Kosmologie und Planck-Sterne

Eine der aktuellsten Entwicklungen betrifft die Anwendung der Quantengravitation auf das, was sich im Zentrum Schwarzer Löcher abspielt. Wenn sich die neuen Perspektiven, die sich daraus ergeben, eines Tages durch Beobachtungen bestätigen sollten, wird sich die übliche Auffassung von Schwarzen Löchern und ihrem Schicksal grundlegend verändern.

Der herkömmlichen Theorie zufolge endet das Leben eines massereichen Sterns, sobald er seinen Brennstoff verbraucht hat, durch eine Explosion, ein Absprengen seiner äußeren Schichten, und einen Kollaps seines Kerns zu einem sogenannten Schwarzen Loch. Der äußere Teil des Schwarzen Lochs wird von der klassischen Theorie gut beschrieben, und astronomische Beobachtungen bestätigen diese Beschreibung. Was aber geschieht im Inneren des Sterns?

Der klassischen Theorie zufolge stürzt die Materie des Sterns auf das Zentrum des Schwarzen Lochs zu und wird immer stärker auf ein Volumen von null mit einer unendlichen Dichte und einer unendlich hohen Temperatur komprimiert, um schließlich zu verschwinden. All das ist physikalisch natürlich unmöglich. Eine Taschenspielerei ist keine wissenschaftliche Hypothese. Bevor es dazu kommt, muss die Quantengravitation intervenieren.

In der Schleifentheorie sieht die Beschreibung eines Schwarzen Lochs anders aus. Denn der gequantelte Charakter des Gravitationsfelds (Körnchen der Raumzeit) erlaubt nicht, dass die Implosion des Sterns endlos weitergeht. Irgendwann wird die Materie so dicht, dass die Quantengravitation eine Abstoßung bewirkt. Unterhalb einer gewissen Größe gewinnen die Quanteneigenschaften der Raumzeit die Oberhand über die makroskopischen Eigenschaften, und die ausgeübte Abstoßung (der quantengravitative Druck) widersetzt sich dem Kollaps des Sterns, sodass es zu einem Zustand begrenzter Dichte kommt, der Planck-Dichte.

Unter den Sternen, die nicht zu Schwarzen Löchern geworden sind, weil ihre Masse dazu nicht ausreichte, haben Neutronensterne die höchste Dichte. Zu einem Neutronenstern verdichtet, hätte die Sonne nur noch einen Durchmesser von rund einem Kilometer; das wäre eine wirklich außerordentliche Kompression. Wenn sich der Kollaps jedoch bis zur Planck-Dichte fortsetzen würde, hätte die Sonne nur noch die Größe eines einzigen Atoms. Und weiter kann man nicht gehen. Die Planck-Dichte ist eine Grenze. Die Sterne, die diesen Zustand erreichen, werden als «Planck-Sterne» bezeichnet.

Wenn die Dichte eines Schwarzen Lochs nicht unendlich groß ist, kann man seine Größe berechnen und auch die Entwicklung von Phänomenen analysieren, die sich darin abspielen. Anders gesagt, werfen wir zum ersten Mal einen (theoretischen) Blick in ein bisher unsichtbares Objekt.

Was geschieht da? Der gravitative Druck wirkt wie eine Wand, von der die Materie des Sterns zurückprallt. Der Prozess verläuft sehr rasch, wie ein Ball, der von einer Mauer abprallt. Daher explodiert der Stern kurz nach dem Kollaps.

Aber wie ist es zu erklären, dass die Schwarzen Löcher, die wir kennen, seit vielen Tausend oder gar Millionen Jahren existieren – jedenfalls nach dem Verhalten der Materie in ihrer Nachbarschaft zu urteilen? An dieser Stelle kommt das seltsame Verhalten der Zeit ins Spiel, das die Allgemeine Relativitätstheorie beschreibt. Das Vergehen der Zeit an einem Ort im Universum wird von dem dort herrschenden Gravitationsfeld bestimmt. Die Uhren am Boden laufen langsamer als die Uhren an Bord von Satelliten, weil das Gravitationsfeld am Boden stärker ist als im Orbit. Auf der Sonne würde eine Uhr im Vergleich zur Uhr eines entfernten Beobachters deutlich langsamer gehen. Ein Astronaut, der sich auf die Sonnenoberfläche wagte, würde keinen Unterschied feststellen, seine Uhr würde ganz normal funktionieren – vielmehr hätte er den Eindruck, dass die Uhr seines auf der Erde zurückgebliebenen Freundes schneller laufen würde. Und wenn er zur Erde zurückkehrte, würden die Uhren der beiden Freunde tatsächlich einen merklichen Zeitunterschied aufweisen.

