Wenn der Kern eines Sterns zusammenbricht, bildet sich ein Ereignishorizont, der schnell wächst und sich dann mit der Zeit viel langsamer ausdehnt. Bildnachweis: Ute Kraus, Fachgruppe Physik Kraus, Universität Hildesheim.

Könnte unser Universum aus einem Schwarzen Loch entstanden sein?

Und könnte jedes Schwarze Loch, das unser Universum erschafft, selbst ein Baby-Universum hervorbringen?

„Der Mensch ist etwas, das überwunden werden muss. Der Mensch ist ein Seil zwischen Tier und Übermensch - ein Seil über einem Abgrund. Was im Menschen großartig ist, ist, dass er eine Brücke und kein Ende ist. ”-Friedrich Nietzsche

Wenn Sie so weit wie möglich in die Vergangenheit reisen, werden Sie ein Universum vorfinden, das heißer, dichter und energischer ist. Wenn Sie zurück zu einem beliebig heißen, dichten Zustand extrapolieren, brechen die Gesetze der Physik, die Raum, Zeit, Materie und Energie beschreiben, zusammen. Sie werden zu einer Singularität kommen. Aber eine Singularität ist auch genau das, was Sie finden, wenn Sie in einem Schwarzen Loch fliegen und zum endgültigen Ziel gelangen, an dem sich alle unfehlbare Materie und Energie ansammelt. Dies sind die einzigen Fälle in der gesamten Geschichte des Universums - Vergangenheit, Gegenwart und Zukunft -, in denen eine Singularität auftritt. Vielleicht sind die beiden miteinander verbunden? Es ist keine so verrückte Idee, wie Sie vielleicht denken.

Allgemeine Relativitätstheorie und Quantenmechanik leisten zusammen eine hervorragende Arbeit, um die Physik des Universums außerhalb eines Schwarzen Lochs zu beschreiben, wie wenn eine Gaswolke außerhalb des Ereignishorizonts auseinandergerissen wird. Um die Physik in oder nahe einer Singularität zu verstehen, ist jedoch eine Nachfolgertheorie wie die Quantengravitation erforderlich. Bildnachweis: ESO / MPE / Marc Schartmann.

Normalerweise unterliegt das Universum zwei Regeln: der Quantenmechanik für Teilchen und ihre elektromagnetischen und nuklearen Wechselwirkungen und der Allgemeinen Relativitätstheorie für Massen, Schwerkraft und die Krümmung der Raumzeit. Die Quantenmechanik sagt uns, dass alle Teilchen wellenartige Eigenschaften aufweisen und eine gewisse intrinsische Unsicherheit zwischen Position / Impuls und Energie / Zeit aufweisen. Insbesondere ist jedem massiven Partikel eine Wellenlänge zugeordnet: eine Compton-Wellenlänge, die erklärt, wie es bei Kollisionen streut. Wenn Sie die Wellenlänge eines Photons nehmen und über Einsteins E = mc ^ 2 in Masse umwandeln, erhalten Sie die Compton-Wellenlänge eines massiven Partikels.

Je größer die Masse eines Schwarzen Lochs ist, desto größer ist die Fläche seines Ereignishorizonts. Der hier abgebildete Quasar hat ein Schwarzes Loch mit 2 Milliarden Sonnenmassen. Könnte ein 4D-Schwarzes Loch mit ~ 10²⁵ Sonnenmassen oder mehr die Quelle unseres Universums sein? Bildnachweis: ESO / M. Kornmesser.

Ebenso können Sie die Masse eines Schwarzen Lochs nehmen und berechnen, wie groß sein Ereignishorizont ist: die Region, in der der Raum so stark gekrümmt ist, dass nichts, nicht einmal Licht, entweichen kann. Wenn Sie ein grundlegendes Teilchen nehmen und es immer massereicher werden lassen, würden Sie sehr schnell einen Punkt erreichen, an dem der Schwarzschild-Radius dieses Teilchens - ein Maß für seinen Ereignishorizont - größer als die Compton-Wellenlänge war: etwa 21 µg, oder Mikrogramm. Die Tatsache, dass Schwarze Löcher in unserem Universum viel massiver sind als dies, ist kein Problem. Es bedeutet einfach, dass die Gesetze der Physik, die wir kennen, an der Singularität zusammenbrechen, die wir im Zentrum berechnen. Wenn wir es jemals genau beschreiben wollen, brauchen wir eine Vereinigung der Quantentheorie mit der Allgemeinen Relativitätstheorie. Es wird eine Quantentheorie der Schwerkraft brauchen.

In einer Singularität bricht die konventionelle Physik zusammen, ganz gleich, ob es sich um den Beginn des Universums und die Geburt von Raum und Zeit handelt oder um den Mittelpunkt eines Schwarzen Lochs. Bildnachweis: © 2007–2016, Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik, Potsdam.

Nach heutigem Kenntnisstand können wir jedoch berechnen, was mit der Raumzeit innerhalb des Ereignishorizonts bis zur zentralen Singularität (jedoch ohne diese) geschieht. Überraschenderweise kann mit nur einer Koordinatentransformation der Raum innerhalb eines Schwarzen Lochs eins zu eins auf den Raum außerhalb eines Schwarzen Lochs abgebildet werden.

