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FORSCHUNG/409: Nackte Singularitäten (Spektrum der Wissenschaft)


Spektrum der Wissenschaft 12/09 - Dezember 2009

Nackte Singularitäten

Von Pankaj S. Joshi


Ein Schwarzes Loch - singulärer Endpunkt eines massereichen Sterns - wird nach gängiger Meinung umhüllt vom Ereignishorizont, der die Grenze herkömmlicher Physik markiert. Aber muss das so sein?



In Kürze

Wenn der Strahlungsdruck eines großen Sterns erlahmt, kollabiert er zu einem Schwarzen Loch. Zu diesem Schicksal gibt es nach herrschender Auffassung keine Alternative.
Doch theoretische Überlegungen zeigen eine andere Möglichkeit: Der Stern endet als nackte Singularität (siehe die Beschreibung rechts).
Die Entdeckung nackter Singularitäten würde die Suche nach einer einheitlichen Theorie der Physik voranbringen: Konsequenzen dieser neuen Physik wären durch astronomische Beobachtungen überprüfbar.

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Die moderne Naturwissenschaft hat viele höchst ungewohnte Ideen hervorgebracht, aber kaum eine ist so seltsam wie das Schicksal eines massereichen Sterns. Nachdem er im Lauf von Millionen Jahren seinen Brennstoff verbraucht hat, vermag er seiner eigenen Schwere nicht mehr zu widerstehen und beginnt zu kollabieren. Auch bescheidene Sterne wie die Sonne brechen schließlich zusammen, stabilisieren sich aber als kleinere Gebilde. Hingegen überwindet bei einem genügend massereichen Himmelskörper seine Gravitation alle Kräfte, die den Kollaps aufhalten könnten. Ein Millionen Kilometer großes Objekt schrumpft praktisch auf einen Punkt zusammen.

Die meisten Physiker und Astronomen glauben, das Resultat sei ein Schwarzes Loch - ein Körper, dessen ungeheure Schwerkraft alles in seiner unmittelbaren Nachbarschaft verschlingt. Dieses Monstrum besteht aus zwei Teilen. In seinem Zentrum liegt eine Singularität - der unendlich kleine Punkt, in dem sich die gesamte Materie des Sterns zusammenballt. Die Singularität ist von einem Gebiet umgeben, dessen Rand Ereignishorizont heißt und aus dem es kein Entkommen gibt. Sobald etwas in diese Zone eindringt, verschwindet es auf Nimmerwiedersehen. Falls das hineinstürzende Objekt Licht aussendet, wird auch dies von der Singularität eingefangen; ein äußerer Beobachter sieht es niemals wieder.

Aber ist dieses Bild wirklich wahr? Aus den bekannten physikalischen Gesetzen geht klar hervor, dass eine Singularität entsteht, aber über den Ereignishorizont sind die Aussagen verschwommen. Den meisten Physikern kommt der Horizont als wissenschaftliches Feigenblatt sehr gelegen, denn sie müssen erst herausfinden, was bei einer Singularität genau vor sich geht: Materie wird zermalmt, aber was wird dann aus ihr? Indem der Ereignishorizont die Singularität versteckt, kaschiert er diese Wissenslücke; an der Singularität können alle möglichen unbekannten Prozesse auftreten, ohne die Außenwelt zu beeinflussen. Wenn Astronomen die Bahnen von Planeten und Sternen berechnen, dürfen sie die durch Singularitäten verursachte Ungewissheit einfach ignorieren und sich auf die üblichen Gesetze der Physik verlassen. Was auch immer in einem Schwarzen Loch geschehen mag - es bleibt drin.

Doch neue Forschungen ziehen diese Arbeitshypothese zunehmend in Zweifel. In vielen Kollapsszenarien bildet sich kein Ereignishorizont, und die Singularität bleibt sichtbar oder, wie Physiker sagen, nackt. Sowohl Materie als auch Strahlung können hineinfallen und wieder herauskommen. Während der Besuch der Singularität in einem Schwarzen Loch eine Reise ohne Wiederkehr wäre, könnte man sich im Prinzip einer nackten Singularität beliebig weit nähern und zurückkehren, um davon zu berichten.

Falls nackte Singularitäten existierten, wären die Folgen enorm; sie würden fast jeden Aspekt der Astro- und Grundlagenphysik berühren. Wenn es keine Horizonte gibt, können mysteriöse Vorgänge in der Nähe der Singularitäten die Außenwelt beeinflussen. Vielleicht erklären nackte Singularitäten gewisse rätselhafte astronomische Phänomene bei hohen Energien, und vielleicht bieten sie die Möglichkeit, das Gewebe der Raumzeit bei kleinsten Größenordnungen zu erforschen.


