Kompakte Kosmische Objekte
Seit Erscheinen der Allgemeinen Relativitätstheorie im Jahr 1915 wissen wir, dass am Lebensende eines massereichen Sterns ein Gravitationskollaps steht. Wenn in seinem Innern die Energiequelle versiegt, die zum Erliegen gekommenen Kernfusionen keinen Gegendruck mehr entwickeln, bricht der Stern unter seiner eigenen Last zusammen. Die Materie stürzt unaufhaltsam nach innen, es gibt kein Halten mehr. Bei Erreichen einer kritischen Größe (Schwarzschildradius) verschwindet der Stern aus dem Universum, wir können ihn nicht mehr sehen und keine Informationen mehr über ihn erhalten. Es ist ein Schwarzes Loch entstanden.
Im Zentrum des Schwarzen Lochs ist die ursprüngliche Materie zu einem unfassbaren Zustand zusammengequetscht: Zu einem ringförmigen Punkt unendlich kleiner Ausdehnung und unendlich hoher Dichte! Die Krümmung der Raumzeit in dieser Singularität ist unendlich hoch, so dass Raum und Zeit dort aufhören zu existieren.
Physikern sträuben sich die Nackenhaare, wenn sie mit Unendlichkeiten rechnen müssen. In unserem Universum sind unendliche Größen nämlich äußerst selten! So ist es kein Wunder, dass man immer wieder nach Auswegen sucht, um den höchst unbequemen Zustand der Singularität zu umgehen. Stephen Hawking beispielsweise schlägt als Alternative zum Urknallmodell die Entstehung des Kosmos aus einem unbestimmten Quantenzustand vor, nach dem in einem Multiversum (auch Hyperraum genannt) unzählige Universen aus Fluktuationen entstehen. Paul Steinhardt entwickelte das Ekpyrotische Universum. Demnach entstand das All durch eine Kollision zweier so genannter Brane, dreidimensionaler Gebilde, die in eine fünfdimensionale Raumzeit eingebettet sind. Nicht zuletzt soll die zukünftige Theorie der Quantengravitation die Singularität insofern vermeiden, als die Masse in einem Raum endlicher Ausdehnung - im Bereich der Planck- Skala von 10-35 [m] - enthalten ist.
Emil Mottola vom Los Alamos National Laboratory und Pawel Mazur von der University of South Carolina schlugen das Modell völlig neuartiger Himmelskörper vor, die eine ernsthafte Alternative zur Singularität eines Schwarzen Lochs darstellen könnten. Sie nannten diese Objekte QBHO (Quasi Black Hole Object) oder Gravastern (Eine Zusammensetzung aus Gravitation, Vakuum und Stern).
Was ist nun solch ein Gravastern und wie entsteht er? Genau wie ein Schwarzes Loch bildet sich ein Gravastern aus einem kollabierenden massereichen Stern. Am Ende steht jedoch nicht die Singularität, sondern eine Blase, die von einer dünnen Materieschale umgeben ist. Wie genau dieser Bildungsprozess abläuft, weiß bis jetzt noch niemand. Bevor sich jedoch beim kollabierenden Stern der Ereignishorizont ausbilden kann, durchläuft die nun schon stark gekrümmte Raumzeit einen (Quanten-)Phasenübergang (ein Phasenübergang ist z.B. die Umwandlung von flüssigem Wasser in festes Eis). Es entsteht ein so genanntes gravitatives Bose- Einstein- Kondensat (GBEK). Allgemein ausgedrückt, verhalten sich in einem Bose- Einstein- Kondensat die Atome wie ein einziges großes, da alle dieselben Quanteneigenschaften annehmen. Die Raumzeit im kollabierenden Stern ist durch ihre starke Krümmung sehr energiereich und geht nun in das neuartige GBEK über.
