Black holes with conical infinity in gravitational caloric theory

Seit Jahrhunderten ist die berühmteste Vorhersage von Einsteins Gravitationstheorie das Schwarze Loch: eine Region im Weltraum, die so dicht ist, dass nichts, nicht einmal Licht, ihrer Anziehungskraft entkommen kann. In der Standardversion dieser Theorie sind diese Objekte bemerkenswert einfach. Wenn man weiß, wie viel Masse sie enthalten, weiß man fast alles andere über sie; ihre Form ist perfekt kugelförmig, und der Raum um sie herum pendelt sich schließlich in einen flachen, ungebogenen Zustand ein, der sich bis in alle Ewigkeit erstreckt. Diese Einfachheit ist tröstlich, lässt aber eine Frage offen: Sind dies die einzigen möglichen Schwarzen Löcher, oder könnte es andere geben, die aus der Nähe betrachtet sehr ähnlich aussehen, sich aber in der Ferne anders verhalten? Um dies zu beantworten, erforschen Forscher Erweiterungen von Einsteins Theorie, indem sie neue Kraftfelder hinzufügen, die in den Anfängen des Universums existiert haben könnten oder die Art und Weise beeinflussen könnten, wie sich der Kosmos heute ausdehnt. Eine solche Idee, bekannt als gravitative kalorische Theorie, führt eine spezifische Art von Feld ein, das mit der Gravitation interagiert. Während diese Theorie bereits für ihre Auswirkungen auf das Universum als Ganzes untersucht wurde, haben sich Wissenschaftler lange gefragt, ob sie Schwarze Löcher zulässt, die sich von der Standardart unterscheiden, oder ob die Theorie erzwingt, dass alle Schwarzen Löcher exakt so aussehen wie die, die Einstein vorhergesagt hat.

Ein Team von Physikern der Beijing Normal University hat diese Frage nun angegangen, indem es die möglichen Formen von Schwarzen Löchern in dieser erweiterten Theorie kartiert hat. Sie haben nicht einfach Lösungen geraten oder zufällige Computersimulationen durchgeführt; stattdelt vielmehr die Gleichungen, die diese Objekte regeln, wie eine Karte einer Landschaft behandelt, indem sie jeden möglichen Pfad nachverfolgten, den ein Schwarzes Loch von seiner Oberfläche bis an den Rand des Universums nehmen könnte. Ihre Analyse zeigt, dass die Theorie tatsächlich Schwarze Löcher zulässt, die sich von der Standardart unterscheiden, jedoch mit einer sehr spezifischen und überraschenden Wendung. Diese neuen Schwarzen Löcher können direkt neben ihren Ereignishorizonten und sogar bis zur Skala unseres Sonnensystems fast identisch mit den vertrauten aussehen, doch in der Ferne enden sie in einer völlig anderen Geometrie. Anstatt dass der Raum in eine unendliche, flache Ebene übergeht, windet sich der Raum um diese Objekte in eine Kegelform.

Die Forscher fanden heraus, dass die Theorie eine präzise Beziehung zwischen ihren internen Parametern erfüllen muss, damit diese ungewöhnlichen Schwarzen Löcher existieren können. Wenn diese Bedingung erfüllt ist, teilt sich die Theorie in zwei unterschiedliche Möglichkeiten auf. Die erste ist das vertraute Schwarzschild-Schwarze Loch, das in großer Entfernung vollkommen flach ist. Die zweite ist eine neue Familie von Schwarzen Löchern, die besitzen, was die Autoren als „konische Unendlichkeit“ bezeichnen. Stellen Sie sich den Raum um ein Schwarzes Loch wie ein Stück Stoff vor. Für ein Standard-Schwarzes Loch liegt dieser Stoff in der Ferne vollkommen flach. Für diese neuen Schwarzen Löcher bleibt der Stoff lange Zeit flach, aber schließlich beginnt er sich zu verjüngen, als wäre ein Stück herausgeschnitten oder hinzugefügt worden, was dazu führt, dass der Stoff die Form eines Kegels annimmt, der sich ewig erstreckt. Diese Kegelform bedeutet, dass die Gesamtmenge an Raum, oder der „Raumwinkel“, am äußersten Rand des Universums von dem abweicht, was wir in einem flachen Universum erwarten würden. Er ist entweder etwas größer oder etwas kleiner als der Standardwert, je nach den spezifischen Einstellungen der Theorie.

