Das überraschende Verhalten von Schwarzen Löchern in einem expandierenden Universum

Ein Physiker, der Schwarze Löcher untersucht, hat herausgefunden, dass in einem expandierenden Universum Einsteins Gleichungen erfordern, dass die Expansionsrate des Universums am Ereignishorizont jedes Schwarzen Lochs konstant sein muss, also für alle Schwarzen Löcher gleich. Das wiederum bedeutet, dass die einzige Energie am Ereignishorizont die Dunkle Energie ist, die sogenannte kosmologische Konstante. Die Studie ist veröffentlicht auf der arXiv Preprint-Server.

„Ansonsten“, sagt Nikodem Popławski, ein angesehener Dozent an der Universität von New Haven, „müssten der Druck der Materie und die Krümmung der Raumzeit an einem Horizont unendlich groß sein, aber das ist unphysikalisch.“

Schwarze Löcher sind ein faszinierendes Thema, weil sie zu den einfachsten Dingen im Universum gehören: Ihre einzigen Eigenschaften sind Masse, elektrische Ladung und Drehimpuls (Spin). Doch ihre Einfachheit führt zu einer fantastischen Eigenschaft – sie haben einen Ereignishorizont in kritischer Entfernung vom Schwarzen Loch, eine nicht-physikalische Oberfläche darum, die im einfachsten Fall kugelförmig ist. Alles, was sich näher am Schwarzen Loch befindet, also innerhalb des Ereignishorizonts, kann dem Schwarzen Loch niemals entkommen.

Schwarze Löcher wurden 1916 von Karl Schwarzschild vorhergesagt, als er als deutscher Soldat an der russischen Front diente und an der schmerzhaften Autoimmun-Hautkrankheit litt Pemphigus.

Mithilfe von Einsteins Gleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie nahm er ein massives, nicht rotierendes, vollkommen rundes Objekt in einem ansonsten leeren und unveränderlichen Universum an und entdeckte den Ereignishorizont. Der Radius des Ereignishorizonts ist proportional zur Masse eines Schwarzen Lochs. Innerhalb des Horizonts kann nicht einmal Licht, das schnellste Objekt im Universum, dem Loch entkommen.

Schwarzschild entdeckte außerdem im Zentrum des Schwarzen Lochs eine scheinbare Singularität, einen Ort unendlicher Dichte, an dem Einsteins Gravitationsgesetze offenbar zusammenbrechen.

Astronomen haben inzwischen herausgefunden, dass die meisten Galaxien in ihrem Zentrum ein supermassives Schwarzes Loch zu haben scheinen; in der Milchstraße ist es Sagittarius A*, mit einer Masse, die über vier Millionen Mal so groß ist wie die der Sonne. Ein Schwarzes Loch wurde direkt abgebildet erst im Jahr 2019, ein schwarzer Fleck mit einem Lichthof darum, gelegen im Zentrum der Galaxie Messier 87, 55 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt.

Popławski ging über Schwarzschild hinaus und nahm ein massereiches, zentralsymmetrisches Objekt in einem expandierenden Universum an. In diesem Fall wurde die Lösung von Einsteins Gleichungen für die Struktur der Raumzeit um die Masse erstmals 1933 vom britischen Mathematiker und Kosmologen George McVittie gefunden.

McVittie fand heraus, dass die Raumzeit in der Nähe der Masse der von Schwarzschild ähnelt, mit einem Ereignishorizont, aber weit weg von der Masse dehnt sich das Universum aus wie unser heutiges Universum. Der Hubble-Parameter, auch als Hubble-Konstantegibt die Expansionsrate des Universums an.

Popławski verwendete McVitties Lösung, um herauszufinden, dass die Expansionsrate des Weltraums am Ereignishorizont eine Konstante sein muss, die nur mit der kosmologischen Konstante zusammenhängt (die als Energiedichte des Vakuums der Raumzeit interpretiert werden kann). Heute kennen wir diese als Dichte der dunklen Energie. Das heißt, die einzige Energie am Horizont ist dunkle Energie. Die Konsequenz, sagte er, ist, dass sich verschiedene Teile des Universums mit unterschiedlichen Raten ausdehnen.

Tatsächlich wurde etwas Ähnliches mit dem sogenannten „Hubble-Spannung,“ eine statistisch signifikante Diskrepanz zwischen zwei verschiedenen gemessenen Werten des Hubble-Parameters, je nachdem ob Messungen des „späten Universums“ verwendet werden oder Techniken des „frühen Universums“, die auf Messungen der kosmischen Mikrowellenhintergrundstrahlung basieren. In seiner Arbeit sagte Popławski, diese Diskrepanz sei „eine natürliche Folge einer korrekten Analyse der Raumzeit eines Schwarzen Lochs in einem expandierenden Universum im Rahmen von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie.“

Darüber hinaus zeigen seine Gleichungen, dass eine Konsequenz der unterschiedlichen Expansionsgeschwindigkeit des Universums darin besteht, dass die kosmologische Konstante – und damit der Wert der dunklen Energie – positiv sein muss. Andernfalls, ohne diese Konstante, sagte Popławski, „wäre ein geschlossenes Universum oszillierend und könnte keine kosmischen Hohlräume erzeugen.“

„Es ist die einfachste Erklärung für die beobachtete aktuelle Beschleunigung des Universums.“

Bei einem Stern beispielsweise dehnt sich das Universum auch an seiner Oberflächengrenze aus, der Körper selbst dehnt sich jedoch nicht aus, da er gravitativ und elektromagnetisch gebunden ist.

Ein Ereignishorizont ist jedoch ein mathematisch abstraktes Ding, nichts, das aus Materie oder Energie besteht, sondern einfach aus Raumpunkten. Eine konstante Expansionsrate des Raums ist daher nicht überraschend. Der Ereignishorizont selbst (und damit ein Schwarzes Loch) dehnt sich nicht aus; Raumpunkte außerhalb des Horizonts bewegen sich von ihm weg.

Echte Schwarze Löcher rotieren, aber wenn die Rotation typischerweise langsam ist, sollten Popławskis Schlussfolgerungen in guter Näherung auch auf sie zutreffen. Allerdings ist es derzeit unmöglich, den Hubble-Parameter an einem Ereignishorizont zu messen, es sei denn, es werden neue Techniken entwickelt.

Ein Beobachter am Ereignishorizont könnte dort prinzipiell den Hubble-Parameter messen, wäre jedoch für immer unfähig, seinen Wert dem Rest des Universums mitzuteilen, da er hinter den Ereignishorizont fällt und es unmöglich ist, Informationen über ihn zurückzusenden.

Dies knüpft laut Popławski an eine Hypothese an Er veröffentlichte im Jahr 2010: dass jedes Schwarze Loch eigentlich ein Wurmloch ist (ein Einstein-Rosen-Brücke) zu einem neuen Universum auf der anderen Seite seines Ereignishorizonts.

„Der Ereignishorizont ist ein Tor von einem Universum zum anderen“, sagte er. „Dieses Tor wird mit der Ausdehnung des Universums nicht größer … Wenn dies für den Ereignishorizont des Schwarzen Lochs gilt, das ein Universum bildet, sollte es auch für die Ereignishorizonte anderer Schwarzer Löcher in diesem Universum gelten.“

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