Innerhalb eines Schwarzen Lochs ist die Raumzeitkrümmung so groß, dass unter keinen Umständen Licht oder Partikel austreten können. Eine Singularität, basierend auf unseren aktuellen Gesetzen der Physik, muss eine Unvermeidlichkeit sein. Bildnachweis: Pixabay-Nutzer JohnsonMartin.

Schwarze Löcher müssen Singularitäten haben, sagt Einsteins Relativitätstheorie

Eine Singularität ist unvermeidlich, es sei denn, Sie können eine Kraft erzeugen, die schneller als die Lichtgeschwindigkeit wandert.

Je mehr Masse Sie in einem kleinen Raumvolumen platzieren, desto stärker wird die Anziehungskraft. Nach Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie gibt es eine astrophysikalische Grenze dafür, wie dicht etwas ein makroskopisches, dreidimensionales Objekt werden und dennoch bleiben kann. Wenn Sie diesen kritischen Wert überschreiten, sind Sie dazu bestimmt, ein Schwarzes Loch zu werden: eine Region des Raums, in der die Gravitation so stark ist, dass Sie einen Ereignishorizont erstellen, und eine Region, aus der nichts entweichen kann. Egal, wie schnell Sie sich bewegen, wie schnell Sie beschleunigen oder selbst wenn Sie sich mit der Höchstgeschwindigkeit des Universums - der Lichtgeschwindigkeit - bewegen, können Sie nicht aussteigen. Die Menschen haben sich oft gefragt, ob es innerhalb dieses Ereignishorizonts eine stabile Form ultradichter Materie gibt, die dem Gravitationskollaps standhält, und ob eine Singularität wirklich unvermeidlich ist. Aber wenn Sie 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-Überrestes RCW 103 ist ebenfalls ein Magnetar. Im Jahr 2016 haben neue Daten von verschiedenen Satelliten bestätigt, dass dies der langsamste 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 vor, das dichteste Objekt, das Sie herstellen können, ist noch kein Schwarzes Loch. Wenn massive Sterne Supernova werden, können sie entweder ein Schwarzes Loch bilden (wenn sie über einer kritischen Schwelle liegen), aber häufiger werden ihre Kerne zusammenbrechen und einen Neutronenstern bilden. Ein Neutronenstern ist im Grunde genommen ein riesiger Atomkern: eine zusammenhängende Ansammlung von Neutronen, die massereicher als die Sonne ist, sich jedoch in einer Region mit nur wenigen Kilometern Durchmesser befindet. Es ist vorstellbar, dass bei Überschreitung der zulässigen Dichte im Kern eines Neutronensterns ein noch konzentrierterer Materiezustand erreicht wird: ein Quark-Gluon-Plasma, bei dem die 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 Druck der Pauli-Entartung hilft, den Überrest des Sterns gegen den Gravitationskollaps zu halten und die Bildung eines Schwarzen Lochs zu verhindern. Bildnachweis: CXC / M. Weiss.

Warum können wir Materie überhaupt 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 niedriger 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 Elektronenschalen drücken gegeneinander. Weil wir die Quantenregel des Pauli-Ausschlussprinzips haben, die verhindert, dass zwei identische Fermionen (wie Elektronen) den gleichen 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 zwischen einem weißen Zwerg (L), der Erde, die das Licht unserer Sonne (Mitte) reflektiert, und einem schwarzen Zwerg (R). Wenn weiße Zwerge endlich den Rest ihrer Energie ausstrahlen, werden sie schließlich alle zu schwarzen Zwergen. Der Entartungsdruck zwischen den Elektronen im weiß / schwarzen Zwerg wird jedoch immer groß genug sein, solange nicht zu viel Masse entsteht, 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 massereich ein weißer Zwergstern werden kann. In einem Neutronenstern befinden sich keine Atome im Kern, sondern ein riesiger Atomkern, der fast ausschließlich aus Neutronen besteht. Neutronen wirken auch als Fermionen - obwohl sie zusammengesetzte Teilchen sind - und Quantenkräfte wirken auch, um sie gegen den Gravitationskollaps zu schützen. Darüber hinaus ist es möglich, sich einen anderen, noch dichteren Zustand vorzustellen: einen Quarkstern, in dem einzelne Quarks (und freie Gluonen) miteinander interagieren und der Regel folgen, dass keine zwei identischen Quantenteilchen denselben Quantenzustand einnehmen können.