Kosmische Zensur

Der Ereignishorizont gilt als der einfache Teil eines Schwarzen Lochs. Wirklich rätselhaft ist die Singularität. Dort wird die Schwerkraft unendlich stark, und die bekannten physikalischen Gesetze brechen zusammen. Nach Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie entsteht beim Kollaps eines riesigen Sterns unweigerlich eine Singularität. Allerdings berücksichtigt die Relativitätstheorie nicht die für mikroskopische Objekte wichtigen Quanteneffekte, die vermutlich verhindern, dass die Gravitation tatsächlich ins Unendliche wächst. Doch Physiker basteln weiter angestrengt an einer Quantentheorie der Gravitation, mit der sie Singularitäten erklären könnten.

Was mit der eng benachbarten Raumzeitregion geschieht, erscheint vergleichsweise einfach. Der Ereignishorizont eines Sterns ist viele Kilometer groß und übersteigt damit bei Weitem die Größenordnung typischer Quanteneffekte. Wenn wir annehmen, dass keine neuen Naturkräfte ins Spiel kommen, sollte der Horizont ausschließlich der allgemeinen Relativitätstheorie gehorchen - einer Theorie, die auf wohl bekannten Prinzipien beruht und seit 90 Jahren durch Beobachtungen bestätigt wird.

Dennoch bleibt die Anwendung der Theorie auf kollabierende Sterne eine komplizierte Aufgabe. Einsteins Gravitationsgleichungen sind für ihre Schwierigkeit berüchtigt, und um sie zu lösen, müssen die Physiker vereinfachende Annahmen machen. Einen ersten Versuch unternahmen die amerikanischen Physiker J. Robert Oppenheimer und Hartland S. Snyder - sowie unabhängig von ihnen der indische Physiker B. Datt - Ende der 1930er Jahre. Um die Gleichungen zu vereinfachen, betrachteten sie nur perfekt kugelförmige Sterne homogener Dichte und ignorierten den Gasdruck. Wenn diese idealisierten Sterne zusammenbrechen, wächst die Schwerkraft an der Oberfläche und wird schließlich so stark, dass sie jegliche Strahlung und Materie einfängt und somit einen Ereignishorizont bildet. Der Stern wird für äußere Beobachter unsichtbar und kollabiert kurz darauf zu einer Singularität.

Echte Sterne sind natürlich komplizierter. Ihre Dichte ist inhomogen, das Gas in ihnen übt Druck aus, und sie können andere Formen annehmen. Verwandelt sich jeder genügend massereiche Stern beim Kollaps in ein Schwarzes Loch? Im Jahr 1969 beantwortete der Mathematiker und Physiker Roger Penrose von der University of Oxford die Frage mit Ja. Er mutmaßte, die Entstehung einer Singularität beim Sternkollaps führe notwendigerweise zur Bildung eines Ereignishorizonts. Die Natur verbietet uns demnach, jemals eine Singularität zu sehen, weil sie stets ein Horizont umhüllt. Diese Vermutung - die so genannte Hypothese der kosmischen Zensur - liegt der modernen Theorie Schwarzer Löcher zu Grunde. Die Physiker hofften, sie könnten diese These mit derselben mathematischen Strenge beweisen wie die Unvermeidlichkeit von Singularitäten.

Das ist nicht gelungen. Statt einen direkten Beweis für die Zensur zu finden, der unter allen Umständen gilt, mussten wir mühsam einzelne Fälle analysieren und unsere theoretischen Modelle allmählich mit Eigenschaften ausstatten, die den ersten Versuchen gefehlt hatten. 1973 berücksichtigte der deutsche Physiker Hans Jürgen Seifert die Inhomogenität. Interessanterweise fand er, dass Schichten einstürzender Materie vorübergehend Singularitäten bilden konnten, die nicht von einem Horizont bedeckt waren. Doch dieser Singularitätstyp war ziemlich gutartig. Zwar wurde die Dichte an einem Ort unendlich, aber die Schwerkraft nicht; darum ballte die Singularität Materie und einfallende Objekte nicht zu einem unendlich kleinen Punkt zusammen. Somit brach die allgemeine Relativitätstheorie nie zusammen, und die Materie durchwanderte diesen Ort, ohne ihr Ende zu finden.

Im Jahr 1979 gingen Douglas M. Eardley von der University of California in Santa Barbara und Larry Smarr von der University of Illinois in Urbana-Champaign einen Schritt weiter. Sie simulierten numerisch einen Stern mit einem realistischen Dichteprofil: am höchsten in der Mitte und langsam abnehmend zur Oberfläche hin. 1984 gelang Demetrios Christodoulou vom Schweizer Bundesinstitut für Technologie eine exakte Berechnung derselben Situation. Beiden Studien zufolge schrumpft der Stern auf einen Punkt und bildet eine nackte Singularität. Doch das Modell ignorierte noch immer den Druck, bis Richard P. A. C. Newman an der University of York (England) zeigte, dass die Singularität wiederum »schwach« ist, das heißt keine unendliche Schwerkraft aufweist.


