A wormhole with two black holes

Die kosmische Klempnerarbeit: Eine Reise in das Gefüge der Raumzeit

Stellen Sie sich das Universum nicht als eine flache, leere Bühne vor, sondern als einen dehnbaren, dreidimensionalen Stoff. Dies ist der Spielplatz von Einsteins Gravitationstheorie, in dem massive Objekte wie Sterne und Schwarze Löcher wie schwere Bowlingkugeln wirken, die den Stoff um sie herum krümmen. Normalerweise denken wir bei diesem Stoff an ein einzelnes, kontinuierliches Tuch. Aber was wäre, wenn man dieses Tuch falten und zwei ferne Punkte miteinander vernähen könnte? Man würde eine Abkürzung schaffen, einen Tunnel durch Raum und Zeit, bekannt als „Wurmloch“. Während die Science-Fiction diese Tunnel für Reisen in Sekundenschnelle liebt, ist die echte Physik viel strenger. Um ein Wurmloch offen zu halten, benötigt man typischerweise „exotische“ Materie – Materie, die nach außen drückt, statt nach innen zu ziehen, und damit die üblichen Regeln der Gravitation trotzt. Einige Physiker fragen sich jedoch, ob die Natur einen listigen Weg finden könnte, diese Tunnel nur mit den Standardregeln der Gravitation zu bauen, indem sie die Seltsamkeit vielleicht in dünnen, unsichtbaren Linien der Spannung, sogenannten „kosmischen Strings“, verbirgt. Das Verständnis dieser theoretischen Strukturen hilft uns, die Grenzen unserer physikalischen Gesetze zu testen: Wo brechen sie ab, und welche bizarren Formen kann das Universum tatsächlich annehmen?

Die Entdeckung des Autors: Ein Doppel-Schwarzes-Loch-Wurmloch

In dieser Arbeit untersucht der Physiker Gérard Clément eine sehr spezifische, mathematische Lösung der Einsteinschen Gleichungen – ein Satz von Regeln, die beschreiben, wie Gravitation in einem Vakuum funktioniert, was bedeutet, dass keine gewöhnliche Materie vorhanden ist. Er hat ein Modell eines Wurmlochs konstruiert, das sowohl stationär (es verändert sich nicht mit der Zeit) als auch gefüllt ist mit einem überraschenden Paar an Gästen: zwei Schwarze Löcher, die in dieselbe Richtung rotieren und sich auf gegenüberliegenden Seiten des Tunnels befinden.

Stellen Sie sich dieses Wurmloch wie eine kosmische Sanduhr vor. Der engste Teil in der Mitte ist der „Hals“, der zwei separate Universen (oder zwei ferne Regionen desselben Universums) verbindet. Normalerweise würden zwei Schwarze Löcher, wenn man sie nahe beieinander platziert, entweder zusammenstoßen oder auseinanderfliegen. Um sie in einer statischen Position im Gleichgewicht zu halten, benötigt man oft eine „Stütze“ (einen starren Stab) oder einen „Misner-String“ (eine seltsame, unsichtbare Linie der Spannung), um sie an ihrem Platz zu halten. Clément's Lösung ist einzigartig, weil diese beiden Schwarzen Löcher nicht durch eine solche Stütze oder einen solchen String miteinander verbunden sind. Stattdessen sind sie an den fernen Enden des Wurmlochs an zwei semi-unendlichen kosmischen Strings „aufgehängt“.

Stellen Sie sich das Wurmloch wie eine Brücke zwischen zwei Klippen vor. Die beiden Schwarzen Löcher sind wie schwere Laternen, die auf der Brücke sitzen. Anstatt miteinander verbunden zu sein, ist jede Laterne an einem langen, unsichtbaren Seil aufgehängt, das zu der Klippe auf ihrer Seite hinaufreicht. Diese Seile sind die kosmischen Strings. Interessanterweise können diese Strings eine „Spannung“ besitzen, die entweder positiv (festziehend wie ein normales Seil) oder negativ (nach außen drückend) ist, je nachdem, welche spezifischen Zahlen Clément in seinen Gleichungen verwendet. Dieser Aufbau ermöglicht es den Schwarzen Löchern, in einem Gleichgewicht zu hängen, ohne sich zu berühren.

Diese kosmische Konstruktion bringt jedoch einige ernsthafte Vorbehalte mit sich. Die Arbeit stellt fest, dass für fast alle möglichen Einstellungen der Parameter (die Zahlen, die Masse und Spin des Systems definieren) das Wurmloch eine „nackte Ring-Singularität“ enthält. Um dies zu visualisieren: Stellen Sie sich einen flachen, rotierenden Ring unendlicher Dichte vor, der genau in der Mitte des Halses des Wurmlochs sitzt. Im Gegensatz zu einem normalen Schwarzen Loch, das sein gefährliches Zentrum hinter einem Ereignishorizont (einem Punkt ohne Wiederkehr) verbirgt, ist dieser Ring „nackt“, was bedeutet, dass er dem restlichen Universum ausgesetzt ist. Die Arbeit zeigt, dass, wenn man auf einem Pfad (einer Geodäte) auf diesen Ring zu reist, die Reise dort einfach endet; der Pfad bricht abrupt ab.

Darüber hinaus erzeugt die Anwesenheit dieses nackten Rings eine Region, in der sich die Zeit seltsam verhält. Die Mathematik legt nahe, dass es in einem begrenzten Volumen dieses Wurmlochs „geschlossene zeitartige Kurven“ gibt. Einfacher ausgedrückt bedeutet dies, dass es Pfade durch den Raum gibt, die in der Zeit zu sich selbst zurückkehren, was theoretisch einem Objekt ermöglicht, in seine eigene Vergangenheit zurückzukehren. Während dies wie eine Zeitmaschine klingt, behandelt die Arbeit dies als eine mathematische Konsequenz der Lösung, nicht als ein praktisches Gerät.

Der Autor merkt auch einen speziellen, vereinfachten Fall an. Wenn ein spezifischer dimensionsloser Parameter in den Gleichungen exakt auf 1 gesetzt wird, verschwinden die kosmischen Strings vollständig (ihre Spannung wird Null) und die nackte Ring-Singularität verschwindet. In diesem sehr spezifischen Szenario vereinfacht sich die komplexe Wurmloch-Lösung und reduziert sich auf die bekannte Lösung für ein einzelnes rotierendes Schwarzes Loch (das Kerr-Schwarze-Loch). Aber für den allgemeinen Fall, der in der Arbeit beschrieben wird, ist das Universum ein viel seltsamerer Ort: ein Wurmloch, das zwei rotierende Schwarze Löcher hält, suspendiert durch kosmische Strings, mit einem gefährlichen, freiliegenden Ring unendlicher Dichte in seinem Zentrum, während es gleichzeitig die Möglichkeit von Zeitschleifen zulässt.

Diese Lösung ist eine mathematische Entdeckung, die dadurch gewonnen wurde, dass man eine bekannte Lösung, die einen „gravimagnetischen Dipol“ beinhaltet (ein System aus zwei Schwarzen Löchern, die durch einen Misner-String verbunden sind), nimmt und einen mathematischen Trick namens „analytische Fortsetzung“ anwendet, um den verbindenden String in die zwei aufgehängten Strings und den Wurmlochhals zu transformieren. Es handelt sich um ein theoretisches Modell, nicht um eine Beobachtung eines echten Objekts am Himmel, aber es bietet einen faszinierenden Einblick in die wilden Möglichkeiten, die die Gleichungen der Gravitation zulassen.