Extremale Schwarze Löcher: Neue Theorie stellt Hawking infrage

• Das Universum wird oft durch die Untersuchung seiner Extremfälle verstanden. Schwarze Löcher sind die rätselhaften Extreme des Kosmos. Extremale Schwarze Löcher haben maximale Ladung oder Spin und außergewöhnliche Eigenschaften. Extreme Schwarze Löcher dienen als nützliche Modelle zur Erforschung der Gesetze der Physik. Neue Beweise zeigen, dass extremale Schwarze Löcher nach bekannten physikalischen Gesetzen möglich sind.
• Extremale Schwarze Löcher besitzen maximale Ladung oder Spin entsprechend ihrer Masse. Oberflächengravitation am Ereignishorizont eines extremalen Schwarzen Lochs ist null. Prominente Physiker behaupteten 1973, dass extremale Schwarze Löcher in der realen Welt nicht existieren können. Extremale Schwarze Löcher haben Symmetrien, die theoretische Berechnungen erleichtern.
• Neue Forschung widerlegt Hawking und Kollegen, dass extremale Schwarze Löcher nicht existieren können. Der Beweis zeigt, dass nichts in bekannten Gesetzen die Bildung solcher Löcher verhindert. Die Existenz extremaler Schwarzer Löcher könnte das Verständnis des Universums erweitern. Eine mathematische Lösung bedeutet nicht automatisch physikalische Existenz.
• 1973 wurden vier Gesetze über das Verhalten von Schwarzen Löchern vorgeschlagen. Die ersten drei Gesetze der Thermodynamik Schwarzer Löcher wurden bewiesen. Das dritte Gesetz besagt, dass die Oberflächengravitation in endlicher Zeit nicht null kann. Extremale Schwarze Löcher wurden als theoretisch unmöglich angesehen. Nackte Singularitäten ohne Ereignishorizont gelten als nicht existent.
• Extremale Schwarze Löcher wurden zufällig durch Studien zu geladenen Schwarzen Löchern entdeckt. Neue Beweise widerlegen das dritte Gesetz von Bardeen, Carter und Hawking. Durch Modellieren eines Skalarfeldes wurden extremale Schwarze Löcher aufgeladen. Impulse aus dem Feld erhöhten die Ladung schneller als die Masse. Weitere Beweise werden überprüft, um die neuen Theorien zu bestätigen.

Um das Universum zu verstehen, blicken Wissenschaftler oft auf seine Randfälle. „Man will immer die Extremfälle kennen – die besonderen Fälle, die am Rand liegen“, sagte ein mathematischer Physiker an der University of Southampton. Schwarze Löcher sind die rätselhaften Extreme des Kosmos. In ihnen wird Materie so dicht gepackt, dass nach Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie nichts entkommen kann. Seit Jahrzehnten nutzen Physiker und Mathematiker sie, um die Grenzen ihrer Ideen über Gravitation, Raum und Zeit zu erforschen. Aber selbst Schwarze Löcher haben Randfälle – und diese Fälle bieten eigene Erkenntnisse.

Extremale Schwarze Löcher

Schwarze Löcher rotieren im Raum. Wenn Materie in sie hineinfällt, beginnen sie schneller zu rotieren; wenn diese Materie eine elektrische Ladung besitzt, werden sie auch elektrisch geladen. Theoretisch kann ein Schwarzes Loch einen Punkt erreichen, an dem es so viel Ladung oder Spin wie möglich hat, gegeben seine Masse. Ein solches Schwarzes Loch nennt man “extremal” – das Extrem der Extreme. Diese Schwarzen Löcher haben einige bizarre Eigenschaften. Insbesondere die sogenannte Oberflächengravitation am Rand, oder Ereignishorizont, eines solchen Schwarzen Lochs ist null. „Es ist ein Schwarzes Loch, dessen Oberfläche keine Dinge mehr anzieht“, sagte ein Wissenschaftler. Aber wenn man ein Teilchen leicht in Richtung des Zentrums des Schwarzen Lochs stößt, könnte es nicht entkommen.

1973 behaupteten die prominenten Physiker Stephen Hawking, James Bardeen und Brandon Carter, dass extremale Schwarze Löcher in der realen Welt nicht existieren können – dass es einfach keine plausible Art gibt, wie sie sich bilden können. Trotzdem dienten extremale Schwarze Löcher in den letzten 50 Jahren als nützliche Modelle in der theoretischen Physik. „Sie haben schöne Symmetrien, die es einfacher machen, Dinge zu berechnen“, sagte ein Wissenschaftler der University of Rhode Island, und dies ermöglicht es Physikern, Theorien über die mysteriöse Beziehung zwischen Quantenmechanik und Gravitation zu testen.