Realistische Kollapsszenarien

Durch diese Befunde angeregt, versuchten nun viele Forscher, darunter auch ich, ein strenges Theorem zu formulieren: Nackte Singularitäten sind immer schwach. Wir hatten keinen Erfolg. Der Grund wurde bald klar: Nackte Singularitäten müssen nicht schwach sein. Wir fanden Szenarien für inhomogenen Kollaps, die zu Singularitäten mit starker Schwerkraft führen - das heißt zu echten Singularitäten, die Materie völlig zermalmen - und dennoch für externe Bobachter sichtbar bleiben. 1993 bestätigten Indresh Dwivedi, damals an der Agra University (Indien), und ich diese Aussage, indem wir den Sternkollaps ohne Gasdruck genau analysierten.

Anfang der 1990er Jahre berücksichtigten Physiker die Wirkung des Gasdrucks. Amos Ori vom Technion-Israel Institute of Technology und Tsvi Piran von der Hebrew University of Jerusalem führten numerische Simulationen durch, und mein Team löste die entsprechenden Gleichungen exakt. Sterne mit einem völlig realistischen Zusammenhang zwischen Dichte und Druck konnten zu nackten Singularitäten kollabieren.

Ungefähr zur selben Zeit betrachteten Giulio Magli von der Polytechnischen Universität Mailand (Italien) und Kenichi Nakao von der Osaka City University (Japan) den speziellen Druck, den Teilchen erzeugen, die in einem kollabierenden Stern rotieren. Auch sie fanden, dass der Kollaps in vielen unterschiedlichen Situationen mit einer nackten Singularität endet.

Diese Arbeiten gingen von perfekt sphärischen Sternen aus; das ist eine weniger starke Einschränkung, als es scheinen mag, denn die meisten Sterne sind fast vollkommene Kugeln. Da sie außerdem bessere Voraussetzungen für die Horizontbildung bieten als andere Formen, werden die Aussichten für kosmische Zensur fragwürdig, wenn diese sogar für Kugeln versagt. Dennoch ist auch der nichtsphärische Kollaps erforscht worden. 1991 haben Stuart L. Shapiro von der University of Illinois und Saul A. Teukolsky von der Cornell University in Ithaca (New York) numerische Simulationen präsentiert, bei denen längliche Sterne zu einer nackten Singularität kollabierten. Ein paar Jahre später untersuchten Andrzej Królak von der Polnischen Akademie der Wissenschaften und ich den nichtsphärischen Kollaps und fanden ebenfalls nackte Singularitäten. Wohlgemerkt: Beide Studien ignorierten den Gasdruck.

Skeptiker haben eingewandt, diese Situationen seien unnatürlich. Würde eine leichte Veränderung der Anfangsbedingungen plötzlich einen die Singularität bedeckenden Ereignishorizont hervorrufen? Dann wäre die nackte Singularität wohl ein Artefakt der in den Rechnungen benutzten Näherungen und käme in der Natur nicht vor. Einige Szenarien mit ungewöhnlichen Materieformen sind in der Tat sehr heikel. Doch wie unsere Resultate bisher zeigen, sind die meisten nackten Singularitäten stabil gegenüber kleinen Variationen der Anfangsbedingungen. Somit scheinen diese Situationen mehr zu sein als bloße Gedankenspiele.


Wie überlistet man den Zensor?

Die Gegenbeispiele zur Hypothese von Penrose lassen vermuten, dass die kosmische Zensur keine allgemeine Regel ist. Die Physiker können nicht sagen »Jeder massereiche Stern kollabiert nur zu einem Schwarzen Loch« oder »Jeder physikalisch realistische Kollaps endet mit einem Schwarzen Loch«. Manche Szenarien führen zu einem Schwarzen Loch und andere zu einer nackten Singularität. In einigen Modellen ist die Singularität nur zeitweilig sichtbar und wird schließlich von einem Ereignishorizont verhüllt. In anderen Fällen bleibt die Singularität für immer sichtbar. Typischerweise entwickelt sich die nackte Singularität im geometrischen Mittelpunkt des Kollapsvorgangs, aber das muss nicht immer so sein, und sie kann sich in andere Regionen ausbreiten. Außerdem tritt die Nacktheit abgestuft auf: Ein Ereignishorizont verbirgt die Singularität vielleicht nur vor weit entfernten Beobachtern, während jemand, der durch den Ereignishorizont gefallen ist, die Singularität sehen könnte, bevor er sie trifft. Die Vielfalt der Ergebnisse ist verwirrend.

