Das Schicksal des zusammenbrechenden Sterns

FKK im Weltraum - das Interview: Ein Millionen Kilometer durchmessender und Milliarden Jahre alter Stern schrumpft binnen Sekunden auf unendlich kleine Ausmaße - was kommt danach?

Pankaj Joshi ist Professor an der naturwissenschaftlichen Abteilung des Tata-Instituts für Grundlagenforschung im indischen Mumbai. Hier beschäftigt er sich insbesondere mit der Struktur von Raum und Zeit und der Gravitation im Quantenreich. Zudem gilt er als Experte für das Phänomen des Gravitations-Kollapses. Gemeinsam mit Kollegen erforscht er in Computersimulationen die Bedingungen, die zur Bildung einer nackten Singularität (siehe FKK im Weltraum) führen könnten. Telepolis konnte ihn zu aktuellen Ergebnissen befragen.

Was ist denn der aktuelle Stand der Forschung rund um nackte Singularitäten - was gilt als bewiesen, und was ist reine Spekulation?

Pankaj Joshi: Lassen Sie uns erst einmal klarstellen, was nackte Singularitäten überhaupt sind. Einfach gesagt, handelt es sich um Orte, an denen die Dichte und andere physikalische Größen unbeschränkt groß sind. Sie bilden sich als Ergebnis eines Gravitations-Kollaps eines massereichen Sterns, und sie sind für externe Beobachter sichtbar - im Gegensatz zu der Singularität eines Schwarzen Lochs, die sich hinter dem Ereignishorizont der Gravitation versteckt.

Um ein bisschen weiter ins Detail zu gehen: Der fortgesetzte Kollaps eines schweren Sterns ist unvermeidbar, wenn ihm der Brennstoff ausgeht. Er kann sich nicht zu einem Weißen Zwerg oder Neutronenstern stabilisieren, wenn er dafür zu schwer ist. Um sein weiteres Schicksal zu beschreiben, benötigen wir die Allgemeine Relativitätstheorie. Einstein sagt voraus, dass ein solcher Vorgang in Singularitäten der Raumzeit enden muss. Solch eine Singularität ist ein Gebiet beinahe beliebig hoher Dichten, Milliarden Mal dichter als das Sonneninnere. Die Frage ist nun, ob diese Singularitäten für uns sichtbar sein können oder immer versteckt bleiben müssen. Wenn sie sichtbar sind, nennt man sie „nackte Singularitäten“ - mein bevorzugter Terminus ist allerdings „Quanten-Sterne“.

Die Geburtsfrequenz nackter Singularitäten in tatsächlichen astrophysikalischen Situationen

Und wie sieht der Stand der Forschung dazu aus?

Pankaj Joshi: Der aktuelle Stand ist dieser: Es wurden in den letzten Jahren die verschiedensten Modelle von gravitationalen Kollapsen analysiert, insbesondere solche, die sich aus sphärischen Materiewolken vollziehen. Das Ziel bestand dabei darin, das Schicksal des zusammenbrechenden Sterns herauszufinden: Endet er in einem Schwarzen Loch oder einer nackten Singularität? Es ließ sich zeigen, dass sich unter physikalisch sinnvollen Bedingungen wie einer bestimmten anfänglichen Druck- und Dichteverteilung sowie bestimmten energetischen Voraussetzungen tatsächlich nackte Singularitäten als Ergebnis des Prozesses bilden könnten. Das heißt, der Ereignishorizont entsteht in diesen Fällen nicht früh genug, um die Singularität abzuschirmen.

Im klassischen Oppenheimer-Snyder-Szenario zum Beispiel, das eine jederzeit uniforme Staubdichteverteilung in der Wolke annimmt, entsteht im Endstadium ein Schwarzes Loch. Wenn allerdings die Dichte im Inneren des Sterns größer ist, eine physikalisch wahrscheinlichere Annahme, dann ist das Ergebnis eine nackte Singularität.

Es steht uns heute zudem ein allgemeinerer Formalismus bereit, mit dem wir den sphärischen Kollaps untersuchen können. Damit lässt sich zeigen, dass sowohl Schwarze Löcher als auch nackte Singularitäten aus verallgemeinerten Materiefeldern unter sinnvollen Zustandsgleichungen entstehen können.