Nach vollzogenem Phasenübergang bildet sich in dem Bereich, der dem Ereignishorizont eines Schwarzen Lochs entspricht, eine sehr dünne, extrem niederenergetische und deshalb kalte Materieschale aus einem Quantenkondensat. Ihre Temperatur liegt nur minimal über dem absoluten Nullpunkt, so dass keine Strahlung emittiert wird. Daher sind Gravasterne prinzipiell schwarz wie ein Schwarzes Loch. Das eigentliche GBEK bildet das Innere des Gravasterns, und nun wird es ziemlich exotisch: Dieses Innere ist eine Vakuum- Blase mit positiver kosmologischer Konstante. Das bedeutet, dass sie gravitativ abstoßend wirkt! Dieses Vakuum, das nichts anderes als die geheimnisvolle Dunkle Energie sein könnte, erzeugt einen nach außen gerichteten Druck und stabilisiert so die äußere Schale, während diese für das innere Vakuum verantwortlich ist.
Die Schale des Gravasterns ist wie schon erwähnt sehr dünn, sie hat nur eine Ausdehnung im Bereich der Plancklänge, das entspricht unvorstellbaren 10-35 [m]. Der Hauptanteil der Masse des Sterns besteht, so seltsam das auch klingt, aus der materiefreien Blase des besonderen Vakuums.
Die Entweichgeschwindigkeit liegt bei einem Gravastern stets knapp unterhalb der Lichtgeschwindigkeit, weshalb wie gesagt Photonen entweichen können. Was aber geschieht im umgekehrten Fall, wenn Photonen oder Materie auf einen Gravastern treffen? Wir müssen uns fragen, ob diese dann auch wie bei einem Schwarzen Loch einfach verschluckt werden. Genaues darüber weiß man leider noch nicht. Es könnte aber sein, dass die eindringende Materie ebenfalls einem Phasenübergang unterworfen wird und im Innern Teil des Bose- Einstein- Kondensats wird. Hierdurch wird der Radius des Gravasterns anwachsen, wie auch durch Materieakkretion der Horizont eines Schwarzen Lochs anwächst. Das allerdings wäre für die beobachtenden Astronomen bitter, denn die Materie würde wie beim Schwarzen Loch einfach verschluckt, ohne dass es etwas zu sehen gäbe. Ein Gravastern wäre damit eine Art Materieumwandler, denn er würde normale (= "baryonische") Materie in Dunkle Energie umformen.
Gravasterne lassen sich aufgrund der bisherigen astronomischen Beobachtungen von Schwarzen Löchern nicht unterscheiden, denn beide verhalten sich außerhalb einer bestimmten Distanz vom Ereignishorizont identisch. Könnte man die Beobachtung jedoch nah genug an den Horizont heranbringen, sollten sich Gravasterne durch einen höheren Energieausstoß bei der Akkretion von Materie verraten.
Denkbar ist auch, dass einfallende Photonen an der Phasengrenze reflektiert werden (ähnlich wie z.B. Licht beim Übergang von Luft in Wasser teilweise reflektiert wird), was vor allem auf extrem kurze Wellenlängen zutreffen könnte. Gravasterne sollten dann im Gammabereich beobachtbar sein.
Wie es scheint, müssen Gravasterne sehr exotische Objekte sein und es ist fraglich, ob man jemals deren tatsächliche Existenz nachweisen wird. Dieselben Zweifel hatte allerdings vor vielen Jahren auch ein junger Physiker namens Einstein, der nicht so recht daran glauben mochte, dass es in der Tat Punkte von unendlicher Dichte geben sollte, wie es ihm seine eigenen Rechnungen vorhielten. Heute finden wir Schwarze Löcher in fast jeder "Ecke" des Kosmos...
Die Hypothese der Gravasterne ist noch sehr jung. Bislang sind nur (mathematische) Lösungen für statische, also nicht rotierende Objekte gefunden. Wo aber bleibt der Drehimpuls des kollabierten Sterns, denn jeder Stern rotiert? Auch die Natur des neuen Quantenkondensats ist völlig ungeklärt. Sollte es aber gelingen, ein Kondensat mit den geforderten Eigenschaften zu finden, könnten Gravasterne die "Endprodukte" der Hypernovae sein und damit vielleicht auch verantwortlich für die Gamma- Bursts.
