Eine neue Art von Schwarzen Löchern: behaart und umgeben von Ringen aus Elementarteilchen ⚫

Von Romain Gervalle, assoziierter Forscher in Gravitationstheorien, Universität Tours & Mikhail Volkov, Professor für Physik, Universität Tours

In unserer Studie, die am 21. Oktober 2024 in der Zeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht wurde, sagen wir die Existenz einer neuen Art von Schwarzen Löchern voraus, die von Ringen umgeben sind, die in ihrer Form denen des Saturn ähneln, aber aus Elementarteilchen bestehen.


Die Allgemeine Relativitätstheorie Einsteins sagt die Existenz von Schwarzen Löchern voraus: Regionen in der Raumzeit, in denen die Gravitation so stark ist, dass nichts, nicht einmal Licht, entkommen kann. Ihre hypothetische Existenz wurde 1916 formuliert, als die mathematischen Lösungen der Gleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie, die Schwarze Löcher beschreiben, gefunden wurden.

Ihre tatsächliche Existenz wurde jedoch von Wissenschaftlern fast ein Jahrhundert lang diskutiert. 1965 zeigten die theoretischen Arbeiten des britischen Mathematikers Roger Penrose, dass Schwarze Löcher unweigerlich durch den Gravitationskollaps von Sternen entstehen, und es dauerte bis in die 90er Jahre, bis astronomische Beobachtungen, die von den beiden amerikanischen Astrophysikern Reinhard Genzel und Andrea Ghez durchgeführt wurden, enthüllten, was wie ein gigantisches Schwarzes Loch im Zentrum unserer Galaxie aussieht. Diese Entdeckung brachte ihnen sowie Roger Penrose den Nobelpreis für Physik im Jahr 2020 ein.

Heute können wir dank der Beobachtungen der internationalen Zusammenarbeit Event Horizon Telescope den Schatten des Schwarzen Lochs im Zentrum der Milchstraße erkennen.

Die Existenz von Schwarzen Löchern im Universum ist somit zweifelsfrei belegt, aber die Entdeckungen hören hier nicht auf. Wir sagen heute die Existenz einer neuen Art von Schwarzen Löchern voraus, die durch das Standardmodell der fundamentalen Kräfte nahegelegt wird.

Die Entstehung von Schwarzen Löchern

Es ist heute allgemein anerkannt, dass Schwarze Löcher in unserem Universum allgegenwärtig sind. Im Allgemeinen unterscheidet man zwei Szenarien, die ihre Entstehung erklären.

Zunächst gibt es die stellaren Schwarzen Löcher, die durch den Gravitationskollaps gewöhnlicher Sterne am Ende ihres Lebens entstehen, d.h. wenn sie sich unter ihrem eigenen Gewicht zusammenziehen, nachdem sie ihren gesamten Brennstoff verbraucht haben. Ihre Masse variiert typischerweise von 2-3 Sonnenmassen bis zu Dutzenden – oder sogar Hunderten – von Sonnenmassen. Nach ihrer Entstehung können diese stellaren Schwarzen Löcher wachsen, indem sie umgebende Materie absorbieren. Sie können auch miteinander verschmelzen, wobei eine erhebliche Menge an Gravitationswellen freigesetzt wird, deren erste Detektion mit dem Nobelpreis für Physik im Jahr 2017 ausgezeichnet wurde.

Es ist auch möglich, dass sich einige Schwarze Löcher, sogenannte primordiale Schwarze Löcher, durch den Kollaps von Ur-Materie in der ersten Sekunde nach dem Urknall gebildet haben. Die Masse dieser primordialen Schwarzen Löcher kann gigantisch sein, bis zu Milliarden von Sonnenmassen für die supermassereichen Schwarzen Löcher in den Zentren der meisten Galaxien.

Sie kann aber auch klein sein, in der Größenordnung von Planeten oder Asteroiden, konzentriert in einem Radius von weniger als einem Zentimeter! Es ist daher möglich, dass das Universum von diesen winzigen primordialen Schwarzen Löchern übersät ist, deren zukünftige Entdeckung eine große Herausforderung für die beobachtende Astrophysik darstellt. Noch leichtere primordiale Schwarze Löcher hätten sich laut dem Hawking-Prozess sehr schnell verdampfen sollen und hätten bis heute nicht überleben können.

Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass einige der kleinen primordialen Schwarzen Löcher, die heute noch existieren, eine neue Eigenschaft haben könnten: sie könnten "behaart" sein.

Schwarze Löcher "haben keine Haare"

Stellare Schwarze Löcher behalten keine Erinnerung an den Stern, der zu ihrer Entstehung kollabiert ist, außer seiner Masse, seiner elektrischen (oder magnetischen) Ladung und seiner Rotationsgeschwindigkeit. Alle anderen Merkmale ihres Ausgangszustands (z.B. die chemische Zusammensetzung des Sterns) gehen während des Kollapses vollständig verloren, und alle Schwarzen Löcher mit derselben Masse, derselben Ladung und derselben Rotationsgeschwindigkeit sind absolut identisch.

Der amerikanische Physiker John Wheeler veranschaulichte diese Eigenschaft mit einem berühmten Satz: "Schwarze Löcher haben keine Haare", wobei mit "Haaren" jeder andere Parameter als Masse, Ladung und Rotationsgeschwindigkeit gemeint ist.