Indem Sie die Entfernungskoordinate außerhalb des Ereignishorizonts R mit einer inversen Koordinate innerhalb des Ereignishorizonts, r = 1 / R, zuordnen, erhalten Sie eine eindeutige 1-zu-1-Zuordnung des Raums. Bildnachweis: Wikimedia Commons-Benutzer Kes47 unter einer Lizenz von c.c.a.-s.a.-3.0.

Wir können aber auch berechnen, was genau an der Grenze des Ereignishorizonts passiert. Dies ist deshalb interessant, weil jeder Beobachter außerhalb des Schwarzen Lochs alle Informationen von den Partikeln sieht, die in das am Horizont kodierte Schwarze Loch fallen. Für die schwarzen Löcher unseres Universums, die sich in drei räumlichen Dimensionen bilden, kodiert diese zweidimensionale Oberfläche die gesamte Informationssuite dessen, was hineingefallen ist. Aus unserer Sicht ist die Singularität nicht „nackt“, was bedeutet, dass wir nicht sehen können es durch die Anwesenheit des Ereignishorizonts. Der Ereignishorizont wirkt wie eine schützende, undurchsichtige Umhüllung des Schwarzen Lochs.

Die Implosion eines massereich genug kollabierenden Sterns führt zur Bildung eines Ereignishorizonts, der zunächst schnell wächst, gefolgt von einem langsameren, stetigeren Wachstum, wenn Materie einfällt und die Zeit vergeht. Bildnachweis: Wikimedia Commons-Benutzer Cmglee, unter einer Lizenz von c.c.a.-s.a.-4.0.

Als sich das Schwarze Loch zum ersten Mal aus dem implodierenden und zusammenbrechenden Kern eines Sterns bildete, wurde der Ereignishorizont zuerst sichtbar, dehnte sich dann rasch aus und vergrößerte sich weiter, während immer mehr Materie einfiel. Wenn Sie ein Koordinatengitter erstellen würden Wenn Sie diese zweidimensionale Hülle betrachten, werden Sie feststellen, dass sie dort entstand, wo die Gitterlinien sehr eng beieinander lagen, sich dann schnell ausdehnte, als sich das Schwarze Loch bildete, und sich dann immer langsamer ausdehnte, während die Materie mit einer viel geringeren Geschwindigkeit einfiel. Dies entspricht zumindest konzeptionell dem, was wir für die Expansionsrate unseres dreidimensionalen Universums beobachten.

Eine grafische Darstellung der scheinbaren Expansionsrate (y-Achse) gegenüber der Entfernung (x-Achse) stimmt mit einem Universum überein, das sich in der Vergangenheit schneller ausdehnte, sich aber heute noch ausdehnt. Bildnachweis: Ned Wright, basierend auf den neuesten Daten von Betoule et al. (2014) über http://www.astro.ucla.edu/~wright/sne_cosmology.html.

Könnte unser Universum also nicht aus einer wahren Singularität entstanden sein, sondern aus der dreidimensionalen Hülle eines zusammenbrechenden, wachsenden vierdimensionalen Schwarzen Lochs? Die Perimeter Institute- und University of Waterloo-Forscher Niayesh Afshordi, Razieh Pourhasan und Robert Mann schlugen diese Idee bereits 2014 vor, und trotz ihrer besten Versuche konnten Wissenschaftler dieses Szenario nicht ausschließen. Während höhere Dimensionen möglicherweise außerhalb unserer Erfahrung liegen, könnten sie sehr wohl für unsere kosmischen Ursprünge verantwortlich sein.

Bedeutet das, dass jedes Mal, wenn ein supermassereicher Stern in einer Supernova vom Typ II zusammenbricht und ein zentrales Schwarzes Loch erzeugt, ein neues zweidimensionales Universum entsteht? So verrückt es auch klingt, die Antwort scheint vielleicht zu sein. Der Ereignishorizont muss nach unserem Verständnis die gesamte Informationssuite aller Partikel enthalten, die über die gesamte Geschichte in das Schwarze Loch gefallen sind. Die Oberfläche des Schwarzen Lochs hat genau die richtige Größe, um alle erforderlichen Informationen aufzunehmen, und nicht mehr.

Eine Akkretionsscheibe, Magnetfelder und Materialstrahlen befinden sich alle außerhalb des Ereignishorizonts des Schwarzen Lochs. Bei allem, was reinfällt, sind die Informationen permanent auf der 2D-Oberfläche des Ereignishorizonts eingeprägt. Bildnachweis: M. Weiss / CfA.

Könnte unser Universum die analoge Realisierung eines vierdimensionalen Schwarzen Lochs mit einem dreidimensionalen Ereignishorizont sein? Es ist eine Möglichkeit, die zu groß für uns ist, um sie nicht in Betracht zu ziehen, zu bewundern und sich zu wundern. Und vielleicht bringt es die Möglichkeit mit sich, dass wir in einem völlig neuen Universum für Äonen weiterleben würden, wenn wir in ein Schwarzes Loch fallen würden.

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