Ein Team von Wissenschaftlern hat ein Rezept für schwarze Löcher entwickelt, das einen der beunruhigendsten Aspekte der Physik beseitigt: die zentrale Singularität, an dem alle unsere Theorien, Gesetze und Modelle zerbrechen.
Wenn Sie ein Objekt entwerfen wollten, um das Geheimnis zu bewahren und gleichzeitig beunruhigend zu sein, könnten Sie nicht viel besser abschneiden als ein schwarzes Loch.
Erstens ist die äußere Grenze dieser kosmischen Titanen eine Einweg-Leuchtdampffläche, die als Ereignishorizont bezeichnet wird, der Punkt, an dem die Schwerkraft eines Schwarzen Lochs so stark ist, dass nicht einmal Licht entkommen kann. Dies bedeutet, dass keine Informationen innerhalb eines schwarzen Lochs entkommen können, sodass wir niemals direkt beobachten oder messen können, was im Herzen liegt.
Unter Verwendung der Mathematik von Einsteins 1915 -Schwerkraft -Theorie, die als allgemeine Relativitätstheorie bezeichnet wird, können Wissenschaftler das Innere eines schwarzen Lochs modellieren. Das Problem ist, dass die allgemeine Relativitätstheorie, wenn sie dies tun, alle mathematischen Werte bei der “Singularität” im Herzen eines schwarzen Lochs in Unendlichkeit gehen.
Diese neue Forschung legt nahe, dass “gewöhnliche schwarze Löcher” ohne zentrale Singularität – das Physikäquivalent zu Ihrem Kuchen und das Essen – möglicherweise mehr als nur der Fiebertraum hoffnungsvoller Physiker sein.
“Die Singularität ist der mysteriösste und problematischste Teil eines Schwarzen Lochs. Hier ist unsere Konzepte von Raum und Zeit buchstäblich keinen Sinn mehr”, sagte Robie Hennigar, ein Forscher an der Durham University in England, gegenüber Space.com. “Wenn schwarze Löcher keine Singularitäten haben, dann sind sie viel gewöhnlicher.”
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Singularitätsgesinnt: Physiker wollen eine Sache
Einsteins Theorie der allgemeinen Relativitätstheorie besagt, dass es sich um eine Massenkurve handelt (die drei Dimensionen des Weltraums, die mit der einen Dimension der Zeit vereint sind), und die Schwerkraft ergibt sich aus dieser Krümmung. Je größer die Masse, desto extremer die Krümmung der Raumzeit und desto stärker der Einfluss der Schwerkraft. All dies wird mit den Gleichungen berechnet, die die allgemeine Relativitätstheorie untermauern: Einsteins Feldgleichungen.
“Die Art und Weise, wie die Raum-Zeit-Kurven durch die Einstein-Feldgleichungen bestimmt werden, die der Eckpfeiler der allgemeinen Relativitätstheorie sind”, Teammitglied Pablo Antonio Cano Molina-Niñirola des Instituts der Cosmos-Wissenschaften der Universität von Barcelona (ICCUB) in Spanien, sagte Space.com.
“Diese Gleichungen sind äußerst erfolgreich, da sie eine Fülle beobachtbarer Phänomene im Kosmos vorhersagen, von der Bewegung von Planeten bis zur Entwicklung des Universums und der Existenz von schwarzen Löchern”, 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 zunächst als Konzept aus Lösungen zu Einsteins Feldgleichungen, die der deutsche Physiker und Astronom Karl Schwartzchild vorgeschlagen hatte, als er im Jahr 1915 an der Front diente. Diese Lösungen gehen in Unendlichkeit in der Mitte dieser Region. Physiker mögen Unendlichkeiten nicht, da sie den Zusammenbruch oder Unvollständigkeit ihrer Modelle angeben oder etwas völlig Unphysikalisches vorschlagen. Das bedeutet für Physiker etwas wirklich beunruhigendes und unerwünschtes.
“Im Allgemeinen Relativitätstheorie ist das Innere eines schwarzen Lochs wie ein kontraktierendes Universum, in dem die Singularität den Moment darstellt, in dem sich der Raum selbst zusammenbricht”, sagte Molina-Niñirola.
Molina-Niñirola fügte hinzu, dass viele Physiker glauben, dass die allgemeine Relativität durch eine grundlegendere Theorie ersetzt werden muss, wenn die Schwerkraft außergewöhnlich stark wird und die Raumzeit stark verzogen ist. Es wurde angenommen, dass dies eine Theorie der Quantengravitation wäre, die zu einer “Theorie von allem” führt, die die so-far-inkompatiblen Theorien der allgemeinen Relativität und der Quantenphysik vereinen würde.
“Die Hoffnung ist, dass in dieser vollständigen Theorie Schwarze Loch-Singularitäten entfernt werden”, sagte Molina-Niñirola. “Jetzt geht unser Rezept für reguläre schwarze Löcher genau in diese Richtung, aber anstatt eine vollständige Theorie der Quantengravitation zu verwenden, verwenden wir etwas, das als” effektive Theorie “bezeichnet wird. Dies ist eine klassische Schwerkrafttheorie, die die Auswirkungen einer angenommenen Theorie der Quantengravitation erfassen soll. “
Dies ist für das Team, das die Einstein-Feldgleichungen modifiziert, so dass sich die Schwerkraft unterschiedlich verhält, wenn die Raumzeit stark gekrümmt ist. Letztendlich führt dies zur Entfernung der zentralen Singularitäten der schwarzen Löcher.