Diese Eigenschaft der stellaren Schwarzen Löcher wird durch die Eindeutigkeitssätze bestätigt, während sie für primordiale Schwarze Löcher als Vermutung postuliert wurde, die teilweise durch eine Reihe von "Kahlheitssätzen" bestätigt wurde.

Und doch... die Anfänge behaarter Schwarzer Löcher

Unter den vier fundamentalen Kräften der Natur gibt es zwei, die Gravitation und der Elektromagnetismus, die auf makroskopischer Ebene wirken und die Struktur der "kahlen" stellaren Schwarzen Löcher erklären. Die beiden anderen Kräfte, die schwache und die starke Kraft, wirken nur auf mikroskopischer Ebene, innerhalb der Atome. Können diese beiden fundamentalen Kräfte die Struktur von Schwarzen Löchern beeinflussen?

Die physikalischen Theorien, die diese Kräfte beschreiben, sind ziemlich kompliziert zu untersuchen, und aus diesem Grund haben sich Physiker zunächst auf vereinfachte theoretische Modelle konzentriert. Dank dieser vereinfachten Modelle wurden die sogenannten behaarten Schwarzen Löcher entdeckt, d.h. Schwarze Löcher, die von einer Hülle aus Materie umgeben sind, die intrinsisch mit ihnen verbunden ist und die daher durch zusätzliche Parameter (neben Masse, Ladung und Rotationsgeschwindigkeit) charakterisiert werden, die es ermöglichen, sie voneinander zu unterscheiden.

Seit ihrer ersten Entdeckung im Jahr 1989 haben theoretische Physiker viele Beispiele für behaarte Schwarze Löcher gefunden, aber immer im Rahmen vereinfachter oder extrem spekulativer Theorien. Solche Schwarzen Löcher existieren auf dem Papier als Lösungen mathematischer Gleichungen, aber es gibt keine Hinweise darauf, dass sie tatsächlich in unserem Universum existieren.

Schwarze Löcher mit "elektroschwachen Haaren"

In unserer Studie haben wir die Vereinigung von drei exakten, nicht vereinfachten und experimentell bestätigten Theorien betrachtet, die drei der vier fundamentalen Kräfte vereinen: die Gravitation, den Elektromagnetismus und die schwache Kernkraft (die beiden letzteren bilden zusammen die elektroschwache Kraft).

Die Lösungen, die wir durch die Lösung der Gleichungen dieser kombinierten Theorien erhalten haben, beschreiben magnetisch geladene Schwarze Löcher, die von einem "Haar" in Form von Ringen umgeben sind.

Diese Ringe bestehen aus Elementarteilchen (genauer gesagt, W-, Z- und Higgs-Bosonen) in Form eines Bose-Einstein-Kondensats – einem besonderen Materiezustand, der unter bestimmten Bedingungen auftritt. Im Labor wurde dies für kalte Atome beobachtet, die mit Lasern eingefangen wurden (was den Entdeckern den Nobelpreis im Jahr 2001 einbrachte).

In unserem Fall erzeugt das intensive Magnetfeld des geladenen Schwarzen Lochs das elektroschwache Kondensat, und da dieses ebenfalls magnetisch geladen ist, wird es vom Schwarzen Loch durch die magnetische Kraft abgestoßen und fällt daher nicht hinein. Es wird jedoch auch nicht weiter hinausgeschleudert, da es durch die Gravitationskraft zum Schwarzen Loch hingezogen wird. Es bleibt also außerhalb des Schwarzen Lochs gefangen.

Unsere Schwarzen Löcher mit Ringen, eine neue Art, können makroskopische Größen von etwa einem Zentimeter haben, während die Elementarteilchen, aus denen ihre Ringe bestehen, normalerweise auf der Ebene des winzig Kleinen erscheinen.

Da diese Schwarzen Löcher durch experimentell bestätigte Theorien beschrieben werden, deutet dies stark darauf hin, dass sie nicht nur als mathematische Lösungen existieren, sondern auch als reale Objekte im Universum.

Könnte man diese Schwarzen Löcher entdecken?

Es ist klar, dass sich diese behaarten Schwarzen Löcher heute nicht bilden könnten. Die Bedingungen für ihre Entstehung könnten jedoch in den ersten Momenten des Universums, im extrem dichten und fluktuierenden Ur-Plasma, vorgelegen haben. Es würde sich also um primordiale Schwarze Löcher handeln.

Es ist wichtig zu beachten, dass diese Schwarzen Löcher stabil sind, da die Anwesenheit der Ringe die Masse des Schwarzen Lochs verringert, so dass es energetisch ungünstig wäre, sie loszuwerden. Sie könnten daher bis heute überlebt haben und Teil der dunklen Materie sein, einer Substanz, deren genaue Natur bis heute unbekannt ist und die nur durch ihre gravitative Wirkung nachgewiesen wird.

Diese behaarten Schwarzen Löcher könnten durch ihre Wechselwirkung mit rotierenden Neutronensternen (Pulsaren) entdeckt werden, denn wenn sie von einem solchen Stern absorbiert werden (was passieren kann, da sie viel kleiner und leichter sind), dann existiert der Stern weiter mit dem Schwarzen Loch im Inneren, aber dies muss abrupt seine Rotationsperiode ändern, was nachweisbar sein könnte.