Der Kern eines Schwarzen Lochs könnte ein seltsamer „Planck-Stern“ sein

Ja, Schwarze Löcher sind seltsam, aber könnte in ihrem Kern tatsächlich etwas anderes als eine Singularität sein?

Schwarzes Loch im Universum
Schwarzes Loch im Universum – Abstrakt

Es gibt eine Menge interessanter Theorien über Schwarze Löcher und was in ihnen passiert. Die Vorstellung, dass, sobald Materie in den Ereignishorizont um die Singularität eintritt, nichts, nicht einmal Photonen selbst, entkommen kann, ist eine Idee.

Traditionell haben wir gedacht, dass innerhalb von Schwarzen Löchern alle Materie, die das Schwarze Loch verbraucht, zu einem winzigen, unendlich dichten Punkt komprimiert wird – einer Singularität. Da die Krümmung der Raumzeit innerhalb dieses unendlich dichten Punktes ebenfalls unendlich wird, können wir nicht wissen, was im Inneren einer Singularität passiert. Einige Erklärungsansätze für das, was passiert, scheinen sogar einigen universellen Gesetzen zu widersprechen.

In der Tat, wenn wir versuchen, eine Singularität zu modellieren, neigt die Mathematik dazu, zusammenzubrechen, was zu einigen wilden Ergebnissen führen kann. Doch obwohl es so aussehen mag, als ob Schwarze Löcher nicht existieren könnten (ich meine, es ist irgendwie unlogisch, dass Materie zu einem unendlich kleinen Punkt kollabieren kann), sind sie mathematisch mit bestimmten theoretischen Modellen des Universums kompatibel.

Viele Physiker haben im Laufe der Jahre verschiedene Theorien aufgestellt, die mit der Idee argumentieren, dass die Mathematik konsistent ist, oder dass eine Singularität überhaupt existieren könnte. Eine solche Theorie ersetzt eine Singularität durch etwas jenseits von seltsam – bekannt als Planck-Stern (oder manchmal genannt ein dunkler Stern).

Was ist die Planck-Länge?

Um einen Planck-Stern zu verstehen, müssen wir zunächst etwas verstehen, das Planck-Länge genannt wird. Die Planck-Länge ist, vereinfacht gesagt, die kleinstmögliche Maßeinheit. Wie klein ist sie? Nun, sie ist ungefähr gleich 1,6 x 10-35 m, mit anderen Worten, sie ist etwa 10-20 mal so groß wie ein Proton (oder etwa eine Billion mal kleiner als ein Proton – eines der kleinsten Teilchen, die es gibt). Es ist also sehr, sehr klein.

Da diese Zahlen schwer zu fassen sind, vergleichen wir sie mit etwas, das wir mit unseren eigenen Augen wahrnehmen können – zum Beispiel mit einer einzelnen Haarsträhne. Diese Haarsträhne ist in ihrer Größe eher mit dem beobachtbaren Universum vergleichbar als mit einer einzelnen Plancklänge.

Der Forscher Joe Wolfe von der University of New South Wales erklärt weiter: „Um Ihnen eine Vorstellung davon zu geben, lassen Sie uns das mit der Größe eines Atoms vergleichen, das bereits etwa 100.000 Mal kleiner ist als alles, was Sie mit bloßem Auge sehen können [die Größe eines Atoms beträgt etwa 0,0000000001 Meter]. Nehmen wir an, Sie würden den Durchmesser eines Atoms in Planck-Längen messen und pro Sekunde eine Planck-Länge abzählen. Um einfach zu versuchen, den Atomdurchmesser in Planck-Längen zu messen, bräuchten Sie das 10.000.000-fache des derzeitigen Alters des Universums.“

Was ist ein Planck-Stern?