All das passiert im Rahmen von Einsteins Gravitationstheorie, und die Modelle sind theoretische analytische Berechnungen. Im großen und ganzen sind sich die Wissenschaftler darüber einig, dass diese Modelle in der Theorie die Existenz nackter Singularitäten vorhersagen. Allerdings verstehen wir den nicht-sphärischen Kollaps, wie er in der Natur die Regel ist, und seine Ergebnisse noch nicht völlig (wobei es bereits einige Modelle gibt, die in nackten Singularitäten enden).

Was uns jetzt vor allem interessiert, ist die Geburtsfrequenz nackter Singularitäten in tatsächlichen astrophysikalischen Situationen. Zudem müssen wir das Schicksal nicht-sphärischer Kollapse noch besser untersuchen. Ich denke aber, wenn sie schon bei sphärischen Zusammenbrüchen auftreten, stehen die Chancen in nicht-sphärischen Ereignissen noch viel besser.

Ein weiteres bisher weitgehend unerforschtes Gebiet besteht darin, wie sich nackte Singularitäten dem Beobachter zeigen müssten.

Ein riesiger und steinalter Stern schrumpft binnen Sekunden auf unendlich kleine Ausmaße

Im vergangenen Herbst haben Forscher die Kollision zweier Schwarzer Löcher mit dem Ergebnis analysiert, dass dadurch keine nackte Singularität entstehen könne. Die Folgerung damals: Alle bekannten Mechanismen für die Bildung von Singularitäten erzeugen auch einen Ereignishorizont. Ein Irrtum?

Pankaj Joshi: Bis heute hat es noch niemand geschafft, mit Hilfe der Allgemeinen Relativitätstheorie die Natur und das Auftreten von Ereignishorizonten zu prognostizieren. Was wir haben, ist die Annahme des „kosmischen Zensors“, die sagt, dass sich der Ereignishorizont stets rechtzeitig vor der Entstehung der Singularität bildet, so dass er sie in Raum und Zeit vollständig verbirgt. Allerdings ergaben viele der oben erwähnten Simulationen, dass sich der Ereignishorizont entweder später oder gar nicht oder nicht vollständig ausbildet. Da sich die Annahme des kosmischen Zensors aber auf physikalisch realistische Szenarien bezieht, die wir derzeit nicht vollständig untersuchen können, gilt sie auch nicht als widerlegt.

Um das noch ein wenig zu erklären: Das Konzept des kosmischen Zensors entstand 1969, als Penrose es als Hypothese vorschlug. Für die Physik der Schwarzen Löcher war das ein wichtiger Schritt, es ermöglichte, Theorien über ihre Eigenschaften aufzustellen und in der Astrophysik anzuwenden. Aber es gibt eben keine Garantie, dass schwere Sterne nur und immer Schwarze Löcher produzieren - mit der Allgemeinen Relativitätstheorie lässt sich das jedenfalls nicht beweisen. Natürlich haben die Physiker lange Zeit gehofft, Penroses Hypothese irgendwann nachweisen zu können - bisher allerdings ohne Erfolg. Vielmehr haben wir nun sogar Modelle, die eine nackte Singularität als Schicksal ergeben.

Anders ausgedrückt - wenn ein massereicher Stern keinen Brennstoff mehr hat, kollabiert er, ohne einen stabilen Zustand zu erreichen. Ein Millionen Kilometer durchmessender und Milliarden Jahre alter Stern schrumpft binnen Sekunden auf unendlich kleine Ausmaße. Ein solche Singularität war sogar die Quelle unser heutigen Universums. Während der Stern kollabiert, kann sich ein Ereignishorizont der Gravitation entwickeln, den wir uns als Einweg-Membran vorstellen müssen. Wenn der Stern im Ereignishorizont verschwindet, bevor sich die Singularität bildet, ist das Ergebnis ein Schwarzes Loch, ein permanentes Sternengrab. Aber ist das die einzig mögliche Abfolge? Modelle zeigen, dass dem nicht so sein muss. Die Details unterscheiden sich dabei, sie haben aber eines gemeinsam: Die Singularität ist für gewisse Zeit sichtbar. Und das ist sehr spannend, weil wir dann der Quantengravitation bei der Arbeit zusehen können.

Nackte Singularitäten sieht man manchmal auch als „weiße Löcher“ bezeichnet - passt dieser Name?

Pankaj Joshi: Weiße Löcher unterscheiden sich in der Theorie von nackten Singularitäten. Die zeit-reverse Situation einer Schwarzschild-Metrik ist zum Beispiel ein Weißes Loch. Eine nackte Singularität ist hingegen durch die Existenz einer Familie von nicht-räumlichen Pfaden in der Raumzeit charakterisiert, die in der Zukunft bei fernen Beobachtern enden und in der Vergangenheit in der Singularität.