Meine Kollegen und ich haben verschiedene Eigenschaften dieser Szenarien herausgearbeitet, die entscheiden, ob ein Ereignishorizont entsteht oder nicht. Insbesondere untersuchen wir die Rolle der Inhomogenitäten und des Gasdrucks. Gemäß Einsteins Theorie ist die Gravitation ein komplexes Phänomen, das nicht nur eine Anziehungskraft umfasst, sondern auch Schereffekte, bei denen verschiedene Materialschichten seitlich in entgegengesetzte Richtungen verschoben werden. Ist die Dichte eines kollabierenden Sterns groß - so groß, dass er eigentlich Licht einfangen sollte -, aber obendrein auch inhomogen, dann können die Schereffekte Fluchtwege erzeugen. Beispielsweise kann die Scherung von Material in der Nähe einer Singularität kräftige Stoßwellen auslösen, die Licht und Materie emittieren - im Grund ein gewaltiger Gravitationswirbel, der die Bildung eines Ereignishorizonts verhindert.

Betrachten wir zunächst einen homogenen Stern und vernachlässigen den Gasdruck. Der Druck ändert nur Details, nicht den Verlauf der Ereignisse im Großen und Ganzen. Beim Kollaps nimmt die Schwerkraft zu und krümmt die Bahn bewegter Objekte immer stärker. Auch Lichtstrahlen werden gebeugt, und zwar irgendwann so sehr, dass sich das Licht nicht mehr aus dem Bannkreis des Sterns zu befreien vermag. Das Gebiet, dem das Licht nicht entkommt, ist anfangs klein, wächst aber und erreicht schließlich eine stabile Größe, die proportional zur Masse des Sterns ist. Unterdessen ballt sich der gesamte Stern gleichmäßig zu einem Punkt zusammen, weil seine Dichte räumlich gleichförmig ist und nur zeitlich variiert. Da der Lichteinfang schon einige Zeit vor diesem Moment auftritt, bleibt die Singularität verborgen. Nun betrachten wir dieselbe Situation, wobei aber jetzt die Dichte mit dem Abstand vom Zentrum abnimmt. Der Stern ähnelt praktisch einer Zwiebel aus konzentrischen Materieschalen. Die Stärke der Schwerkraft, die auf eine bestimmte Schale wirkt, hängt von der mittleren Dichte der innerhalb dieser Schale liegenden Materie ab. Da die dichteren inneren Schalen eine stärkere Gravitationsanziehung erfahren, kollabieren sie schneller als die äußeren. Der ganze Stern bricht nicht simultan zu einer Singularität zusammen, sondern zuerst kollabieren die innersten Schalen, dann kommen die äußeren Schalen eine nach der anderen hinzu.

Diese Verzögerung kann die Entstehung eines Ereignishorizonts aufschieben. Falls er sich überhaupt bildet, dann in den dichten inneren Schalen. Doch wenn die Dichte mit dem Abstand allzu rasch abnimmt, enthalten diese Schalen vielleicht nicht genug Masse, um Licht einzufangen. Die Singularität wird bei ihrer Entstehung nackt sein. Darum gibt es eine Schwelle: Wenn das Ausmaß der Inhomogenität so klein ist, dass es unter einer kritischen Grenze bleibt, wird sich ein Schwarzes Loch bilden; bei genügend großer Inhomogenität entsteht eine nackte Singularität. In anderen Szenarien ist entscheidend, wie schnell der Kollaps vor sich geht. Der Effekt tritt besonders deutlich bei Modellen zu Tage, in denen das stellare Gas sich vollständig in Strahlung verwandelt hat und der Stern praktisch zu einem gigantischen Feuerball wird; dieses Szenario hat der indische Physiker P. C. Vaidya schon in den 1940er Jahren betrachtet, als er einen strahlenden Stern modellierte. Wiederum gibt es eine Schwelle: Langsam kollabierende Feuerbälle werden zu Schwarzen Löchern, doch wenn ein Feuerball schnell genug zusammenbricht, wird das Licht nicht eingefangen, und die Singularität ist nackt.


Grüner Schleim und verlorene Socken

Die Physiker haben lange gebraucht, um solche Möglichkeiten zu akzeptieren, denn nackte Singularitäten werfen eine Reihe begrifflicher Rätsel auf. Häufig heißt es, damit würde die Natur an sich unvorhersehbar. Da die allgemeine Relativitätstheorie an den Singularitäten scheitert, vermag sie nicht vorherzusagen, was sie anstellen. John Earman von der University of Pittsburgh hat das drastisch so ausgedrückt: Auch grüner Schleim und verlorene Socken könnten dort auftauchen. Es handelt sich um magische Orte, an denen die Wissenschaft versagt.

