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Gravitationsphysik : Nackte Singles sind leider nicht sehr stabil

Zacken in der Raumzeit sind eine Vorhersage der Gravitationstheorie Albert Einsteins. Eigentlich sollte sie die umgebende Raumzeit immer und überall verhüllen. Fällt nun auch dieses Tabu? Bild: F.A.S.

Schwarze Löcher? Kinderkram! Einsteins Gravitationstheorie kennt noch viel Schärferes. Die Frage ist allerdings, ob die Natur diesen Exzess auch mitmacht.

          6 Min.

           

          Ulf von Rauchhaupt

          Verantwortlich für das Ressort „Wissenschaft“ der Frankfurter Allgemeinen Sonntagszeitung.

          Bisher müssen wir uns irgendwie vorstellen, dass es sie gibt, die schwarzen Löcher. Schon bald aber wird es auch von diesen wohl bizarrsten aller Naturdinge Bilder geben. Eine neue Generation von Teleskopen, darunter das Atacama Large Millimeter Array (Alma) in Chile, wird durch weltweite Kombination ihrer Daten in der Lage sein, das schwarze Loch im Zentrum der Milchstraße sichtbar zu machen: als Schatten vor der leuchtenden Materie, die es umgibt.

          Viel näher werden astrophysikalische Paparazzi ihnen aber nie kommen, selbst wenn sie hinfliegen könnten zu der 26 000 Lichtjahre entfernten Gravitationskraftquelle, bei der vier Millionen Sonnenmassen so eng zusammengeballt sind, dass die Raumzeit sozusagen einen Knick bekommen hat. Nach den bekannten Naturgesetzen gibt es nichts, was die Atome eines solchen Brummers daran hindern könnte, allesamt auf denselben mathematischen Punkt im Zentrum zu fallen. Nach Einsteins Gravitationstheorie wird dort die Raumzeitkrümmung unendlich - oder „singulär“, wie transzendenzscheue Physiker lieber sagen.

          Schwarze Löcher halten sich bedeckt

          Wer gerne wüsste, wie so etwas aussieht, wird enttäuscht. Um die Singularität im Zentrum der Milchstraße - und jedes anderen schwarzen Lochs, von dem man weiß - liegt eine Zone, begrenzt durch den sogenannten Ereignishorizont, aus der die enorme Schwerkraft selbst Licht nicht mehr entweichen und das Loch eben schwarz sein lässt. Damit macht dieser Horizont auch die Singularität, von außen betrachtet, unsichtbar, verhüllt sie. Und auch der Schatten, den die Astronomen mit Alma & Co. im Zentrum der Milchstraße demnächst zu beobachten hoffen, ist eben nur der jenes Horizontes.

          Die Frage ist nun: Hat jede Singularität der Gravitationstheorie notwendig einen Horizont um sich herum? Oder kann es auch welche geben, die keinen haben, also sozusagen nackt sind?

          Pro und Contra Nackte Singularität

          Ja, behauptet die von Einstein postulierte Gravitationstheorie. Deren Gleichungen erlauben die Existenz solcher Nackten Singularitäten. Die kollabierte Materie muss dazu lediglich ausreichend schnell rotieren oder elektrisch aufgeladen sein. Doch nicht alles, was eine gültige Theorie erlaubt, gibt es auch. Also muss man eher fragen: Erlauben Einsteins Gleichungen, dass sich eine Nackte Singularität bildet?

          Nein, sagten J. Robert Oppenheimer und Hartland Snyder, die beiden Physiker, die 1939 als Erste die Bildung einer Singularität beim Gravitationskollaps einer ausreichend großen Materiemenge im Detail berechneten. Dazu bedarf es gar keiner Millionen Sonnenmassen, zehn reichen schon, und in der Tat hat man bereits etliche schwarze Löcher dieses Kalibers nachgewiesen. Sie entstanden aus sehr schweren Sternen, deren Energievorrat verbraucht war. Eine solche Implosion eines Sterns ist so heftig, dass äußere Materieschichten in einer sogenannten Supernova abgesprengt werden und die inneren kollabieren. Nach Oppenheimer und Snyder entsteht dabei aber immer ein schwarzes Loch, nie eine Nackte Singularität.

          Gravitationstheoretischer Schweinkram.