So gibt es noch viele Fragen zu klären, bis die Theorie handfeste Voraussagen machen kann, mit denen dann die beobachtenden Astronomen auf die Suche gehen können. Eine interessante und elegante Alternative zu den Singularitäten Schwarzer Löcher wären Gravasterne jedoch allemal. Wie auch immer ihre wahre Natur beschaffen sein mag, die sie geschickt und vollkommen in ihrem Innern verbergen - Schwarze Löcher sind mit die faszinierendsten Gebilde im Universum!
Weitere Informationen:
http://www.wissenschaft-online.de/astrowissen/lexdt_g03.html#grava.
Wenn Sie möchten, können Sie hier das Original-Script von Mazur/Mottola als pdf- File (116 kB) herunterladen.
Stephen Hawking, Kip Thorne und John Preskill haben einmal gewettet, ob nun Informationen in einem Schwarzen Loch vernichtet werden oder nicht. Hawking und Thorne waren sich sicher, dass Schwarze Löcher die besten Informationsvernichter im Kosmos sind, während Preskill anderer Ansicht war.
Samir Mathur und Kollegen, Physiker der Ohio State University, haben auf Grundlage der String- Theorien einen umfangreichen Satz von Gleichungen gelöst und sind dabei zu dem Ergebnis gekommen, dass die Informationen doch erhalten bleiben können.
Nach der Stringtheorie ist unsere Welt ja aus allerkleinsten, schwingenden Fädchen aufgebaut, eben den Strings. Je nach Kombination dieser Strings, die wie die Saiten einer Gitarre gespannt sind, ergeben sich unsere bekannten Bauteilchen der Materie wie Elektronen, Protonen oder Neutronen. So wie auch eine lange Gitarrensaite leichter zu zupfen ist als eine kurze, sind auch lange Stringbündel dehnungsfähiger wie einzelne Strings. Wenn sich nun alle in eine Schwarzes Loch gefallenen Strings zu riesigen Bündeln zusammen lagern, ergibt sich ein sehr dehnfähiges Gebilde. Nach den Berechnungen von Matur dehnt es sich genau so weit aus, wie der Ereignishorizont des klassischen Schwarzen Lochs. Nun sollen die Informationen in einem Schwarzen Loch in Form solcher Strings gespeichert bleiben, die sich als ein wirres Bündel vom Kern bis zum Ereignishorizont erstrecken.
Sollte das zutreffen, wären Schwarze Löcher nicht länger glatte, zukunftslose Entitäten. Ihre neuen Gebilde nennen die Forscher Fuzzballs.
Fuzzballs, auch Stringsterne genannt, sind das Äquivalent der String Theorien zu Schwarzen Löchern, die bekanntlich Folgerungen der Allgemeinen Relativitätstheorie sind.
Ein weiterer prägnanter Unterschied ist das Fehlen einer Singularität. Während Schwarze Löcher den Ruf haben, alles bis zur völligen Unkenntlichkeit zu verzerren - gemeint sind damit Teilchen und Informationen, die in die Singularität gelangen, ist das bei den Fuzzballs anders. Die Informationen werden in Form von Schwingungen durch die Strings gespeichert und können mit der Hawking- Strahlung wieder nach außen gelangen. Und noch einen Vorteil hätten sie gegenüber den Schwarzen Löchern: sie vermeiden das Informationsparadoxon.