Planck Stern
Planck-Sterne und Schwarze Löcher hängen unmittelbar miteinander zusammen

In einer Theorie wird ein Planck-Stern als ein kompakter, exotischer Stern beschrieben, der innerhalb des Ereignishorizonts eines Schwarzen Lochs existiert und entsteht, wenn die Energiedichte eines kollabierenden Sterns die Planck-Dichte erreicht. Die Planck-Dichte ist die Planck-Masse (von der man annimmt, dass sie das kleinstmögliche Schwarze Loch ist) geteilt durch das Planck-Volumen (das ist eine Planck-Länge hoch drei, 4,22 x 10-105 Kubikmeter), oder ungefähr 5,1 x 1096 g/cm3.

In einem Planck-Stern ist die Materie auf den kleinstmöglichen Maßstab – die Planck-Länge – komprimiert. Würde ein Schwarzes Loch in seinem Kern einen Planck-Stern beherbergen, wäre die Materie nicht unendlich komprimiert, sondern hätte tatsächlich ein verschwindend geringes Volumen – die knifflige Singularität entfällt also.

Da ein Planck-Stern keine Singularität ist, würde ein Schwarzes Loch, das einen Planck-Stern enthält, keinen Ereignishorizont haben, da die Gravitationskraft die Lichtgeschwindigkeit nicht überschreiten würde. Für außenstehende Beobachter wäre die Anziehungskraft aber dennoch so stark, dass sie wie ein Ereignishorizont aussehen und wirken würde. Wie können wir also feststellen, ob sich ein Planck-Stern im Zentrum des Schwarzen Lochs befindet oder nicht?

Das Informationsparadoxon des Schwarzen Lochs

Der berühmte Physiker Stephen Hawking hat eine Lösung für dieses Rätsel gefunden. Er schlug vor, dass Wärmestrahlung spontan aus Schwarzen Löchern austritt – und behauptete damit die Existenz von etwas, das Hawking-Strahlung genannt wird.

Hawking schlug vor, dass Paare von subatomaren Teilchen mit negativer und positiver Energie in der Nähe des Ereignishorizonts auf natürliche Weise entstehen und dass das positive Teilchen aus der Nähe des Schwarzen Lochs entweicht und dabei ein Quant der Hawking-Strahlung aussendet. Gleichzeitig verschwinden die Teilchen mit negativer Energie in das Schwarze Loch – und reduzieren so dessen Masse, bis es in einem letzten Strahlungsausbruch vollständig verschwindet.

Vereinfacht ausgedrückt ist die Hawking-Strahlung die Art und Weise, wie Schwarze Löcher schließlich und langsam verdampfen und die verlorenen Teilchen am Ende ihrer langen, langen Lebensdauer (die auf etwa 14 Milliarden Jahre geschätzt wird) wieder ausstrahlen.

Es stellt sich heraus, dass Hawking Recht gehabt haben könnte. In Papieren , die letztes Jahr veröffentlicht wurden , haben Physiker enthüllt, dass sie kurz davor sind, das Informationsparadoxon des Schwarzen Lochs zu verstehen, das sich mit diesem angeblichen Informationsverlust befasst und letztlich zu unserem Planck-Stern zurückführt.

Hawkings Theorie führt zu dem Schluss, dass ein Schwarzes Loch in einer endlichen Zeit in ferner Zukunft vollständig verdampfen wird. In diesem Fall wird es nur eine endliche Menge an Information aussenden, die in dieser Hawking-Strahlung kodiert ist. Wenn wir annehmen, dass zu diesem Zeitpunkt bereits mehr als die Hälfte der Information ausgesendet wurde, dann muss jedes ausgesendete Teilchen mit der gesamten Hawking-Strahlung verschränkt sein, die das Schwarze Loch zuvor ausgesendet hat. Dies erzeugt ein Paradoxon, denn ein Prinzip namens „Monogamie der Verschränkung“ verlangt, dass das ausgehende Teilchen nicht gleichzeitig mit zwei unabhängigen Systemen vollständig verschränkt sein kann.