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Quantengravitation und andere Probleme
Diese neu modifizierte Theorie legt nahe, dass es im Herzen eines schwarzen Lochs keine Singularität gibt. Was existiert also in diesem extremen, exotischen Bereich?
“In unserem Modell stoppt der Raum-Zeit-Zusammenbruch und die Singularität wird durch eine stark verzerrte statische Region ersetzt, die im Kern des Schwarzen Lochs liegt”, sagte Molina-Niñirola. “Diese Region ist statisch, weil sie sich nicht zusammenzieht. Das bedeutet, dass ein Beobachter dort hypothetisch bleiben könnte, vorausgesetzt, sie konnten die riesigen, aber endlichen Gravitationskräfte in dieser Region überleben.”
Abgesehen von der gekrümmten Raumzeit befindet sich, was wohnt sonst noch im Herzen von schwarzen Löchern, wenn diese Theorie richtig ist? Laut Hennigar streng genommen nichts.
“Diese schwarzen Löcher sind überall ein reines Vakuum; “Es mag seltsam klingen, ein schwarzes Loch in Abwesenheit von Materie zu haben, aber dasselbe kann auch im Allgemeinen Relativitätstheorie passieren.”
Selbst wenn das Black Hole -Konzept des Teams verifiziert würde, würde es die Suche nach einem gültigen Modell der Quantengravitation und einer Theorie von allem wahrscheinlich nicht stoppen.
“In gewisser Weise ist dies ein Problem, das nicht vermieden werden kann. Sterne brachen ständig in unserem Universum zusammen. Es ist ein unvermeidlicher physischer Prozess. Aber dieses alltägliche Ereignis ist etwas, das uns an allem vorbei schiebt, was wir wissen”, fuhr Hennigar fort. “In den letzten Phasen des Zusammenbruchs werden sowohl die Schwerkraft als auch die Quanteneffekte wichtig sein, kurz bevor man die Singularität erreichen würde.
“Wir wissen also bereits, dass die Schlussfolgerungen, die man allein aus allgemeiner Relativitätstheorie ziehen würde, nicht ausreicht, um einen solchen extremen Ort/Moment zu beschreiben.”
Bedeutet der Verlust der Singularität das Verlust des Geheimnisses? Nicht ganz …
Wenn diese Forschung korrekt ist, hat diese Forschung möglicherweise etwas entmystifizierte schwarze Löcher, aber sie eröffnet viele Fragen, die noch beantwortet werden müssen.
“Unsere Arbeit liefert Antworten auf einige Geheimnisse, aber es öffnet andere”, sagte Molina-Niñirola. “Zum Beispiel würde nach unserem Modell – und anderen Vorschlägen in der wissenschaftlichen Literatur – die Angelegenheit, die in ein reguläres Schwarzes Loch fällt, das schwarze Loch durch ein weißes Loch in einem anderen Universum oder in einer getrennten Region desselben Universums verlassen.
“Das sieht sehr exotisch aus, aber es ist die einzige Möglichkeit, wenn Singularitäten nicht existieren: Alles, was in ein schwarzes Loch geht, muss irgendwann daraus herauskommen.”
Der Forscher fügte hinzu, dass dieser Prozess eigene Probleme mit sich bringt, die auch untersucht werden müssen, um die Robustheit der Idee des Teams zu bewerten.
Die große Frage ist, ob Wissenschaftler jemals Beweise für diese Theorie aus tatsächlichen Beobachtungen schwarzer Löcher finden könnten; Schließlich wissen wir, dass wir nicht einfach in ihre Innenräume passen können.
“Es ist schwer zu sagen, da die Auswirkungen, die zu einer Singularitätsauflösung führen, in Regimen von extrem starker Schwerkraft nur zu beobachten sein könnten, wahrscheinlich weitaus stärker als wir hoffen können, zu beobachten”, sagte Molina-Niñirola. “Es gibt jedoch einige Experimente, die uns einige Möglichkeiten bieten können.”
Molina-Niñirola erklärte, dass die Beobachtung von Wellen in der Raumzeit, die als Gravitationswellen bezeichnet wird, Astronomen ermöglicht, viel stärkere Gravitationsfelder als je zuvor zu beobachten. Dies gibt Wissenschaftlern eine einzigartige Chance, Effekte über die allgemeine Relativitätstheorie hinaus zu erkennen, einschließlich solcher, die zu einer Singularitätsauflösung führen können.
Wenn die Theorie des Teams korrekt ist, sollte es im sehr frühen Universum während der Zeit der kosmischen Inflation direkt nach dem Urknall einen verräterischen Abdruck geben.
“In dieser Hinsicht könnte der Nachweis eines ursprünglichen Hintergrunds der Gravitationswelle-der noch nicht nachgewiesen wurde-Hinweise auf mögliche Änderungen der Schwerkraft liefern”, sagte Molina-Niñirola. “Schließlich ist eine Folge der Abwesenheit von Singularitäten, dass das Endprodukt der Verdunstung des Schwarzen Lochs durch Hawking-Strahlung ein mikroskopisches schwarzes Loch wäre.
“Diese mikroskopischen schwarzen Löcher bieten einen möglichen Kandidaten für dunkle Materie. Wenn sich die dunkle Materie aus winzigen schwarzen Löchern zusammensetzte, wäre dies ein indirekter Beweis für das Fehlen von Singularitäten.”
Die Forschung des Teams wurde im Februar 2025 in der Zeitschrift Physics Letters B veröffentlicht.
