Innerhalb eines Schwarzen Lochs ist die Raumzeitkrümmung so groß, dass unter keinen Umständen Licht entweichen kann oder Partikel. Eine Singularität, die auf unseren gegenwärtigen Gesetzen der Physik basiert, muss unvermeidlich sein. Bildnachweis: Pixabay-Benutzer JohnsonMartin.

Schwarze Löcher müssen Singularitäten haben, sagt Einsteins Relativitätstheorie

Wenn Sie keine Kraft erzeugen können, die sich schneller als mit Lichtgeschwindigkeit ausbreitet, ist eine Singularität unvermeidlich.

Je mehr Masse Sie auf kleinem Raum platzieren, desto stärker wird die Anziehungskraft. Nach Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie gibt es eine astrophysikalische Grenze dafür, wie dicht etwas werden kann und immer noch ein makroskopisches dreidimensionales Objekt bleibt. Wenn Sie diesen kritischen Wert überschreiten, werden Sie dazu bestimmt, ein Schwarzes Loch zu werden: eine Region des Raums, in der die Gravitation so stark ist, dass Sie einen Ereignishorizont schaffen, und eine Region, aus der nichts entkommen kann. Egal wie schnell Sie sich bewegen, wie schnell Sie beschleunigen oder selbst wenn Sie sich mit der ultimativen Geschwindigkeitsbegrenzung des Universums - der Lichtgeschwindigkeit - bewegen, können Sie nicht raus. Die Menschen haben sich oft gefragt, ob es innerhalb dieses Ereignishorizonts eine stabile Form von ultradichter Materie geben könnte, die dem Gravitationskollaps standhält, und ob eine Singularität wirklich unvermeidlich ist. Wenn Sie jedoch die Gesetze der Physik anwenden, wie wir sie heute kennen, können Sie eine Singularität nicht vermeiden. Hier ist die Wissenschaft hinter dem Warum.

Der sehr langsam rotierende Neutronenstern im Kern des Supernova-Rests RCW 103 ist ebenfalls ein Magnetar. Im Jahr 2016 bestätigten neue Daten von verschiedenen Satelliten, dass dies der am langsamsten rotierende Neutronenstern ist, der jemals gefunden wurde. Massivere Supernovae können ein Schwarzes Loch erzeugen, aber Neutronensterne können die dichtesten physischen Objekte sein, die die Natur ohne Singularität erzeugen kann. Bildnachweis: Röntgen: NASA / CXC / Universität Amsterdam / N.Rea et al.; Optisch: DSS.

Stellen Sie sich das dichteste Objekt vor, das Sie herstellen können und das noch kein Schwarzes Loch ist. Wenn massive Sterne in die Supernova übergehen, können sie entweder ein Schwarzes Loch bilden (wenn sie über einer kritischen Schwelle liegen), aber häufiger werden ihre Kerne zusammenbrechen, um einen Neutronenstern zu bilden. Ein Neutronenstern ist im Grunde genommen ein riesiger Atomkern: eine zusammengebundene Ansammlung von Neutronen, die massereicher als die Sonne sind, sich jedoch in einer Region von nur wenigen Kilometern Durchmesser befinden. Es ist denkbar, dass wenn Sie die zulässige Dichte im Kern eines Neutronensterns überschreiten, dieser zu einem noch konzentrierteren Materiezustand übergeht: einem Quark-Gluon-Plasma, dessen Dichte so groß ist, dass es keinen Sinn mehr macht, die zu berücksichtigen Materie dort als individuelle, gebundene Strukturen.

Ein weißer Zwerg, ein Neutronenstern oder sogar ein seltsamer Quarkstern bestehen immer noch aus Fermionen. Der Pauli-Entartungsdruck hilft dabei, den Sternrest gegen Gravitationskollaps zu halten und die Bildung eines Schwarzen Lochs zu verhindern. Bildnachweis: CXC / M. Weiss.

