den gesamten Raum gemittelt wird.

Die Hypothese von Poplawski bietet nun eine weitere Möglichkeit, wie bestimmte Regionen des Kosmos unterschiedlich schnell beschleunigt werden könnten.

„Die Expansionsrate ist an allen Ereignishorizonten gleich, aber in anderen Teilen des Universums hängt sie von der dortigen Materie und der räumlichen Krümmung ab und ist daher unterschiedlich“, erklärt er. „Daher haben verschiedene Teile des Universums unterschiedliche Expansionsgeschwindigkeiten. Das erklärt die beobachtete Hubble-Spannung.“

Könnte Poplawskis Theorie der universellen Expansion, die sich an Ereignishorizonten mit einer konstanten Rate bewegt, durch Beobachtungen in der Astronomie überprüft werden?

Das hält er leider für zweifelhaft. Standardkerzen wie Supernovae vom Typ Ia und Cephid-Veränderliche existieren nicht am Rande des Ereignishorizonts. Das bedeutet, dass die astronomischen Methoden zur Bestimmung des Hubble-Parameters in diesem Fall so gut wie nutzlos sind.

Zudem muss man die ganze Sache mit der Zeitverzögerung und die Tatsache berücksichtigen, dass Licht einem Schwarzen Loch nicht entkommen kann. Die einzige Möglichkeit, den Hubble-Parameter zu messen, könnte darin bestehen, eine Einwegreise in das Schwarze Loch zu unternehmen.

„Streng genommen können wir den Hubble-Parameter nicht am Ereignishorizont messen, denn wenn wir das Schwarze Loch sehen, hat sich der Horizont noch nicht gebildet“, sagt Poplawski. „Ein Beobachter, der in ein Schwarzes Loch fällt, durchquert den Ereignishorizont jedoch innerhalb einer endlichen Zeit und könnte theoretisch den Hubble-Parameter messen, während er ihn durchquert.

„Allerdings wäre er nicht in der Lage, diese Information zurück zur Erde zu senden, da nichts aus dem Ereignishorizont ins Weltall entkommen kann.“

Poplawski ist daher der Meinung, dass die streng gehüteten Geheimnisse der schwarzen Löcher weiterhin im Dunkeln bleiben werden, solange es keine revolutionäre Methode zur Messung des Hubble-Parameters gibt.

Poplawskis Forschungsergebnisse sind in einem Pre-Peer-Reviewed Paper auf der Preprint-Website arXiv zu finden.