Theoretische Physiker argumentieren, dass Schwarze Löcher Wirbelstrukturen zulassen

Schwarze Löcher sind astronomische Objekte mit extrem starker Anziehungskraft, denen nicht einmal Licht entkommen kann. Während die Idee von Körpern, die Licht einfangen würden, schon seit dem 18. Jahrhundert existiert, fand die erste direkte Beobachtung von Schwarzen Löchern im Jahr 2015 statt.

Seitdem haben Physiker unzählige theoretische und experimentelle Studien durchgeführt, um diese faszinierenden kosmologischen Objekte besser zu verstehen. Dies hatte zu vielen Entdeckungen und Theorien über die einzigartigen Merkmale, Eigenschaften und Dynamiken von Schwarzen Löchern geführt.

Forscher der Ludwig-Maximilians-Universität und des Max-Planck-Instituts für Physik haben kürzlich eine theoretische Studie durchgeführt, die die mögliche Existenz von Wirbeln in Schwarzen Löchern untersucht. Ihre Arbeit, veröffentlicht in Briefe zur körperlichen Überprüfungzeigt, dass Schwarze Löcher theoretisch in der Lage sein sollten, Wirbelstrukturen zuzulassen.

„Kürzlich wurde ein neues Quantensystem für Schwarze Löcher eingeführt, nämlich in Form von Bose-Einstein-Kondensaten von Gravitonen (den Gravitationsquanten selbst),“ sagte Florian Kühnel, einer der Forscher, der die Studie durchgeführt hat, gegenüber Phys. org. „Bis zur Veröffentlichung unseres Artikels wurden rotierende Schwarze Löcher in diesem Rahmen nicht gründlich untersucht. Sie könnten jedoch nicht nur existieren, sondern eher die Regel als die Ausnahme sein.“

Kühnel und seine Kollegen Gia Dvali und Michael Zantedeschi führten mehrere Berechnungen auf der Grundlage bestehender physikalischer Theorien durch, insbesondere des kürzlich entwickelten Quantenmodells von Schwarzen Löchern auf der Grundlage von Bose-Einstein-Gravitonkondensaten. Das Hauptziel ihrer Studie war es, rotierende Schwarze Löcher auf Quantenebene zu untersuchen, um festzustellen, ob sie tatsächlich Wirbelstrukturen zulassen würden.

„Seit rotierenden Bose-Einstein-Kondensaten intensiven Studien in Labors unterzogen wurden, ist bekannt, dass sie Wirbelstrukturen annehmen, wenn sie ausreichend schnell rotieren“, sagte Kühnel. „Wir haben das als Einladung verstanden, diese Strukturen auch in Modellen für rotierende Schwarze Löcher zu suchen – und tatsächlich gefunden.“

Kühnel und seine Kollegen zeigten, dass ein Schwarzes Loch mit extremem Spin als Graviton-Kondensat mit Vorticity beschrieben werden kann. Dies stimmt mit früheren Studien überein, die darauf hindeuten, dass extremale Schwarze Löcher gegenüber der sogenannten Hawking-Verdampfung (dh einer Schwarzkörperstrahlung, von der angenommen wird, dass sie außerhalb der äußersten Oberfläche oder des Ereignishorizonts eines Schwarzen Lochs freigesetzt wird) stabil sind.

Darüber hinaus zeigten die Forscher, dass der Gesamtwirbel des Schwarzen Lochs in Gegenwart mobiler Ladungen einen magnetischen Fluss des Messfelds einfängt, was zu charakteristischen Emissionen führen würde, die experimentell beobachtet werden könnten. Die theoretischen Vorhersagen des Teams könnten somit neue Möglichkeiten für die Beobachtung neuer Arten von Materie eröffnen, einschließlich dunkler Materie mit Milliladung.

„Vorticity ist eine völlig neue Eigenschaft von Schwarzen Löchern, die auf klassischer Ebene (also wenn man die Augen vor ihrer Quantenstruktur verschließt) vollständig durch drei Größen gekennzeichnet sind: Masse, Spin und Ladung“, sagt Kühnel. „Das haben wir aus Lehrbüchern gelernt – bis jetzt. Wir haben gezeigt, dass wir Vorticity hinzufügen müssen.“

Die vom Team theoretisierte Existenz von Wirbeln in Schwarzen Löchern bietet eine mögliche Erklärung für das Fehlen von Hawking-Strahlung für maximal rotierende Schwarze Löcher. In Zukunft könnte diese Theorie somit den Weg für neue experimentelle Beobachtungen und theoretische Schlussfolgerungen ebnen.

Zum Beispiel könnten Wirbelstrukturen von Schwarzen Löchern die extrem starken Magnetfelder erklären, die von aktiven galaktischen Kernen in unserem Universum ausgehen. Darüber hinaus könnten sie möglicherweise die Wurzel fast aller bekannten galaktischen Magnetfelder sein.

„Wir haben erst kürzlich das Wirbelfeld von Schwarzen Löchern etabliert“, fügte Kühnel hinzu. „Es gibt eine Fülle wichtiger und spannender Fragen zu beantworten, einschließlich der oben genannten Anwendungen. Darüber hinaus könnten zukünftige Gravitationswellenbeobachtungen von verschmelzenden Schwarzen Löchern, die jeweils einen Wirbel (von mehreren davon) enthalten, die Tür zu diesen neuen öffnen und spannende Quantenaspekte der Raumzeit.“

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