          Dieses Ergebnis wurde Ende der 1960er Jahre wichtig, als die beiden britischen Theoretiker Stephen Hawking und Roger Penrose mathematisch bewiesen, dass die Bildung von Singularitäten kein Artefakt der Rechenmethode ist, sondern eine mathematische Eigenschaft von Einsteins Gleichungen. Unverhüllt beobachtbar wären solche Singularitäten aber etwas mehr als Unanständiges, denn sie würden Einsteins Theorie inkonsistent machen. Deren Gleichungen sind schließlich streng deterministisch: Es kann nichts beobachtet werden, was nicht notwendig mathematisch aus etwas anderem folgt.

          Doch aus einer Singularität kann mathematisch Beliebiges folgen. Und das ist nur dann kein Widerspruch, wenn die Singularität unbeobachtbar von einem Horizont verhüllt ist. Roger Penrose stellte daher 1969 die Hypothese auf, dass die Natur die Bildung von Nackten Singularitäten nicht zulässt, als gebe es einen kosmischen Zensor, der solchen gravitationstheoretischen Schweinkram unterbindet. Allerdings ist es seither weder Penrose noch sonst jemandem gelungen, die Zensurhypothese aus den bekannten Naturgesetzen abzuleiten.

          Die Umgehung der kosmischen Zensur

          Was vielleicht daran liegt, dass sie nicht stimmt. Davon jedenfalls ist Pankaj Joshi überzeugt, Professor für Physik am Tata Institute im indischen Bombay. Joshi weist darauf hin, dass etwa die Heftigkeit der Rotation eines Objekts, die Einsteins Gleichungen für die Existenz einer Nackten Singularität fordern, keineswegs unrealistisch hoch ist. „Bei dem Objekt im Zentrum der Milchstraße wurde eine schnelle Umdrehung festgestellt, sehr nah an dem kritischen Wert“, sagt Joshi. Viel wichtiger aber sei etwas anderes: „Das Fehlen hoher Drehmomente oder elektrischer Ladungen rettet die Zensur-Hypothese nicht.“ Es gebe nämlich noch andere physikalisch wichtige Größen, die bereits bei der Entstehung einer Kollaps-Singularität verhindern könnten, dass diese sich verhüllt.

          Oppenheimer und Snyder hatten nämlich bei ihrer Rechnung ein paar Vereinfachungen gemacht: Sie hatten nicht nur angenommen, dass der kollabierende Stern weder rotiert noch geladen ist, sondern auch, dass er aus einem Gas von Atomen besteht, die keine zufälligen Eigenbewegungen ausführen (und damit, wären sie in einem Behälter, auf dessen Wandungen keinen Druck ausüben würden). Und sie hatten sich das Sternvolumen zu Beginn des Kollapses gleichmäßig mit einem solchen drucklosen Gas ausgefüllt gedacht. In diesem Fall (linke Grafik) bildet sich der Ereignishorizont tatsächlich immer vor der Singularität, die damit dem Blick von außen verborgen bleibt.

          Denkt man sich eine Raumdimension weg, kann man sich einen Stern als Scheibe (grau) vorstellen - und wie er zu einer Region kollabiert (rote Pfeile), in der die Quantengravitation gilt (gelb). Diese heißt „Singularität“, auch wenn es mathematisch gesehen keine ist. War die Materie ausreichend inhomogen (rechts), könnte sich eine „Nackte Singularität“ bilden.
          Denkt man sich eine Raumdimension weg, kann man sich einen Stern als Scheibe (grau) vorstellen - und wie er zu einer Region kollabiert (rote Pfeile), in der die Quantengravitation gilt (gelb). Diese heißt „Singularität“, auch wenn es mathematisch gesehen keine ist. War die Materie ausreichend inhomogen (rechts), könnte sich eine „Nackte Singularität“ bilden. : Bild: F.A.Z.-Grafik Piron

          Wie Joshi und seine Mitarbeiter zeigen konnten, sieht die Sache anders aus, wenn die Dichte im Inneren des Sterns zum Zentrum hin ausreichend rasch zunimmt (rechte der beiden nebenstehenden Grafiken). Dann kann sich die Singularität zeitlich vor dem Ereignishorizont bilden und ist dann vorübergehend sichtbar. „Und erlaubt man nun noch Drücke ungleich null, dann lassen sich Modelle finden, in denen sich Nackte Singularitäten in einem Kollaps bilden und nicht wieder verschwinden“, sagt der indische Theoretiker.

