Physiker berechnen Bedingungen, unter denen ein Schwarzes Loch in zwei Teile zerfallen kann

Eine Gruppe theoretischer Physiker aus Italien, Frankreich und Dänemark hat eine Studie veröffentlicht, in der mathematisch ein Szenario beschrieben wird, bei dem ein Schwarzes Loch theoretisch in zwei eigenständige Objekte zerfallen kann. Die Arbeit, über die RBC-Ukraine unter Berufung auf die Zeitschrift Universe Today berichtet, befasst sich mit einem der fundamentalsten Probleme der modernen Physik – der Vereinbarkeit thermodynamischer Einschränkungen mit der quantengravitativen Dynamik kompakter Objekte. Die Autoren der Studie – Francesco Sannino (Universität Neapel Federico II und CP3-Origins Center an der Universität Süddänemark), Giacomo Cacciapaglia (Labor für Theoretische Physik und Hochenergie, LPTHE) und Manu Cennano (Feldtheorie) – zeigten, dass der Zerfall unter bestimmten Anfangsbedingungen nicht nur nicht verboten, sondern thermodynamisch zulässig ist.

"Hosen-Topologie": Die Geometrie des Zerfalls

Den mathematischen Berechnungen zufolge nimmt der Ereignishorizont des ursprünglichen Schwarzen Lochs im Moment der Trennung eine Form an, die an eine Hose erinnert: Zwei "Beine" entsprechen den zwei neuen Ereignishorizonten, und der Verbindungssteg dazwischen ist der Bereich, in dem die Raumzeit noch zusammenhängt. Genau deshalb nannten die Forscher diese Konfiguration "Hosen-Topologie" (pair-of-pants topology). Diese geometrische Struktur ist eine entscheidende Folge davon, dass der Zerfallsprozess nicht augenblicklich geschieht, sondern über einen Zwischenzustand verläuft, in dem die ursprüngliche Singularität noch nicht vollständig in zwei unabhängige aufgeteilt ist.

Rotation als einziger "Schlüssel" zum Zerfall

Eine kritische Bedingung, ohne die der Zerfall unmöglich ist, ist die extrem schnelle Rotation des ursprünglichen Schwarzen Lochs. Wie Francesco Sannino erklärte, muss das anfängliche Schwarze Loch nahezu mit der maximal zulässigen Geschwindigkeit rotieren – es muss sich also in der Nähe des Kerr-Limits befinden, jenseits dessen die klassische allgemeine Relativitätstheorie die Entblößung einer nackten Singularität vorhersagt. Die Rotation verändert das Gleichgewicht zwischen Masse, Drehimpuls und Entropie des Objekts: Genau diese Verschiebung ermöglicht es, die thermodynamische Barriere zu überwinden, die den Zerfall für ein stationäres Schwarzes Loch praktisch unmöglich macht. Für ein gewöhnliches stationäres Schwarzes Loch würde die Aufteilung in zwei Teile zu einer Verringerung der Gesamtentropie des Systems führen, was dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik widerspricht. Ein rotierendes Schwarzes Loch hingegen besitzt zusätzliche "Freiheit" bei der Verteilung des Drehimpulses auf zwei Tochterobjekte, wodurch die Gesamtentropie der Zerfallsprodukte nicht geringer ist als die des ursprünglichen Körpers.

Die Bedingung des "Nicht-Wiederverschmelzens" und die Rolle des Impulses

Eine zweite, nicht minder wichtige Anforderung der Autoren besteht darin, dass die beiden neu entstandenen Schwarzen Löcher unmittelbar nach der Trennung mit ausreichender Geschwindigkeit in entgegengesetzte Richtungen auseinanderfliegen müssen, damit die Gravitationskraft sie nicht wieder zu einem einzigen System zusammenzieht. Wenn die Bedingungen ideal sind, behalten die "Zwillinge" den ursprünglichen Impuls und die Geschwindigkeit des ursprünglichen Objekts bei, was ihre Flugbahnen auseinanderlaufen lässt. Andernfalls, so die Berechnungen, würden die beiden Teile schnell wieder kollidieren und verschmelzen, und der Zerfallsprozess wäre reversibel und im Sinne der beobachtbaren Physik im Wesentlichen bedeutungslos.

Primordiale Schwarze Löcher als wahrscheinlichste Kandidaten

Die Forscher betonen, dass es sich derzeit um ein rein theoretisches Konzept handelt: Kein solches Ereignis wurde im realen Kosmos bisher nachgewiesen. Die genaue Wahrscheinlichkeit eines solchen Phänomens kann noch nicht berechnet werden, da sie davon abhängt, wie genau die Gravitation in Bereichen außerhalb der allgemeinen Relativitätstheorie Einsteins funktioniert – also von einer noch zu entdeckenden Quantengravitationstheorie. Dennoch weisen die Autoren darauf hin, dass kleine primordiale Schwarze Löcher, die in den ersten Momenten nach dem Urknall entstanden sein könnten, um Größenordnungen höhere Chancen auf einen Zerfall haben als massive astrophysikalische Objekte, da für sie die Rotation nahe dem Maximum bei deutlich geringeren absoluten Werten des Drehimpulses erreicht wird.

Wie man Spuren des Zerfalls finden könnte

Perspektivisch könnten Spuren solcher Prozesse indirekt entdeckt werden. Insbesondere erwähnen die Forscher Gammastrahlenteleskope wie Fermi-LAT, die in der Lage sind, hochenergetische Signale von winzigen Fragmenten zu registrieren, die bei kosmischen Verschmelzungen und dem Auseinanderbrechen kompakter Objekte entstehen. Sollte in den Daten solcher Observatorien eine statistisch signifikante Anomalie im Spektrum der Gammastrahlung entdeckt werden, die nicht durch Standardmodelle der Akkretion oder Verschmelzung erklärbar ist, könnte dies der erste indirekte Beweis dafür sein, dass der Zerfall von Schwarzen Löchern nicht nur eine mathematische Abstraktion, sondern ein realer physikalischer Prozess ist, der irgendwo in den Tiefen des Universums stattfindet.