Stellen Sie sich nun vor, was mit der Zeit im Inneren eines Schwarzen Lochs passiert. Je mehr sich die Materie verdichtet, desto stärker wird das Gravitationsfeld und desto mehr verlangsamt sich in Relation zu einem äußeren Beobachter die Zeit – bis zu dem Punkt, an dem sie quasi stillzustehen scheint. Während für uns Jahrhunderte und Jahrtausende verstreichen, vergeht auf der inneren Uhr des Schwarzen Lochs vielleicht eine Millisekunde. Daher dauert der Prozess, der aus unserer Sicht Millionen Jahre braucht, auf der Uhr des Schwarzen Lochs vielleicht nur eine einzige Sekunde. Implosion und Explosion reihen sich nahtlos aneinander, erscheinen uns als äußerem Beobachter wegen des starken Gravitationsfelds jedoch wie in Zeitlupe gedehnt.

Die Dauer dieses Prozesses ist nicht bei allen Schwarzen Löchern gleich; sie hängt von der anfänglichen Masse ab (genauer gesagt: Sie ist der dritten Potenz der Masse proportional), denn je stärker das Gravitationsfeld ist – und das hängt von der Masse ab –, desto stärker verlangsamt sich die Zeit.

Um es präziser zu formulieren: Die Explosion findet nicht direkt nach dem Kollaps statt, denn der Stern ist zu massereich, um seinen eigenen Horizont zu überwinden (er hindert sich selbst daran, aus dem «Loch» herauszukommen, das er im Gravitationsfeld ausgehoben hat). Der Stern muss zunächst einen Teil seiner Masse durch «Verdampfen» verlieren, den Prozess, den Stephen Hawking entdeckt hat. Nach einer gewissen Zeitspanne des Verdampfens (sehr lang für uns, sehr kurz auf der Uhr des Schwarzen Lochs) wird der Rest des Planck-Sterns zu einem makroskopischen Objekt (weniger klein und weniger dicht), und der Horizont verschwindet. In diesem Stadium kann der quantengravitative Druck das, was vom Stern noch übrig ist, auseinandernehmen und zermalmen.

Diese neuartige Beschreibung macht das Schwarze Loch zu einem Objekt wie alle anderen, das sich nach seiner Entstehung in einen anderen Zustand weiterentwickelt. Wichtig in diesem Zusammenhang ist, dass sich diese Beschreibung anhand von Beobachtungen überprüfen lässt. Die Explosion eines Schwarzen Lochs erzeugt eine Art Fingerabdruck. Laut Berechnung sollte sich die Materie des Sterns durch den Rückprall von der quantengravitativen Wand in Gammastrahlung verwandeln, und sogar die Wellenlänge dieser Strahlung lässt sich präzisieren. Da sich die ersten Schwarzen Löcher zu Beginn des Universums gebildet haben, sind sie heute 13,7 Milliarden Jahre (unsere Jahre) alt. Mit der Schleifentheorie kann man berechnen, wie groß die Masse eines Schwarzen Lochs ist, das nach Ablauf von 13,7 Milliarden Jahren explodiert: 10¹² kg. Und für ein Schwarzes Loch dieser Masse kann man ausrechnen, dass die Wellenlänge der während der Explosion emittierten Strahlung in der Größenordnung von 10⁻¹⁴ liegt, also in einem Energiebereich, der mit Gammateleskopen wie dem Fermi-LAT durchaus nachgewiesen werden kann.

Seit rund dreißig Jahren hat man am Himmel plötzlich auftretende, kurze und intensive Gammastrahlen-Emissionen nachgewiesen, die aus allen Richtungen kommen und als «Gammastrahlen-Ausbrüche» oder «Gammablitze» bezeichnet werden. Es handelt sich um mehrere Typen, und sie werden im Rahmen mehrerer Studien intensiv untersucht. Inzwischen sieht es stark danach aus, als ob einige dieser Gammablitze mit dem Lebensende sehr massereicher Sterne und ihrer Umwandlung in Schwarze Löcher in Verbindung stehen. Interessant wäre es daher zu untersuchen, ob einige davon mit dem Lebensende eines Schwarzen Lochs selbst in Zusammenhang stehen könnten. Wenn das der Fall ist, könnten wir als Nächstes den Fingerabdruck der Explosion ausfindig machen, das heißt einen direkten Effekt eines Ereignisses beobachten und messen, das von der Quantengravitation gesteuert wird. Die Idee ist kühn und könnte sich nicht verifizieren lassen, beispielsweise dann, wenn das frühe Universum nicht genügend Schwarze Löcher gebildet hat, durch die es heute zu Explosionen kommen könnte. Aber die Suche nach Signalen hat begonnen, und wir warten gespannt auf die Resultate.

In dieser neuen Sicht von Schwarzen Löchern wird Zeit zu einem schwindelerregenden Begriff, weil man eine Art Zeitschredder oder «Zeitpumpe» vor Augen hat, die in der Lage ist, ein Teilchen zu Beginn des Universums einzufangen und 13 Milliarden Jahre später wieder auszuspucken, während auf dessen eigener Uhr nicht mehr als ein paar Sekunden vergehen. Wie lässt sich die Vorstellung akzeptieren, dass es im Universum so unterschiedliche Zeitskalen geben kann?