Was diese Entdeckung besonders bemerkenswert macht, ist die Art und Weise, wie diese Objekte ihre wahre Natur verbergen können. Die Studie zeigt, dass diese konischen Schwarzen Löcher über einen enormen Entfernungsbereich hinweg von den Standard-Schrawnen Lochs ununterscheidbar bleiben können. Von der gewaltsamen Region unmittelbar außerhalb des Ereignishorizonts bis hin zu den Umlaufbahnen der Planeten in unserem Sonnensystem ist die Gravitation, die sie ausüben, nahezu identisch mit der eines normalen Schwarzen Lochs. Der Unterschied wird erst in gewaltigen, kosmischen Entfernungen deutlich. Der Punkt, an dem der Raum beginnt, sich in einen Kegel zu krümmen, hängt von der Stärke des neuen Feldes an der Oberfläche des Schwarzen Lochs ab. Wenn dieses Feld sehr schwach ist, findet der Übergang zur Kegelform erst sehr weit entfernt statt, wodurch die „neue Physik“ in einen Bereich gedrängt wird, der derzeit mit unseren Teleskopen unmöglich zu beobachten ist. Das bedeutet, dass ein Schwarzes Loch direkt in unserer Nachbarschaft sitzen könnte, das genau wie die uns bekannten aussieht und handelt, während es im Geheimen eine konische Struktur beherbergt, die sich bis in das tiefe Universum erstreckt.

Das Team untersuchte auch, ob diese Objekte natürlich entstehen könnten. Sie identifizierten einen spezifischen Pfad in ihrer mathematischen Landschaft, der den Ereignishorizont mit dieser konischen Unendlichkeit verbindet, und bewiesen damit, dass solche Lösungen mathematisch konsistent und stabil sind. Sie fanden heraus, dass der einzige Weg zu einem vollkommen flachen Universum am Ende der Linie darin besteht, ein völlig standardmäßiges Schwarzes Loch ohne jegliches zusätzliches Feld zu haben. Wenn auch nur eine Spur dieses neuen Feldes existiert, muss das Universum in einem Kegel enden. Dies schließt die Idee aus, dass diese Theorien leicht „haarige“ Schwarze Löcher erzeugen können, die in der Unendlichkeit flach sind; die Theorie erzwingt eine Wahl zwischen der vertrauten flachen Welt und dieser neuen konischen Welt. Die Forscher merkten zudem an, dass diese Lösungen zwar mathematisch fundiert sind, wir aber noch nicht wissen, ob die Natur sie tatsächlich erschafft. Zu bestimmen, ob ein kollabierender Stern natürlich eines dieser konischen Schwarzen Löcher bildet oder ob sie lediglich mathematische Kuriositäten sind, wird zukünftige Studien erfordern, die den gewaltsamen Prozess des Gravitationskollapses in Echtzeit simulieren.

Die Auswirkungen für die Art und Weise, wie wir die Gravitation testen, sind subtil, aber bedeutend. Da diese Schwarzen Löcher unsere lokale Nachbarschaft in Bezug auf Standard-Schwarze-Löcher so eng imitieren können, könnten traditionelle Tests der Gravitation, wie etwa die Messung der Planetenbahnen oder der Präzession von Sternen, sie möglicherweise nicht entdecken. Die Forscher berechneten, dass die winzigen Verschiebungen in den Planetenbahnen, die durch diese Objekte verursacht werden, unglaublich klein wären und mit heutiger Technologie wahrscheinlich zu gering messbar wären, es sei denn, der Übergang zur Kegelform geschieht relativ nah am Schwarzen Loch. Die Tatsache, dass solche Objekte jedoch möglich sind, deutet darauf hin, dass unser derzeitiges Verständnis der Gravitation in den extremsten, schwachen Feldern unvollständig sein könnte. Es öffnet die Tür zu einem Universum, in dem Schwarze Löcher nicht nur einfache, statische Sphären sind, sondern komplexe Objekte, die eine verborgene geometrische Signatur tragen, die darauf wartet, durch Beobachtungen der fernsten Bereiche des Weltraums enthüllt zu werden. Die Arbeit bestätigt, dass Einsteins Beschreibung zwar robust ist, es aber Raum für eine reichere Vielfalt kosmischer Strukturen gibt, die wir bisher noch nicht gesehen haben.