Warum können wir überhaupt Materie im Kern eines so dichten Objekts haben? Weil etwas eine nach außen gerichtete Kraft ausüben muss, die das Zentrum gegen den Gravitationskollaps hält. Für ein Objekt mit geringer Dichte wie die Erde reicht die elektromagnetische Kraft aus, um dies zu tun. Die Atome, die wir haben, bestehen aus Kernen und Elektronen, und die Elektronenhüllen drücken gegeneinander. Weil wir die Quantenregel des Pauli-Ausschlussprinzips haben, die verhindert, dass zwei identische Fermionen (wie Elektronen) denselben Quantenzustand einnehmen. Dies gilt für Materie, die so dicht ist wie ein weißer Zwergstern, bei dem ein Sternmassenobjekt in einem Volumen existieren kann, das nicht größer als die Größe der Erde ist.

Ein genauer Größen- / Farbvergleich eines weißen Zwergs (L), einer Erde, die das Licht unserer Sonne reflektiert (Mitte), und eines schwarzen Zwergs (R). Wenn weiße Zwerge endlich den letzten Teil ihrer Energie ausstrahlen, werden sie schließlich alle zu schwarzen Zwergen. Der Entartungsdruck zwischen den Elektronen innerhalb des weiß / schwarzen Zwergs wird jedoch immer groß genug sein, solange er nicht zu viel Masse ansammelt, um zu verhindern, dass er weiter zusammenbricht. Bildnachweis: BBC / GCSE (L) / SunflowerCosmos (R).

Wenn Sie jedoch zu viel Masse auf einen weißen Zwergstern legen, werden die einzelnen Kerne selbst eine außer Kontrolle geratene Fusionsreaktion eingehen. Es gibt eine Grenze, wie massiv ein weißer Zwergstern werden kann. In einem Neutronenstern gibt es keine Atome im Kern, sondern einen riesigen Atomkern, der fast ausschließlich aus Neutronen besteht. Neutronen wirken auch als Fermionen - obwohl sie zusammengesetzte Teilchen sind - und Quantenkräfte halten sie auch gegen den Gravitationskollaps. Darüber hinaus kann man sich einen anderen, noch dichteren Zustand vorstellen: einen Quarkstern, in dem einzelne Quarks (und freie Gluonen) miteinander interagieren und dabei der Regel folgen, dass keine zwei identischen Quantenteilchen denselben Quantenzustand einnehmen können.

Die Elektronenenergiezustände für die niedrigstmögliche Energiekonfiguration eines neutralen Sauerstoffatoms. Da Elektronen Fermionen und keine Bosonen sind, können sie auch bei beliebig niedrigen Temperaturen nicht alle im Grundzustand (1s) existieren. Dies ist die Physik, die verhindert, dass zwei beliebige Fermionen denselben Quantenzustand einnehmen, und die die meisten Objekte gegen den Gravitationskollaps hält. Bildnachweis: CK-12 Foundation und Adrignola von Wikimedia Commons.

Der Mechanismus enthält jedoch eine wichtige Erkenntnis, die verhindert, dass Materie zu einer Singularität zusammenbricht: Kräfte müssen ausgetauscht werden. Wenn Sie versuchen, es zu visualisieren, bedeutet dies, dass krafttragende Partikel (wie Photonen, Gluonen usw.) zwischen den verschiedenen Fermionen im Inneren des Objekts ausgetauscht werden müssen.

Der Kraftaustausch innerhalb eines Protons, vermittelt durch farbige Quarks, kann sich nur mit Lichtgeschwindigkeit bewegen; nicht schneller. Innerhalb des Ereignishorizonts eines Schwarzen Lochs werden diese lichtähnlichen Geodäten unweigerlich von der zentralen Singularität angezogen. Bildnachweis: Wikimedia Commons-Benutzer Qashqaiilove.