Forscher glauben nun, den Code endlich geknackt und bewiesen zu haben, dass, wenn Sie in ein schwarzes Loch stürzen, Sie zwar spaghettiert und völlig zerrissen werden, aber die Atome, aus denen Sie einst bestanden, und die in diesen Atomen enthaltene Information schließlich in den Weltraum zurückkehren werden. Damit ist Schluss mit den Verstößen gegen die sogenannte Unitaritätstheorie, in der die Quantenphysik besagt, dass die Informationen aus der Gegenwart und der Vergangenheit des Universums zu jeder Zeit erhalten bleiben müssen.

Laut Quantum Magazine „dachten Physiker, sie hätten das Paradoxon 2004 mit dem Begriff der Komplementarität des Schwarzen Lochs gelöst. Diesem Vorschlag zufolge werden Informationen, die den Ereignishorizont eines Schwarzen Lochs durchqueren, sowohl zurück reflektiert als auch ins Innere weitergeleitet, ohne jemals zu entkommen. Da kein einzelner Beobachter jemals sowohl innerhalb als auch außerhalb des Horizonts des Schwarzen Lochs sein kann, kann niemand beide Situationen gleichzeitig beobachten, und es entsteht kein Widerspruch.“

Das Firewall-Paradoxon:

Im Jahr 2012 bekam das Firewall-Paradoxon eine Neuinterpretation. Die Firewall ist ein hypothetisches Phänomen, bei dem ein Beobachter, der in ein Schwarzes Loch fällt, am Ereignishorizont auf hochenergetische Quanten trifft.

Was genau passiert, wenn ein Schwarzes Loch subatomare Teilchen verzehrt, oder wie Informationen in Form von Quanten aus einem Schwarzen Loch entweichen könnten, konnte kein Physiker näher erläutern. Das traditionelle Verständnis der Physik hat immer gesagt, dass alle Materie, die von einem Schwarzen Loch konsumiert wird, sofort für außenstehende Beobachter verloren wäre, sobald sie in den Ereignishorizont und die Singularität gesaugt wird. Ein Astronom namens Joseph Polchinkski und einige seiner Mitarbeiter vermuteten jedoch, dass die Verschränkung zwischen dem einfallenden Teilchen und dem ausfallenden Teilchen irgendwie sofort gebrochen wird. Dadurch würden große Mengen an Energie freigesetzt, die eine „Firewall“ am Ereignishorizont des Schwarzen Lochs bilden und uns daran hindern, die Informationen zu beobachten.

Andere Physiker haben vorgeschlagen, dass die aus- und einfallenden Teilchen irgendwie durch Wurmlöcher verbunden sind. Eine andere Idee, die von Stringtheoretikern vertreten wird, stellt sich Schwarze Löcher als „Fuzzballs“ vor, ohne Singularität und ohne Ereignishorizont. Stattdessen ist die gesamte Region innerhalb des Ereignishorizonts ein verworrenes Knäuel aus Strings – jenen fundamentalen Energieeinheiten, die nach der Stringtheorie auf verschiedene komplizierte Weise schwingen und so die Raumzeit und alle darin enthaltenen Kräfte und Teilchen entstehen lassen. Anstelle eines Ereignishorizonts hat ein Fuzzball eine „unscharfe“ Oberfläche, die eher der eines Sterns oder eines Planeten ähnelt.

Samir Mathur, ein Stringtheoretiker an der Ohio State University, glaubt, dass Fuzzballs die wahre Quantenbeschreibung eines Schwarzen Lochs sind und hat sich zu einem lautstarken Verfechter seiner eigenen, selbst bezeichneten „Fuzzball-Vermutung“ entwickelt, die das Konzept erweitert.

Diese sogenannten Fuzzballs würden eine Lösung für die Diskrepanz zwischen klassischer und Quantenmechanik bieten, zumindest was unsere Sicht auf Schwarze Löcher angeht. Allerdings bringt diese Theorie ihre eigenen Probleme mit sich – nämlich, dass wir uns die Struktur der Schwarzen Löcher selbst neu vorstellen müssten, indem wir den Ereignishorizont und die Singularität durch etwas völlig Neues ersetzen.