Die Elektronenenergie gibt die niedrigstmögliche Energiekonfiguration eines neutralen Sauerstoffatoms an. Da es sich bei Elektronen um Fermionen und nicht um Bosonen handelt, können sie auch bei willkürlich niedrigen Temperaturen nicht alle im Grundzustand (1s) existieren. Dies ist die Physik, die verhindert, dass zwei Fermionen denselben Quantenzustand einnehmen, und die die meisten Objekte gegen den Gravitationskollaps hält. Bildnachweis: CK-12 Foundation und Adrignola von Wikimedia Commons.

Der Mechanismus, der verhindert, dass Materie zu einer Singularität zusammenfällt, hat jedoch eine wichtige Erkenntnis: Kräfte müssen ausgetauscht werden. Wenn Sie versuchen, dies 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, dass es eine Geschwindigkeitsbegrenzung gibt, wie schnell diese Kraftträger fahren können: die Lichtgeschwindigkeit. Wenn eine Interaktion funktionieren soll, indem ein inneres Partikel eine nach außen gerichtete Kraft auf ein äußeres Partikel ausübt, muss es eine Möglichkeit geben, dass sich ein Partikel auf diesem nach außen gerichteten Pfad fortbewegt. 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 deine Raumzeit diese Schwelle überschreitet? Was ist, wenn Sie einen Ereignishorizont erstellen und einen Raum 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 im Universum vor sich geht, wird in die zentrale Singularität hineingezogen. Bildnachweis: Bob Gardner / ETSU.

Plötzlich gibt es überhaupt keinen Weg mehr, der funktioniert! 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. In einem ausreichend dichten Gebiet können selbst massenlose Partikel nur zu den innersten Punkten gelangen, die möglich sind. Sie können keine äußeren Punkte beeinflussen. Den äußeren Partikeln bleibt also nichts anderes übrig, als näher an den zentralen Bereich heranzufallen. Egal wie Sie es einrichten, jedes einzelne Partikel innerhalb des Ereignishorizonts landet unweigerlich an einem einzigartigen Ort: der Singularität im Zentrum des Schwarzen Lochs.

Sobald Sie die Schwelle überschreiten, um ein Schwarzes Loch zu bilden, wird der gesamte Ereignishorizont auf eine Singularität reduziert, die höchstens eindimensional ist. Keine 3D-Strukturen können intakt überleben. Bildnachweis: Fragen Sie die Van / UIUC-Abteilung für Physik.

Solange Partikel - einschließlich krafttragender Partikel - durch die Lichtgeschwindigkeit begrenzt sind, gibt es keine Möglichkeit, innerhalb eines Schwarzen Lochs eine stabile, nicht singuläre Struktur zu haben. Wenn Sie eine tachyonische Kraft erfinden können, d. H. Eine Kraft, die von Partikeln vermittelt wird, die sich schneller als Licht bewegen, können Sie vielleicht eine erzeugen, aber bisher wurde gezeigt, dass keine echten, tachyonartigen Partikel physikalisch existieren. Andernfalls können Sie Ihre Singularität am besten in ein eindimensionales, ringförmiges Objekt "verwischen" (aufgrund des Drehimpulses), ohne jedoch eine dreidimensionale Struktur zu erhalten. Solange Ihre Teilchen entweder massereich oder masselos sind und die Regeln der Physik befolgen, die wir kennen, ist eine Singularität unvermeidlich. Es kann keine realen Partikel, Strukturen oder zusammengesetzten Entitäten 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 aufgelegt. Ethan hat zwei Bücher verfasst, Beyond The Galaxy und Treknology: The Science of Star Trek von Tricorders bis Warp Drive.