Die Sache ist, es gibt eine Geschwindigkeitsbegrenzung, wie schnell diese Kraftträger gehen können: die Lichtgeschwindigkeit. Wenn eine Interaktion funktionieren soll, indem ein inneres Teilchen eine nach außen gerichtete Kraft auf ein äußeres Teilchen ausübt, muss es eine Möglichkeit geben, dass sich ein Teilchen auf diesem Weg nach außen bewegt. Wenn die Raumzeit, in der sich Ihre Partikel befinden, unter der für die Erzeugung eines Schwarzen Lochs erforderlichen Dichteschwelle liegt, ist dies kein Problem: Wenn Sie sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegen, können Sie diese Flugbahn nach außen nehmen.

Aber was ist, wenn Ihre Raumzeit diese Schwelle überschreitet? Was ist, wenn Sie einen Ereignishorizont erstellen und einen Raumbereich haben, in dem die Schwerkraft so stark ist, dass Sie selbst dann nicht entkommen können, wenn Sie sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegen?

Alles, was sich innerhalb des Ereignishorizonts befindet, der ein Schwarzes Loch umgibt, egal was sonst noch im Universum vor sich geht, wird in die zentrale Singularität hineingezogen. Bildnachweis: Bob Gardner / ETSU.

Plötzlich gibt es überhaupt keinen Weg mehr, der funktionieren würde! Die Gravitationskraft wird das äußere Teilchen nach innen ziehen, aber unter diesen Bedingungen kann sich das krafttragende Teilchen, das vom inneren Teilchen kommt, einfach nicht nach außen bewegen. Innerhalb eines ausreichend dichten Bereichs können selbst masselose Partikel nur zu den innerstmöglichen Punkten gelangen. Sie können äußere Punkte nicht beeinflussen. Die äußeren Partikel haben also keine andere Wahl, als näher an den zentralen Bereich zu fallen. Egal wie Sie es einrichten, jedes einzelne Teilchen innerhalb des Ereignishorizonts landet unweigerlich an einem einzigartigen Ort: der Singularität im Zentrum des Schwarzen Lochs.

Sobald Sie die Schwelle überschritten haben, um ein Schwarzes Loch zu bilden, wird alles innerhalb des Ereignishorizonts zu einer Singularität, die höchstens eindimensional ist. Keine 3D-Strukturen können intakt überleben. Bildnachweis: Fragen Sie die Physikabteilung von Van / UIUC.

Solange Partikel - einschließlich krafttragender Partikel - durch die Lichtgeschwindigkeit begrenzt sind, gibt es keine Möglichkeit, eine stabile, nicht singuläre Struktur innerhalb eines Schwarzen Lochs zu haben. Wenn Sie eine tachyonische Kraft erfinden können, dh eine Kraft, die durch Teilchen vermittelt wird, die sich schneller als Licht bewegen, können Sie möglicherweise eine erzeugen, aber bisher wurde gezeigt, dass keine realen, tachyonartigen Teilchen physikalisch existieren. Ohne das ist das Beste, was Sie tun können, Ihre Singularität in ein eindimensionales, ringartiges Objekt (aufgrund des Drehimpulses) zu "schmieren", aber das bringt Ihnen immer noch keine dreidimensionale Struktur. Solange Ihre Teilchen entweder massiv oder masselos sind und den uns bekannten Regeln der Physik entsprechen, ist eine Singularität unvermeidlich. Es kann keine realen Partikel, Strukturen oder zusammengesetzten Einheiten geben, die eine Reise in ein Schwarzes Loch überleben. Innerhalb von Sekunden ist alles, was Sie jemals haben, eine Singularität.

Starts With A Bang ist jetzt auf Forbes und dank unserer Patreon-Unterstützer auf Medium neu veröffentlicht. Ethan hat zwei Bücher verfasst, Beyond The Galaxy und Treknology: Die Wissenschaft von Star Trek von Tricorders bis Warp Drive.