Unabhängig davon, ob die traditionelle Sichtweise von Schwarzen Löchern richtig oder falsch ist, oder irgendetwas dazwischen, gibt es noch viel Arbeit, die getan werden muss, um ihre Existenz mit der modernen Physik in Einklang zu bringen. Ein Planck-Stern könnte der Beginn eines neuen Verständnisses sein, oder auch nicht….. nur die Zeit wird es zeigen.

Sind Sie noch verwirrt? Eine schnelle Zusammenfassung

Sie fragen sich vielleicht, wie Planck-Sterne in die Paradoxien passen, die wir hier betrachtet haben. Lassen Sie uns alles miteinander verbinden und helfen, die Definition von Planck-Sternen zu vereinfachen.

Planck-Sterne sind theoretische Objekte, bei denen ein massereicher Stern zusammenbricht und das, was typischerweise zu einer Singularität werden würde – wo die Dichte der Raumzeit unendlich ist , was bedeutet, dass nichts entkommen kann – stattdessen zu einem Planck-Stern wird , wo der Kollaps durch eine Form der Abstoßung gestoppt wird, die durch die Energiedichte entsteht, die sich aus der Heisenbergschen Unschärferelation , ergibt, bevor das Objekt einen unendlich dichten Punkt erreicht. Das Ergebnis ist ein Objekt, das nicht viel größer ist als die Planck-Länge ,, die zufällig die kleinste Einheit der Messung ist.

Da dies eine unausweichliche Singularität durch etwas extrem Kleines, aber nicht unendlich Dichtes ersetzt (größer als die Planck-Skala, aber nicht um viele Größenordnungen), würde dies die Auflösung einer Vielzahl von Paradoxien rund um die Art und Weise ermöglichen, wie Materie und Energie in und um Schwarze Löcher funktionieren – allerdings nicht, ohne dabei einige neue Fragen zu stellen.

Die größte Verschiebung ist, dass die Existenz eines Planck-Sterns im Zentrum eines Schwarzen Lochs das Informationsparadoxon vollständig aufheben würde, da es in einem Planck-Stern genug Volumen und Dichte gibt, um sicherzustellen, dass Informationen über die Materie und die Quantenzustände der Materie, die von einem Schwarzen Loch verschlungen werden, nicht zerstört werden – wodurch auch ein Widerspruch zwischen der Theorie des Schwarzen Lochs und der Allgemeinen Relativitätstheorie beseitigt wird. Wenn Sie verwirrt sind, was mit Information gemeint ist, versuchen Sie es so zu formulieren: Wo befinden Sie sich gerade, sind Sie in Bewegung, in welchem (Quanten-)Zustand befinden Sie sich, usw.? Das alles sind Informationen.

Interessanterweise geht man davon aus, dass der Planck-Stern im Zentrum eines Schwarzen Lochs weiter wachsen würde, wenn mehr Materie hineinfällt. Schließlich würde der Planck-Stern so viel Materie und Information verbrauchen, dass er sich mit dem Ereignishorizont überschneidet – was dazu führt, dass all diese Informationen blitzartig ausgestoßen werden .

Der Planck-Stern räumt auch mit dem Firewall-Paradoxon auf, denn es gibt einige interessante Implikationen dafür, wie das Universum hüpfen und knirschen könnte, aber diese werden in den nächsten Tagen Gegenstand eines neuen Artikels sein.

Insgesamt sind Planck-Sterne interessante, aber komplizierte Ideen über die mögliche Funktionsweise von Schwarzen Löchern. Ich überlasse es den Astronomen zu entscheiden, ob sie einen brauchbaren Ersatz für das Singularitätstheorem darstellen oder nicht.