Ein Schwarzes Loch lässt sich theoretisch aus allem erzeugen: Massereiche Sterne, Planeten, Neutronen, Elektronen oder aus toten Hühnern. Es ist völlig egal was man nimmt, immer steht am Ende eine Singularität. Hier ist dann eine wie die andere, sie unterscheiden sich einzig durch ihre Masse. Alles, was man ins Loch wirft wird Teil der Singularität und damit bis zur völligen Unkenntlichkeit zerstört. Das aber widerspricht dem quantenmechanischen Gesetz der Reversibilität (Umkehrbarkeit). Jedes Endprodukt einen Prozesses muss demnach auf die Anfangskonditionen zurückzuführen sein. Bei den Singularitäten ist das aber wohl nicht der Fall, man kann aus diesem "Endprodukt" nicht wieder die Teilchen zurück gewinnen, aus denen es entstand. So stellen Fuzzballs eine ernstzunehmende Alternative zu den klassischen Schwarzen Löchern dar.
Problematisch ist jedoch der Nachweis. Selbst wenn man ein Schwarzes Loch und einen Fuzzball auf dem Labortisch hätte, könnte man sie kaum voneinander unterscheiden. Da wir beide sowieso nur dann "sehen" können, wenn sie von einer Akkretionsscheibe umgeben sind, ist es auch durch noch so sorgfältige Beobachtung nahezu aussichtslos, die eine von der anderen Erscheinungsform zu unterscheiden.
Weitere Informationen:
http://researchnews.osu.edu/archive/fuzzball.htm
Eine andere Alternative zu den Schwarzen Löchern stellen die so genannten Holosterne dar. Sie sind exakte kugelsymmetrische Lösungen der Feldgleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie mit einem anisotropen (isotrop = gleichmäßig verteilt) Innendruck. Sie gehen zurück auf den deutschen Physiker Michael Petri, der 2003 diese Lösung vorschlug (die Originalpapiere sind hier einzusehen:
http://arxiv.org/abs/gr-qc/0306066
http://arxiv.org/abs/gr-qc/0306068
und http://arxiv.org/abs/gr-qc/0306067 .
Von den Eigenschaften her entspricht der Holostern dem (statischen, elektrisch geladenen) Schwarzen Loch (Reissner-Nordström- Loch), jedoch fehlen wie bei den Gravasternen die Singularität und der Ereignishorizont. Der Aufbau des Holosterns ist dem Gravastern auch sehr ähnlich: an die Stelle des Ereignishorizontes tritt eine Membran, die praktisch masselos ist, eine Ausdehnung im Bereich der Plancklänge aufweist und in etwa beim Schwarzschildhorizont angesiedelt ist. Aus den Eigenschaften der Membran kann man direkt auf die Masse schließen. Das entspricht dem holografischen Prinzip, nach welchem eine höher dimensionale Information auf eine geringer dimensionale projiziert wird. Daher auch der Name des Gebildes.
Sehen wir uns das Innere des Holosterns an, so haben wir wiederum eine Übereinstimmung, und zwar mit den Fuzzballs. Zunächst aber befindet sich im Zentrum anstelle einer Singularität eine negative Punktmasse. Zwar hat diese nur eine Ausdehnung im Bereich der Plancklänge, widerspricht aber allen bisherigen physikalischen Erkenntnissen. Von ihr ausgehend erstrecken sich radial Strings in kompakt gebündelter Form bis zur äußeren Membran. Weil die Strings in dieser Konfiguration einen negativen Druck aufweisen sind sie in der Lage, den möglichen Kollaps des Gebildes zur Singularität zu verhindern. Neben dem großen Vorteil der Vermeidung einer Singularität bieten Holosterne einen weiteren: auch sie vernichten keine Informationen.
Man muss sich noch darüber im Klaren sein, dass weder Grava- noch Holosterne die Bezeichnung "Stern" wirklich verdienen. Zwar können sie das Endstadium eines massereichen Sterns darstellen, jedoch auch eine Materiemenge aufsammeln, die weit jenseits jeder Grenze liegt, die einen wirklichen Stern auszeichnet. Insofern sind diese Begriffe etwas unglücklich gewählt, haben sich dennoch allgemein etabliert.