Solange die Singularitäten in Ereignishorizonten versteckt bleiben, gerät diese Spontaneität nicht außer Rand und Band; die Relativitätstheorie behält - zumindest außerhalb des Horizonts - ihre volle Gültigkeit. Doch wenn Singularitäten nackt sein können, steckt ihre Hemmungslosigkeit das übrige Universum an. Zum Beispiel müssten Physiker, wenn sie die allgemeine Relativitätstheorie auf die Bahn der Erde um die Sonne anwenden wollen, praktisch die Möglichkeit einräumen, dass eine Singularität irgendwo im Weltall einen zufälligen Gravitationspuls aussendet und unseren Planeten weit aus der Umlaufbahn katapultiert.

Diese Sorge ist aber unbegründet. Unvorhersagbarkeit ist in der allgemeinen Relativitätstheorie eigentlich nichts Besonderes; sie hängt durchaus nicht immer direkt mit einer Verletzung der Zensur zusammen. Die Theorie lässt Zeitreisen zu, die Kausalschleifen mit unvorhersehbaren Folgen erzeugen, und sogar gewöhnliche Schwarze Löcher können verrücktspielen. Wenn wir beispielsweise eine elektrische Ladung in ein ungeladenes Schwarzes Loch werfen, verändert sich die Form der Raumzeit um das Loch radikal und lässt sich nicht mehr vorhersagen. Ähnliches gilt, wenn das Schwarze Loch rotiert: Die Raumzeit scheidet sich nicht länger säuberlich in Raum und Zeit, und die Physiker können nicht angeben, wie das Schwarze Loch sich von irgendeinem anfänglichen Zeitpunkt aus in die Zukunft entwickelt. Nur ein lupenreines Schwarzes Loch, ohne die geringste Ladung oder Rotation, benimmt sich ganz vorhersehbar.

Der Verlust der Vorhersagbarkeit und andere Probleme mit Schwarzen Löchern werden grundsätzlich durch das Auftreten von Singularitäten verursacht; ob sie verborgen sind oder nicht, spielt keine Rolle. Für die Lösung dieser Probleme brauchen wir wohl eine Quantentheorie der Gravitation, die über die allgemeine Relativitätstheorie hinausgeht und eine vollständige Erklärung der Singularitäten liefert. Innerhalb dieser künftigen Theorie müsste jede Singularität eine zwar hohe, aber endliche Dichte haben. Eine nackte Singularität wäre ein »Quantenstern« - ein hyperdichtes Objekt, das den Regeln der Quantengravitation gehorcht. Das vermeintlich Zufällige bekäme eine logische Erklärung.

Eine andere Möglichkeit ist, dass Singularitäten wirklich unendliche Dichte haben; dann lassen sie sich nicht durch Quantengravitation wegerklären, sondern müssen so akzeptiert werden, wie sie sind. Das Versagen der allgemeinen Relativitätstheorie an einem solchen Ort ist vielleicht kein Mangel der Theorie an sich, sondern ein Zeichen, dass Raum und Zeit einen Rand haben. Die Singularität markiert die Stelle, an der die physikalische Welt endet. Wir sollten sie uns nicht als ein Objekt vorstellen, sondern als ein Ereignis - einen Moment, in dem die kollabierende Materie den Rand erreicht und zu sein aufhört, wie ein Urknall im Rückwärtsgang.

In so einem Fall haben Fragen wie »Was kommt aus einer nackten Singularität heraus?« keinen rechten Sinn. Es gibt nichts, woraus etwas kommen kann, denn die Singularität ist nur ein Moment in der Zeit. Was wir aus der Ferne sehen, ist nicht die Singularität selbst, sondern Prozesse in den extremen Materiezuständen, die in der Nähe dieses Ereignisses herrschen - zum Beispiel Stoßwellen, die durch Inhomogenitäten in dem ultradichten Medium verursacht werden, oder Quantengravitationseffekte in dessen Nachbarschaft.

Außer der Unvorhersagbarkeit stört viele Physiker ein zweites Problem. Nachdem sie provisorisch annahmen, dass die Zensurhypothese gilt, haben sie in den vergangenen Jahrzehnten verschiedene Gesetze formuliert, denen Schwarze Löcher gehorchen sollen, und diese Gesetze haben den Anschein tiefer Wahrheiten. Doch die Gesetze bergen enorme Paradoxien. Zum Beispiel besagen sie, dass ein Schwarzes Loch Information verschlingt und zerstört - und das widerspricht anscheinend den Grundprinzipien der Quantentheorie (siehe »Das Informationsparadoxon bei Schwarzen Löchern« von Leonard Susskind, Spektrum der Wissenschaft 6/1997, S. 58). An dem Paradoxon und anderen Zwickmühlen trägt der Ereignishorizont Schuld. Wenn er verschwindet, lösen sich wohl auch die Probleme auf. Falls der Stern beispielsweise den größten Teil seiner Masse im Endstadium des Zusammenbruchs abstrahlen könnte, würde er keine Information zerstören und keine Singularität hinterlassen. In diesem Fall wäre eine Quantentheorie der Gravitation nicht nötig, um Singularitäten zu erklären; die allgemeine Relativitätstheorie würde es allein schaffen.


