Mikroskopische schwarze Löcher könnten durch eine Kristallisation des Raumzeitgefüges entstehen. Diese Idee stammt von Forschern, die mathematisch beschrieben haben, wie sich die Raumzeit in regelmäßige Muster umorganisieren kann, um diese Objekte hervorzubringen.
Einsteins allgemeine Relativitätstheorie lehrt uns, dass Masse die Raumzeit krümmt. Massereiche Objekte wie Sterne erzeugen eine starke Krümmung, aber selbst kleine Massen beeinflussen diese Struktur. In den ersten Augenblicken nach dem Urknall könnten Dichtefluktuationen eine plötzliche Umwandlung der Raumzeit ausgelöst haben, die sie in eine periodische Struktur „kristallisieren“ ließ, ähnlich wie flüssiges Wasser zu Eis wird.
Wenn unterkühltes Wasser gestört wird, erstarrt es augenblicklich. Ebenso kann eine winzige energetische Störung in einer Raumzeit, die sich nahe ihrem Kristallisationspunkt befindet, einen kritischen Kollaps auslösen. Die Forscher vergleichen diesen Prozess mit einem winzigen Impuls, der eine gewaltige Veränderung bewirkt, ohne dass dafür stellare Energie oder kataklysmische Verschmelzungen nötig sind.
Die so entstandenen schwarzen Löcher wären sehr klein, mit einer Masse vergleichbar der eines Asteroiden. Anders als ihre großen Verwandten wären sie jedoch extrem heiß und würden schnell Energie durch Hawking-Strahlung verlieren, wobei sie fast sofort verdampfen. Diese schnelle Verdampfung würde sie schwer nachweisbar machen, aber ihre Existenz könnte einige kosmische Rätsel erklären, wie etwa das der Dunklen Materie.
Eine große Überraschung für das Forschungsteam war die Einfachheit der Gleichungen, die diesen Raumzeitkristall beschreiben. Während frühere numerische Simulationen Tausende von Rechenstunden erforderten, lassen sich ihre Lösungen auf Papier in wenigen Zeilen darstellen, unter Verwendung nur elementarer mathematischer Funktionen. Dieses Ergebnis, veröffentlicht in der Zeitschrift
Physical Review Letters, eröffnet einen neuen Weg zum Verständnis der Entstehung schwarzer Löcher.
Diese schwarzen Löcher, falls es sie gibt, wären Überbleibsel des Urknalls. Ihre Entdeckung wäre ein großer Fortschritt, aber selbst ohne sie bleibt die Untersuchung des kritischen Kollapses wertvoll. Sie ermöglicht es, die Grenzen der allgemeinen Relativitätstheorie auszuloten und seltsame Verhaltensweisen der Raumzeit zu erforschen, wie den Übergang von einem kristallinen Zustand zu einem schwarzen Loch.
Nächster Schritt für die Wissenschaftler: ihre Vermutungen über das Verhalten dieser raumzeitlichen Kristalle zu überprüfen. Diese Arbeit zeigt, dass man mit etwas Vorstellungskraft und Mathematik Phänomene enthüllen kann, die ebenso seltsam wie elegant sind, ohne dabei die Bequemlichkeit eines Blattes Papiers verlassen zu müssen.
Raumzeitkristall: eine Analogie zu Eis
Ein Kristall ist ein Festkörper, dessen Atome regelmäßig und periodisch angeordnet sind. In einem Raumzeitkristall erhält der Rahmen selbst eine sich wiederholende Struktur. Der gewöhnliche dreidimensionale Raum könnte in einem Muster wellen, das sich in der Zeit wiederholt. Dies ähnelt einem Netz von Linien und Punkten, die die Geometrie des Universums organisieren.
Diese Idee ist von der Physik der kondensierten Materie inspiriert, wo plötzliche Phasenübergänge auftreten. Unterkühltes Wasser ist ein Beispiel: Es bleibt unter null Grad flüssig, aber eine einfache Vibration verwandelt es in Eis. Ebenso könnte sich eine Raumzeit in einem metastabilen Zustand befinden, bereit, unter dem Einfluss einer winzigen Störung zu kristallisieren.
Im Gegensatz zu gewöhnlichen Kristallen besteht der Raumzeitkristall nicht aus Materie, sondern aus der Struktur des Kosmos selbst. Seine Existenz hätte tiefgreifende Auswirkungen auf unser Verständnis der Gravitation und der ersten Augenblicke des Universums. Die Mathematik zeigt, dass solche Objekte exakte Lösungen der Einstein-Gleichungen sind, auch wenn ihre physikalische Realität noch zu beweisen ist.
Kritischer Kollaps: ein kosmischer Wendepunkt
Der kritische Kollaps ist ein Phänomen, bei dem ein System genau die Schwelle erreicht, die zur Bildung eines schwarzen Lochs erforderlich ist.
Im Fall von Raumzeitkristallen tritt der kritische Kollaps auf, wenn die periodische Struktur destabilisiert wird. Entweder zerstreut sie sich in Strahlung oder zieht sich zu einem winzigen schwarzen Loch zusammen. Dieser Prozess ist extrem empfindlich: Eine winzige Variation der zugeführten Energie kann das Schicksal des Systems ändern.
Dieser Mechanismus benötigt keine stellare Masse. Er könnte direkt nach dem Urknall stattgefunden haben, als das Universum dicht und heiß war. Die so entstandenen schwarzen Löcher wären primordial und könnten einen Teil der Dunklen Materie ausmachen. Ihre Existenz bleibt hypothetisch, aber ihre Untersuchung verfeinert unser Verständnis gravitativer Phasenübergänge.
Quelle: Physical Review Letters