Weitere Informationen:
http://www.wissenschaft-online.de/astrowissen/lexdt_h04.html#holo
Noch sind wir aber nicht ganz am Ende der vielleicht manchmal etwas exotisch anmutenden Modelle kompakter kosmischer Körper angelangt. Es müssen nämlich noch der Fermionen- und der Bosonenstern erwähnt werden.
Neben anderen so genannten Quantenzahlen unterscheiden sich Teilchen auch durch ihren Spin, eine Eigenschaft, die am verständlichsten als Eigendrehimpuls bezeichnet wird. Der Spin kann halb- und ganzzahlige Werte annehmen, also z.B. ½, 1, 1½ usw. und dabei positiv oder negativ sein. Teilchen mit ganzzahligem Spin bezeichnen wir nun als Bosonen, zu ihnen zählen die Photonen, das Higgs- Teilchen, W+, W- und Z0- Bosonen als Botenteilchen der schwachen Wechselwirkung sowie die Gluonen. Auch das noch nicht nachgewiesene Graviton ist ein Boson.
Fermionen dagegen weisen einen halbzahligen Spin auf und in dieser Familie finden wir neben den 6 Quarks auch die Leptonen wie das Elektron und die verschiednen Neutrinos. Zwischen Bosonen und Fermionen gibt es einen gravierenden Unterschied: Während die Fermionen dem Pauli- Prinzip unterliegen, sich also immer zumindest in einer Quantenzahl unterscheiden müssen, gilt das nicht für Bosonen. Letztere können dann auch aufgrund dieser Eigenschaft ein so genanntes Bose-Einstein-Kondensat bilden.
Astrophysiker verfolgen nun die Idee von Bosonen- und Fermionensternen, so sie denn existieren. Auch diese kompakten Gebilde würden einen Ausweg aus dem Dilemma der Singularitäten bieten. Sie wären in der Tat lediglich aus Bosonen wie den Higgs- Teilchen aufgebaut, oder im Falle der Fermionensterne beispielsweise aus Neutrinos oder Gravitinos. So reizvoll solche Modelle auch sein mögen, sind sie indes noch längst keine Konkurrenten zum klassischen Schwarzen Loch. Beide sind nicht imstande, die gesamte Skala vom stellaren Schwarzen Loch bis hin zum supermassereichen Loch mit 3 Milliarden Sonnenmassen im M 87 abzudecken. Auch sind sicherlich noch die Prozesse unklar, wie beim Kollaps eines Sterns aus ganz "normaler" Materie nur Higgs- Teilchen oder nur Neutrinos entstehen.
Weitere Informationen:
http://www.wissenschaft-online.de/astrowissen/lexdt_f02.html#fs
http://www.wissenschaft-online.de/astrowissen/lexdt_b05.html#bs
Seit 2010 liegt eine weitere Alternative vor zu den klassischen Schwarzen Löchern, die ja eine Schlussfolgerung der Allgemeinen Relativitätstheorie Einsteins sind. Ein Schwarzes Loch ist der vollständige Zusammenbruch der Materie am Lebensende eines massereichen Sterns, bis hin zu einem unendlich kleinen Punkt von unendlich hoher Dichte, der Singularität. Sie ist umgeben von einem Vakuum und das ganze Gebilde wird durch einen Ereignishorizont begrenzt, dem nichts entweichen kann. Das Manko der Einsteinschen Gravitationstheorie ist dabei, dass sie in der Quantenwelt keine Gültigkeit mehr hat. Niemand kann daher mit Gewissheit sagen, wie es im Innern eines Schwarzen Lochs aussieht - so lange jedenfalls nicht, bis der Wissenschaft eine brauchbare Theorie der Quantengravitation vorliegt.