Ein Labor für die Quantengravitation

Statt nackte Singularitäten als Problem zu betrachten, sollten die Physiker sie als Chance begreifen. Ein Endstadium massereicher Sterne, das externen Beobachtern zugänglich bleibt, erlaubt Einblicke in Quantengravitationseffekte. Halb fertige Gedankengebäude wie Stringtheorie oder Schleifen-Quantengravitation haben jede Art von Beobachtung bitter nötig; sonst ersticken sie geradezu am Übermaß theoretischer Möglichkeiten. Meist suchen die Forscher solche Hinweise im frühen Universum, denn damals herrschten derart extreme Bedingungen, dass Quantengravitationseffekte dominierten. Doch der Urknall war ein einmaliges Ereignis. An nackten Singularitäten könnten Astronomen, wenn ein massereicher Stern sein Ende findet, das Äquivalent eines Urknalls studieren.

Um zu erforschen, wie eine nackte Singularität den Einblick in sonst unbeobachtbare Phänomene ermöglicht, simulierten wir kürzlich den Kollaps eines Sterns mit Hilfe der Schleifen-Quantengravitation. Gemäß dieser Theorie besteht der Raum aus winzigen Atomen, die sich nur bemerkbar machen, wenn die Materie genügend dicht wird; dann entsteht eine extrem starke Abstoßung, die verhindert, dass die Dichte jemals unendlich wird (siehe »Der Ur-Sprung des Alls« von Martin Bojowald, Spektrum der Wissenschaft 5/2009, S. 26). In unserem Modell treibt eine solche abstoßende Kraft den Stern auseinander und löst die Singularität auf. Fast ein Viertel der Sternmasse wird im letzten Bruchteil einer tausendstel Sekunde ausgestoßen. Kurz vorher würde einem fernen Beobachter ein plötzlicher Abfall in der Intensität der vom kollabierenden Stern emittierten Strahlung auffallen - ein direktes Resultat von Quantengravitationseffekten.

Die Explosion entfesselt hochenergetische Gammastrahlen sowie kosmische Strahlen und Neutrinos. Bevorstehende Experimente werden vielleicht empfindlich genug sein, um solche Emissionen zu registrieren - insbesondere das Extreme Universe Space Observatory, das 2013 an Bord der Internationalen Raumstation ISS den Betrieb aufnehmen soll. Die Details der Beobachtungen könnten die Entscheidung zwischen verschiedenen Theorien der Quantengravitation erleichtern.

Sowohl ein Beweis als auch eine Widerlegung der kosmischen Zensur würde die Physik verändern, denn nackte Singularitäten berühren grundlegende Aspekte gängiger Theorien. Schon heute geht aus theoretischen Arbeiten hervor, dass die Zensur nicht, wie oft unterstellt, ohne Wenn und Aber gilt. Singularitäten sind nur verhüllt, wenn passende Bedingungen herrschen. Offen bleibt, ob diese Bedingungen in der Natur jemals entstehen konnten. Jedenfalls ist die nackte Singularität kein physikalisches Schreckgespenst, sondern ein faszinierendes Objekt künftiger Forschung.


Pankaj S. Joshi ist Physikprofessor am Tata Institute of Fundamental Research in Mumbai (Indien). Seine Spezialgebiete sind Gravitation und Kosmologie.


Literatur:

Earman, J.: Bangs, Crunches, Whimpers, and Shrieks: Singularities and Acausalities in Relativistic Spacetime. Oxford University Press, 1995.

Goswami, R. et al.: Quantum Evaporation of a Naked Singularity. In: Physical Review Letters 96(3), Paper Nr. 031302, 2006.

Joshi, P. S.: Gravitational Collapse and Spacetime Singularities. Cambridge University Press, 2007.

Shapiro, S. L., Teukolsky, S. A.: Black Holes, Naked Singularities and Cosmic Censorship. In: American Scientist 79(4), S. 330 - 343, 1991.

Thorne, K. S.: Gekrümmter Raum und verbogene Zeit. Einsteins Vermächtnis. Droemer Knaur, München 1994.

Weblinks zu diesem Thema finden Sie unter www.spektrum.de/artikel/1010642.


ZUSATZINFORMATIONEN:

Zusatzinformation 1:
Nackt oder verhüllt?

Der finale Kollaps eines massereichen Sterns kann zu einem Schwarzen Loch, aber auch zu einer nackten Singularität führen. In beiden Fällen entsteht eine Singularität - eine derart dichte Zusammenballung von Materie, dass dort neue physikalische Gesetze gelten.
Alles, was die Singularität trifft, wird zerstört.