Beweis gegen bestehende Theorien

Jetzt haben zwei Mathematiker Hawking und seine Kollegen widerlegt. Die neue Arbeit, durchgeführt von Forschern des Massachusetts Institute of Technology und der Stanford University und der University of California, Berkeley, zeigt, dass es nichts in unseren bekannten physikalischen Gesetzen gibt, das die Bildung eines extremalen Schwarzen Lochs verhindert. Ihr mathematischer Beweis ist „schön, technisch innovativ und physikalisch überraschend“, sagte ein Mathematiker der Princeton University. Es deutet auf ein potenziell reicheres und vielfältigeres Universum hin, in dem extremale Schwarze Löcher astrophysikalisch existieren könnten, fügte er hinzu.

Das bedeutet jedoch nicht, dass sie es sind. „Nur weil eine mathematische Lösung existiert, die schöne Eigenschaften hat, bedeutet das nicht unbedingt, dass die Natur sie nutzen wird“, sagte ein Wissenschaftler. „Aber wenn wir irgendwie eines finden, würde uns das wirklich zum Nachdenken bringen, was wir übersehen.“

Das Gesetz der Unmöglichkeit

Vor dem Beweis der neuen Theorie von Kehle und Unger gab es guten Grund zu glauben, dass extremale Schwarze Löcher nicht existieren können. 1973 führten Bardeen, Carter und Hawking vier Gesetze über das Verhalten von Schwarzen Löchern ein. Sie ähnelten den vier altbekannten Gesetzen der Thermodynamik – einem Satz unantastbarer Prinzipien, die beispielsweise besagen, dass sich das Universum im Laufe der Zeit mehr in Unordnung begibt und dass Energie weder erzeugt noch vernichtet werden kann.

In ihrer Arbeit bewiesen die Physiker ihre ersten drei Gesetze der Thermodynamik Schwarzer Löcher: das nullte, erste und zweite. Daraus schlussfolgerten sie, dass das dritte Gesetz (wie sein Gegenstück in der Standardthermodynamik) ebenfalls wahr sein sollte, obwohl sie es noch nicht beweisen konnten. Dieses Gesetz besagte, dass die Oberflächengravitation eines Schwarzen Lochs nicht in endlicher Zeit auf null sinken kann – mit anderen Worten, dass es keinen Weg gibt, ein extremales Schwarzes Loch zu schaffen.

Um ihre Behauptung zu stützen, argumentierte das Trio, dass jeder Prozess, der es einem Schwarzen Loch ermöglichen würde, die extremale Grenze zu erreichen, potenziell auch dazu führen könnte, dass sein Ereignishorizont ganz verschwindet. Es wird allgemein angenommen, dass Schwarze Löcher ohne Ereignishorizont, sogenannte nackte Singularitäten, nicht existieren können.

Der Tod des dritten Gesetzes

Kehle und Unger entdeckten extremale Schwarze Löcher eher zufällig. Sie waren dabei, die Bildung elektrisch geladener Schwarzer Löcher zu studieren und fanden heraus, dass sie ein Schwarzes Loch für alle Ladungs-Masse-Verhältnisse schaffen konnten.

Dafermos erkannte, dass seine ehemaligen Studenten ein Gegenbeispiel zum dritten Gesetz von Bardeen, Carter und Hawking gefunden hatten: Sie hatten gezeigt, dass sie tatsächlich innerhalb einer endlichen Zeitspanne ein typisches Schwarzes Loch in ein extremales umwandeln konnten. Kehle und Unger starteten mit einem Schwarzes Loch ohne Rotation und ohne Ladung und modellierten, was passieren könnte, wenn es in ein vereinfachtes Umfeld namens Skalarfeld gesetzt würde, das eine Hintergrundladung von gleichmäßig verteilten Teilchen annimmt. Sie beschossen das Schwarze Loch mit Impulsen aus dem Feld, um es aufzuladen.

Diese Impulse fügten dem Schwarzen Loch auch elektromagnetische Energie hinzu, was seine Masse erhöhte. Durch das Senden diffuser, niederfrequenter Impulse erkannten die Mathematiker, dass sie die Ladung des Schwarzen Lochs schneller als seine Masse erhöhen konnten – genau das, was sie für ihren Beweis brauchten.

Die beiden Mathematiker überarbeiten derzeit weitere Beweise, um die Theorien zu festigen.