Quanteneffekte aber könnten aber beim finalen Kollaps eines Sterns eine große Rolle spielen, ja, es ist sogar denkbar, dass sie imstande sind die Bildung einer Singularität und eines Ereignishorizontes zu verhindern. Somit entsteht anstelle des traditionellen Schwarzen Lochs ein festes Gebilde ohne Ereignishorizont, ein Schwarzer Stern. Das mag im ersten Augenblick vielleicht etwas unglaubwürdig klingen, haben wir uns doch schon so an die exotischen Eigenschaften der Schwarzen Löcher gewöhnt. Bedenken wir aber einmal, weshalb bei Weißen Zwergen oder Neutronensternen einer weitergehenden Kontraktion eine Grenze gesetzt ist. Hier kommt nämlich auch ein wichtiger Quanteneffekt zum Zuge, das Pauli- Verbot. Durch die Bildung so genannter entarteter Elektronen- bzw. Neutronengase werden genannte Sterne gestützt, ihr Entartungsdruck hebt gerade die nach innen gerichtete Gravitation auf.
Folgender Hintergrund führte die Wissenschaftler (Carlos Barcelo, Sebastiano Sonego, Stefano Liberati und Matt Visser) zur Idee der Schwarzen Sterne:
Wir alle kennen die Wirkung elektrischer Felder: Bringt man einen Gegenstand in ein solches Feld ein, so werden die Atome polarisiert, sie richten sich aus wie Eisenfeilspäne in einem Magnetfeld. So können auch die virtuellen Teilchenpaare des Vakuums durch elektrische Felder polarisiert werden. Die Rolle des elektrischen Feldes kann allerdings auch die gekrümmte Raumzeit übernehmen - die Gravitation. Dieser Quanteneffekt ist als Vakuumpolarisation bekannt. Normalerweise spielt die Vakuumpolarisation keine Rolle, der Effekt ist viel zu gering. Interessant wird es aber, wenn die Abmessung eines Sterns dem Gravitationsradius (= Schwarzschildradius) nahe kommt. Durch die Vakuumpolarisation wird nämlich ein Energiedefizit im Vakuum erzeugt, mit anderen Worten: Negative Energie! Diese wirkt aber gravitativ abstoßend.
Ist nun das Zentrum eines massereichen Sterns soweit angewachsen, dass ein Kollaps unausweichlich wird, eröffnen sich zwei Möglichkeiten:
- Innerhalb von Sekundenbruchteilen erfolgt die Implosion bis hin zur Singularität,
- Erfolgt der Kollaps langsam, könnte die Vakuumpolarisation schützend eingreifen. Es wird so viel negative Energie freigesetzt und damit gravitative Abstoßung, dass dem völligen Zusammenbruch Einhalt geboten wird.
Nachteilig an dieser Hypothese ist, dass die Autoren nur eine Lösung für einen nichtrotierenden Körper anbieten. Sterne rotieren aber. Auch wird nicht auf eine Massengrenze eingegangen, denn es ist anzunehmen, dass auch ein Schwarzer Stern nach Überschreiten einer Grenzmasse zu einem klassischen Schwarzen Loch kollabieren wird - die Gravitation würde vermutlich auch bei einem solchen Gebilde am Ende als Sieger hervorgehen.
Weitere Informationen:
http://www.spektrum.de/artikel/1017402
http://en.wikipedia.org/wiki/Black_star_%28semiclassical_gravity%29
Mögen so manchem von uns diese bislang hypothetischen Objekte berechtigterweise höchst exotisch vorkommen, so zeigen sie aber doch, wie intensiv sich die Wissenschaft mit dem Endstadium massereicher Sterne beschäftigt. Eine endgültige Bestätigung der tatsächlichen Existenz eines dieser Modelle liegt in ferner Zukunft, ist vermutlich sogar unmöglich. Nicht nur, weil wir ein Schwarzes Loch nicht einfach auf den Labortisch legen können, um es zu untersuchen. Selbst wenn wir zu einem reisen könnten - was sicher mehr als riskant wäre - würde es alle Informationen über sein Innenleben für immer vor uns verbergen. Erwarten wir in stiller Vorfreude also noch weitere, abstraktere Modelle über diese Sternendstadien...