In einem Schwarzen Loch ist die Singularität »verhüllt« vom so genannten Ereignishorizont. Was durch diese Grenze fällt, kommt niemals wieder heraus.

Eine nackte Singularität steckt nicht in einer solchen Hülle. Sie bleibt für externe Beobachter sichtbar, und Objekte können sich ihr im Prinzip beliebig nähern, ohne für immer eingefangen zu werden.


Zusatzinformation 2:
Vaterfiguren

Die Debatte um die Existenz nackter Singularitäten hat eine lange Vorgeschichte, die sich um Schwarze Löcher dreht.

Die allgemeine Relativitätstheorie sagte zwar Schwarze Löcher voraus, aber Einstein bezweifelte, dass sie jemals wirklich entstehen könnten.

J. Robert Oppenheimer und andere Physiker zeigten: Es kann Schwarze Löcher geben.

Stephen Hawking und Roger Penrose (unten) bewiesen, dass Singularitäten unvermeidlich sind.

Roger Penrose mutmaßte, dass Singularitäten stets von einem Ereignishorizont umhüllt sein müssen.


Zusatzinformation 3:
Zwei kosmische Monstren

Eine nackte Singularität ist im Wesentlichen ein Schwarzes Loch, das gar nicht »schwarz« ist. Da dieses hypothetische Gebilde nicht von einem Ereignishorizont verhüllt wird, vermag es Materie und Strahlung aufzusaugen und wieder auszuspucken. Darum sieht es für einen externen Beobachter anders aus als ein Schwarzes Loch und wirkt anders auf seine unmittelbare Umgebung ein. Durch diese Unterschiede müsste eine nackte Singularität sich bei genauer Beobachtung verraten.

Schwarzes Loch

Ein Schwarzes Loch verbirgt sich hinter seinem Ereignishorizont, durch den Material von außen eindringen, aber niemals wieder entkommen kann. Oft ist der Horizont von einer rotierenden Gasscheibe umgeben.

Von außen sieht das Schwarze Loch wie eine tiefschwarze Kugel aus. Die Singularität liegt darin und bleibt unsichtbar. Reibung in der umgebenden Scheibe erzeugt intensive Strahlung. Ein Teil des Umgebungsmaterials wird als Jet ausgestoßen; ein anderer Teil stürzt ins Loch.

Ein homogener Stern ohne Gasdruck kollabiert zu einem Schwarzen Loch. Die Schwerkraft des Sterns intensiviert sich und krümmt die Bahn von Objekten und Lichtstrahlen schließlich so stark, dass sie nicht mehr entkommen.

Nackte Singularität

Der nackten Singularität fehlt der Ereignishorizont. Sie kann wie ein Schwarzes Loch Material aufsaugen, es aber - anders als ein Schwarzes Loch - auch wieder auswerfen.

Eine nackte Singularität sieht aus wie ein winziges Staubkorn, ist aber unvorstellbar dicht. Einfallende Materie bleibt bis zu ihrem Zusammenstoß mit der Singularität sichtbar. Die intensive Gravitation kann energiereiche Stoßwellen erzeugen.

Wenn der Stern inhomogen ist, reicht die Intensität seiner Schwerkraft mitunter nicht aus, um Lichtstrahlen am Entkommen zu hindern. Der Stern kollabiert zu einer Singularität, aber sie bleibt nicht sichtbar.


Zusatzinformation 4:
Zwei Arten, einen Stern zu zermalmen

Aus Computersimulationen geht hervor, unter welchen Umständen ein Stern entweder zu einem Schwarzen Loch oder zu einer nackten Singularität kollabiert. Die hier gezeigten Simulationen behandeln den Stern als einen Schwarm von Körnern, deren Schwerkraft so übermächtig ist, dass andere Naturkräfte, insbesondere der Gasdruck, im Vergleich zur Gravitation keine Rolle spielen.

Schwarzes Loch

1. Der Stern beginnt als abgeflachte Kugel.
2. Beim Kollaps wird er zunächst noch flacher...
3. ... und zieht sich dann zusammen.
4. Schließlich wird die Schwerkraft so intensiv, dass sie Licht einfängt; ein Ereignishorizont entsteht.
5. Das Material innerhalb des Horizonts kollabiert weiter und bildet letztlich eine Singularität.
6. Der Endzustand lässt sich simulieren, aber wegen des Horizonts niemals beobachten.

Nackte Singularität

1. Der Stern hat die Form einer dicken Zigarre.
2. Er verengt sich beim Kollaps.
3. Der Stern ähnelt einer schlanken Spindel.
4. Die Schwerkraft intensiviert sich, reicht aber nie aus, um Licht einzufangen und einen Horizont zu bilden.
5. Die Dichte ist an den Enden der Spindel am größten, und dort bilden sich Singularitäten.
6. Da kein Horizont entsteht, der die Singularitäten verbirgt, bleiben sie für externe Beobachter sichtbar.