Unbeliebte, unbekannte und vernünftige Kollaps-Modelle

Warum mögen denn manche Kosmologen die Idee der nackten Singularität nicht?

Pankaj Joshi: Vor allem aus zwei Gründen - zum einen zerstören nackte Singularitäten die Vorhersagbarkeit in der Raumzeit. Das ganze Universum wäre nicht mehr ausgehend von bestimmten Anfangsdaten in einer konstanten Zeitscheibe komplett berechenbar. Aber das ist nicht ungewöhnlich - viele wichtige Modelle der Allgemeinen Relativität sind nicht in diesem Sinne vorhersagbar. Nur für die einfachsten wie etwa das Schwarzschildsche Schwarze Loch ist Berechenbarkeit gegeben. Aber sobald wir Ladung oder Drehmoment hinzugeben, ist die Vorhersagbarkeit verloren. Es gibt auch Modelle mit geschlossenen Zeitkurven, oder andere, die die Kausalität verletzen. Nackte Singularitäten sind in diesem Sinn also nichts Besonderes. Annahmen, sie würden das Universum zerstören, oder ähnliches, kommen wohl daher, dass wir die Natur dieser Objekte noch nicht ganz verstehen. Bei Schwarzen Löchern mit Ladung oder Drehmoment geht es uns übrigens ähnlich, sie führen zu enorm schwierigen Fragen im Bereich der Quantengravitation. Insgesamt ist die Reaktion der Forscher gemischt. Astronomen stehen der Idee meist sehr offen gegenüber, es ist ihnen egal, ob ein Schwarzes Loch oder eine nackte Singularität ihre Hochenergie-Beobachtungen erklärt.

Zum anderen könnte das Problem aber auch von einer Art Informationsverlust geprägt sein. Dass auch eine nackte Singularität das Ergebnis eines Sternenkollaps sein kann, ist vielen Kollegen einfach noch nicht bekannt. Mancher vergisst auch, dass die Hypothese des kosmischen Zensors genau das ist, eine unbewiesene Annahme. Und schließlich gibt es in der Populärwissenschaft so viele Darstellungen von Schwarzen Löchern, dass von Hardcore-Theoretikern abgesehen die meisten annehmen, die Entwicklung zum Schwarzen Loch als einzig mögliche Alternative sei eine wissenschaftlich bewiesene Tatsache.

Tatsache ist allerdings, dass wir erstens nicht in der Lage sind, die Penrose-Hypothese zu beweisen, und dass nicht einmal die Existenz von Ereignishorizonten bisher durch Beobachtung bewiesen wurde. Andererseits haben wir vernünftige Kollaps-Modelle, die unter realistischen Voraussetzungen die Bildung nackter Singularitäten für möglich halten.

Beobachtungsmöglichkeiten

Woran kann man denn eine nackte Singularität im Weltraum erkennen?

Pankaj Joshi: Nackte Singularitäten sind sichtbare, ultradichte Objekte, die deutliche Effekte der Quantengravitation zeigen müssten. Diese müssten eigentlich auch zu beobachten sein - es verdeckt sie ja kein Ereignishorizont. Eine andere Option sind die mächtigen Schockwellen, die in der Nähe einer nackten Singularität durch dort vorhandene Inhomogenitäten entstehen müssten. Die mächtigen Gammablitze, die wir heute beobachten, könnten daraus herrühren.

Es wäre zudem sinnvoll, sich auch das Zentrum unserer Milchstraße genauer anzusehen. Liegt hier vielleicht eine nackte Singularität? Entscheidend dafür sind Parameter wie etwa die Rotation. Wenn die Rotation stärker ist, als aus der Masse herleitbar, dann könnte es sich um eine nackte Singularität handeln. Oft genug sprechen Astronomen einfach von Schwarzen Löchern, wenn sie eine Massekonzentration gefunden haben, die groß genug dafür ist. Allerdings ist die Natur der meisten dieser Objekte gar nicht als Schwarzes Loch bestätigt. Man muss da in Zukunft noch viel genauer hinsehe - wir erhoffen uns einiges von geplanten Instrumenten wie dem SKA (Square Kilometers Array radio telescope).

Auch aus den aktuellen Modellen, die zur Bildung einer nackten Singularität führen, lässt sich schon manches ablesen. Der kollabierende Stern müsste zum Beispiel in der letzten Phase dunkler werden.