          “Joshis Resultate sind nicht unplausibel“, sagt Claus Kiefer von der Universität Köln, der ebenfalls gut ohne kosmische Zensur leben könnte. An der hänge man einerseits, weil der berühmte Penrose diese Hypothese formuliert habe. „Andererseits können bei der Existenz von Nackten Singularitäten Dinge ,aus dem Nichts’ entstehen, was sich nicht beschreiben lässt und Unbehagen erzeugt. Meiner Meinung nach müsste eine Theorie der Quantengravitation sagen können, ob es Nackte Singularitäten gibt und was sie für Eigenschaften haben.“

          Wenn die Quantengravitation kommt, wird alles gut

          Tatsächlich glaubt selbst Roger Penrose nicht, dass eine Gravitations-Singularität wirklich eine Singularität im mathematischen Sinne ist, bei der irgendwelche physikalischen Größen wie die Raumzeitkrümmung unendlich werden, auch wenn dies aus Einsteins Theorie folgt. Vielmehr sollten hier Bedingungen herrschen, für die eine neue, noch unbekannte Theorie gilt, die neben der Gravitation auch die Quantennatur der Welt berücksichtigt. Dafür gibt es heute etliche Ansätze, unter denen die sogenannte Stringtheorie und die Schleifen-Quantengravitation die bekanntesten sind.

          Wenn es Nackte Singularitäten gibt und man im Universum welche fände, würde das den Theoretikern sehr helfen. Denn Nackte Singularitäten müssten aufgrund der enormen Raumkrümmung in ihrer unmittelbaren Umgebung intensiv leuchten. „Und die Details des Spektrums dieses Lichts wären stark davon abhängig, welche Quantengravitationstheorie gilt“, sagt Pankaj Joshi. String- und Schleifentheorie etwa würden jeweils zu erkennbar unterschiedlichen Spektren führen, wenn sich die denn beobachten ließen. „Das wäre tatsächlich äußerst lohnend“, findet auch Claus Kiefer.

          Die physikalische Realität scheint sie nicht zu mögen

          Andere Forscher allerdings halten die Hoffnung für unbegründet, sehen sie doch zahlreiche Hinweise darauf, dass da tatsächlich eine kosmische Zensur den Physikern den Blick auf die erregenden Singularitäten verwehrt. Bernard Schutz etwa, Direktor am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in Golm, leugnet keineswegs, dass es Rechenmodelle gibt, die zu Nackten Singularitäten führen. „Doch die sind sehr speziell. Ändert man den Prozess, in dem sie sich formen, ein klein wenig, bekommt man keine Nackte Singularität mehr.“

          „Das sind sicher gültige Lösungen der Gleichungen,“ sagt Schutz. „Doch sie sind nicht stabil genug, um in der realen Welt zu existieren“. Er gibt ein Beispiel: „Die meisten Sterne, die zu schwarzen Löchern kollabieren, würden Nackte Singularitäten ergeben, wenn sie dabei ihren Drehmoment behielten. Wir glauben aber nicht, dass das passiert. In allen Simulationen, die bisher gerechnet wurden, lassen sie sehr viel Drehmoment in einer Materiescheibe zurück. Der Prozess, in dem sich ein schwarzes Loch bildet, scheint die Bildung einer Nackten Singularität einfach nicht zu mögen.“

          Doch auch für Schutz ist die Debatte damit nicht beendet. Mögliche Fortschritte könnten Beobachtungen von Gravitationswellen bringen, Erschütterungen der Raumzeit, die nach Einsteins Theorie unter anderem durch Kollision und Verschmelzung zweier schwarzer Löcher verursacht werden und sich mit Lichtgeschwindigkeit durch das All ausbreiten. Mit einem geplanten weltraumgestützten Detektor würden sie messbar. „Wir wissen, was für Gravitationswellen zu erwarten sind, wenn die Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher so abläuft wie in unseren Simulationen“, sagt Schutz. „Wenn wir was anderes sehen, könnte das ein Hinweis auf eine Nackte Singularität sein.“ Das Gravitationswellen-Signal eines, wenn auch nur kurzlebigen, quantengravitativen Nackedeis wäre dann eines der heißesten Cover, das Nature oder Science je hatte.

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