Das Zentrum riesiger schwarzer Löcher könnte Aufschluss über die Ursprünge des Universums geben
Schwarze Löcher, die Sterne und jegliche andere Materie einsaugen und bisher nicht gesehen werden konnten, da sie kein Licht aussenden, wurden in den letzten Jahren mithilfe von Gravitationslinsenteleskopen beobachtet. EU-finanzierte Wissenschaftler erweiterten im Rahmen des BHLOC-Projekts die theoretischen Grundlagen für das Verständnis dessen, was sich in ihrem Zentrum befindet. „Wissenschaftler haben nun herausgefunden, dass im Zentrum der Galaxie ohne jeden Zweifel ein massives schwarzes Loch sein muss. Bisher wissen wir nur sehr wenig darüber. Was wir allerdings wissen ist, dass sich ein schwarzes Loch mit einer gewissen Geschwindigkeit dreht, und dass es eine Masse, Energie und eine elektrische Ladung besitzt. Das ist alles“, so Projektkoordinator Nick Halmagyi, Forschungsprofessor am Labor für Theoretische Physik und Hochenergiephysik (Laboratoire de Physique Théorique et Hautes Energies, LPTHE) der Universität Paris-Sorbonne. Im Rahmen des BHLOC-Projekts wurden Berechnungen zur Korrektur des Gravitationsgesetzes erstellt, die wichtig sein könnten, um die Geschichte des frühen Urknalls zu verstehen, der das Universum geschaffen hat. „Wenn man die Energiemenge ändert, was bedeutet, zeitlich immer weiter zurückzugehen, bis hin zum Urknall, gibt es Momente, in denen sich alles verändern kann, und wenn das passiert, gehen wir davon aus, dass die Erforschung der Schwerkraft allein nicht mehr ausreichen wird. Es wird einige zusätzliche Korrekturen geben“, erklärt Professor Halmagyi. Dadurch, dass wir so wenig wissen „verbessert alles, was wir berechnen, das Verständnis von schwarzen Löchern, und das bedeutet immerhin einen Fortschritt“, so Shailesh Lal, der früher als Forscher an der Seoul National University in Südkorea, und in Indien tätig war, bevor er ein Marie-Curie-Stipendium am LPTHE annahm. Quanteneigenschaften Aufbauend auf dem Verständnis der statistischen Eigenschaften und damit der Entropie (ein Maß der Unordnung auf einem sehr feinen Niveau) der erweiterten Gravitationstheorien, „bestand die Idee darin, die Quanteneigenschaften von schwarzen Löchern zu verstehen“, erklärt Dr. Lal. Die ehemaligen Cambridge-Astrophysiker, Stephen Hawking und Jacob Beckenstein, entwickelten bereits eine Theorie über die Entropie schwarzer Löcher. „Sie fanden heraus, dass sich ein schwarzes Loch genau so verhält, als ob es aus vielen Bruchstücken bestünde“, so Prof. Halmagyi, der die Teilchen als ‚Gravitationsmoleküle‘ bezeichnet. Was sich in einem schwarzen Loch befindet, kann demnach mit Hilfe der Quantentheorie, der Theorie der winzigen Teilchen, erforscht werden. „Wir haben diesen Hinweis, dass es im Inneren eines schwarzen Lochs eine Reihe von ‚Molekülen‘ gibt, die allerdings keinesfalls so sind, wie wir sie uns jemals vorgestellt haben. Sie sind wie eine seltsame effektive Gravitation, die wir nicht wirklich verstehen“, führt Prof. Halmagyi weiter aus. „Wir versuchen also, den [theoretischen] Details dieser ‚Moleküle‘ auf den Grund zu gehen und sie auf eine Art von schwarzem Loch zu verallgemeinern, die wir inzwischen tatsächlich im Universum beobachten können.“ Neue Aspekte kombinierter Theorien Die Herausforderung für theoretische Physiker besteht darin, den, wie Professor Halmagyi ihn bezeichnet, „Optimalpunkt“ zwischen vereinfachten theoretischen Modellen zu finden, die einige Ergebnisse und verallgemeinerte Theorien liefern, die, obwohl sie groß und komplex sind, einer Erklärung der realen Welt näher kommen. Die Stringtheorie, eine populäre Theorie der Quantengravitation, wurde herangezogen, um vorherzusagen, was sich in einem schwarzen Loch befindet. Das BHLOC-Projekt „befasste sich mit der besonderen Art und Weise, wie uns die Stringtheorie über die ‚Moleküle‘, aus denen Schwarze Löcher bestehen, anhand der Quantenfeldtheorie – eine Quantentheorie, die keine Gravitation beinhaltet – aufklärt“, erläutert Dr. Lal. Theoretische Physiker untersuchten kleinste rotierende schwarze Löcher, so genannte extreme schwarze Löcher, unter Verwendung eines vereinfachten prädiktiven mathematischen Modells, das auch als „Spielzeugmodell“ bekannt ist. „Wenn wir dann [das Modell] noch ein bisschen mehr vereinfachen, erhalten wir einige präzise Beschreibungen von ‚Molekülen‘. Das war die große Errungenschaft der Stringtheorie“, erklärt Professor Halmagyi. „Die Quantenfeldtheorie und Gravitation gelten als die Bausteine der Physik. Und diese Theorie verbindet sie auf eine Art und Weise, wie es zuvor noch nie der Fall gewesen war“, schlussfolgert er.
Schlüsselbegriffe
BHLOC, Kosmologie, Astrophysik, Stringtheorie, Quantenphysik, Quantentheorie, Gravitation, schwarze Löcher