Zusatzinformation 5:
Wie sich nackte Singularitäten verraten

Astronomen könnten verschiedene Indizien für nackte Singularitäten entdecken:

Sternenexplosionen bei hohen Energien, die nackte Singularitäten erzeugen, würden in auffälliger Weise heller und schwächer.
Bestimmte Klassen von Gammastrahlungsausbrüchen werden vielleicht von ihnen verursacht.
Nackte Singularitäten beugen das Licht von Hintergrundsternen anders als Schwarze Löcher.
Wenn ein mutmaßliches Schwarzes Loch schneller rotiert, als seine Masse erwarten lässt, muss es sich um eine nackte Singularität handeln. Das geplante SKA-Radioteleskop (Square Kilometer Array) wäre für diesen Nachweis genügend präzise.


Zusatzinformation 6:
Kann ein Schwarzes Loch platzen?

Eine nackte Singularität könnte nicht nur durch den Kollaps eines Sterns entstehen, sondern auch bei der Zerstörung eines Schwarzen Lochs. Das mutet zwar unmöglich und obendrein gefährlich an, doch nach den Gleichungen der allgemeinen Relativitätstheorie kann kein Ereignishorizont existieren, wenn das Loch zu schnell rotiert oder zu viel elektrische Ladung hat. Die meisten Physiker glauben, dass das Loch jedem Versuch widersteht, seine Rotation oder Ladung über die vorgeschriebene Grenze zu erhöhen. Doch einige meinen, das Loch könnte schließlich nachgeben, wodurch der Horizont sich auflösen und die Singularität freilegen würde.

Ein Schwarzes Loch in schnellere Drehung zu versetzen ist nicht allzu schwer. Die Materie fällt stets mit einem gewissen Drehimpuls ins Loch und treibt es an wie einen Kreisel. Es aufzuladen ist schwieriger, weil ein geladenes Loch gleichnamig geladene Teilchen abstößt, ungleichnamige anzieht und dadurch elektrisch neutral wird. Doch ein heftiger Materiesturz könnte diese Tendenz überwinden. Die wichtigste Eigenschaft eines Schwarzen Lochs - dass es rundum Materie verschlingt und dadurch immer weiter wächst - bedeutet vielleicht seinen Untergang. Die Forscher diskutieren noch, ob es sich am Ende zu retten vermag oder aufplatzt und seine Singularität enthüllt.


Zusatzinformation 7:
Wie Sterne zu Grunde gehen

Sterne durchlaufen charakteristische Entwicklungsphasen. Sie entstehen in gigantischen Staubwolken, strahlen Millionen Jahre lang und verlöschen schließlich. Ihre Strahlung entsteht, indem sie ihren nuklearen Brennstoff - anfangs vorwiegend Wasserstoff - zu Helium und später auch zu schwereren Elementen fusionieren. Jeder Stern hält ein Gleichgewicht zwischen der Gravitationsanziehung und den durch Kernfusion nach außen wirkenden Drücken. Doch am Ende hat sich der ganze Brennstoff in Eisen verwandelt, die Kernfusion erlahmt, die Schwerkraft setzt sich durch, und der Stern beginnt zu kollabieren.

Wenn unserer Sonne der Brennstoff ausgeht, wird ihr Kern sich unter der eigenen Schwerkraft zusammenziehen, bis er nicht größer ist als die Erde. Nun wird er durch den so genannten Entartungsdruck zwischen den Elektronen stabilisiert. Dieses Objekt heißt Weißer Zwerg. Sterne von drei- bis vierfacher Sonnenmasse nehmen einen anderen Endzustand ein: Sie werden zu Neutronensternen, in deren übermächtiger Schwerkraft sogar Atome zusammenbrechen. Diese kaum zehn Kilometer großen Gebilde werden durch den Entartungsdruck der Neutronen aufrechterhalten.

Noch massereichere Sterne können weder als Weiße Zwerge noch als Neutronensterne enden, weil nicht einmal ein Entartungsdruck sie zu stabilisieren vermag. Falls nicht eine andere, unbekannte Art von Druck ins Spiel kommt, hält nichts mehr den Kollaps auf. Nun herrscht die Schwerkraft unangefochten, und das Schicksal des Sterns wird durch Einsteins Gravitationstheorie bestimmt. Ihr zufolge ist das Resultat eine Singularität - und die Frage bleibt, ob dieses Sternengrab sichtbar ist oder nicht.


© 2009 Pankaj S. Joshi, Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH, Heidelberg


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Quelle:
Spektrum der Wissenschaft 12/09 - Dezember 2009, Seite 24 - 31
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veröffentlicht im Schattenblick zum 30. Januar 2010