Raumzeit-Kristall: Forscher finden Formel für Mini-Schwarze Löcher
Forschende aus Wien und Frankfurt entwickeln eine Formel für Raumzeit-Kristalle und mögliche Mini-Schwarze Löcher.
Links: eine Visualisierung eines "Raumzeit-Kristall", rechts: ein gewöhnlicher Kristall.
Foto: TU Wien
Schwarze Löcher gelten als extreme Objekte des Universums. Meist entstehen sie, wenn massereiche Sterne kollabieren. Doch die Physik kennt noch eine zweite, deutlich exotischere Möglichkeit: winzige Schwarze Löcher, kleiner als ein Atomkern. Genau um diese hypothetischen Objekte geht es in einer neuen Arbeit eines Forschungsteams aus Wien und Frankfurt.
Die Forschenden beschreiben darin einen ungewöhnlichen Zustand der Raumzeit. Unter bestimmten Bedingungen kann sie sich ähnlich anordnen wie ein Kristall. Wird diesem instabilen Zustand dann nur wenig zusätzliche Energie zugeführt, könnte daraus ein Schwarzes Loch entstehen.
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Wenn Raum und Zeit plötzlich Ordnung bilden
Der zugrunde liegende Mechanismus heißt „kritischer Kollaps“. Gemeint ist damit ein Grenzbereich zwischen Stabilität und Kollaps. In diesem Zustand reagiert die Raumzeit extrem empfindlich auf kleinste Änderungen.
Prof. Daniel Grumiller erklärt das mit einem einfachen Vergleich: „Manchmal reicht eine kleine, unspektakuläre Ursache, um eine große, spektakuläre Veränderung auszulösen.“
Als Beispiel nennt er Wasser bei 0 °C. Eine minimale Veränderung genügt, damit sich ungeordnete Wassermoleküle plötzlich zu einem Kristallgitter organisieren. Ähnliches könne laut Relativitätstheorie auch mit Raum und Zeit passieren.
Der Gedanke klingt zunächst abstrakt. Tatsächlich beschreibt die Allgemeine Relativitätstheorie aber genau solche Effekte. Masse krümmt Raum und Zeit. Große Himmelskörper wie Sterne oder Schwarze Löcher tun das besonders stark. Doch auch kleine Energiemengen beeinflussen die Raumzeit messbar.
Christian Ecker vom Institut für Theoretische Physik in Frankfurt formuliert es so: „Man sagt: Die Raumzeit wird durch Masse gekrümmt.“ Unter speziellen Bedingungen kann daraus ein regelmäßiges Muster entstehen. Die Forschenden sprechen deshalb von einem „Raumzeit-Kristall“.
Ein instabiler Zwischenzustand
Besonders interessant ist die Instabilität dieses Zustands. Der Raumzeit-Kristall ist kein dauerhaftes Objekt. Er steht gewissermaßen auf der Kippe. Daniel Grumiller beschreibt das so: „Er ist eine Art Zwischenzustand, ein instabiler Punkt, der sich in zwei Richtungen entwickeln kann.“
Entweder zerfällt die Struktur wieder. Dann bleibt normale Raumzeit zurück. Oder eine minimale zusätzliche Energiezufuhr löst einen vollständigen Kollaps aus. In diesem Fall entsteht ein Schwarzes Loch.
Solche Prozesse könnten kurz nach dem Urknall eine Rolle gespielt haben. Damals war das Universum extrem dicht und heiß. Manche Forschende vermuten deshalb, dass sogenannte primordiale Schwarze Löcher entstanden sein könnten. Dabei handelt es sich um hypothetische Mini-Schwarze Löcher aus der Frühzeit des Kosmos.
Die alte Vermutung aus den 1990er-Jahren
Neu ist die Idee nicht. Bereits 1993 zeigten Computersimulationen Hinweise auf solche kritischen Kollaps-Prozesse. Das Problem: Die mathematische Beschreibung erwies sich als extrem schwierig. Jahrzehntelang fehlte eine exakte Formel.
Das Team aus Wien und Frankfurt ging deshalb einen ungewöhnlichen Weg. Die Forschenden erweiterten die Gleichungen gedanklich auf unendlich viele Dimensionen. Das klingt zunächst komplizierter. Tatsächlich werden manche Probleme dadurch aber einfacher lösbar.
Christian Ecker erklärt: „Prinzipiell hindert uns aber nichts daran, physikalische Gleichungen für eine höhere Anzahl von Dimensionen aufzuschreiben.“
Über diesen mathematischen Umweg gelang schließlich die Beschreibung des kritischen Kollapses. Anschließend prüfte das Team, ob sich die Ergebnisse wieder auf unser vierdimensionales Universum übertragen lassen. Offenbar funktioniert das erstaunlich gut.
Warum die Formel wichtig sein könnte
Die neue Methode liefert nicht nur eine Erklärung für alte Simulationen. Sie könnte auch helfen, andere schwer zugängliche Phänomene rund um Schwarze Löcher besser zu verstehen.
Florian Ecker von der TU Wien sagt dazu: „Wir haben damit eine Methode entwickelt, mit der man Phänomene rund um Schwarze Löcher untersuchen kann, die bisher nicht analysierbar waren.“
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