Nach Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie haben Schwarze Löcher nur drei beobachtbare Eigenschaften: Masse, Spin (Drehimpuls) und Ladung . Zusätzliche Eigenschaften oder, wie Physiker sie nennen, "Haare" existieren nicht.
Stellen Sie sich zur Erklärung der Idee eineiige Zwillinge vor. Sie haben den gleichen Genotyp, sie sind genetische Kopien, aber selbst solche Zwillinge unterscheiden sich in vielen Dingen: vom Temperament bis zur Frisur. Schwarze Löcher können nach Albert Einsteins Gravitationstheorie nur drei Eigenschaften haben: Masse, Spin und Ladung. Wenn diese Werte für zwei Schwarze Löcher gleich sind, sind sie identisch. Es ist unmöglich, sie voneinander zu unterscheiden. Schwarze Löcher haben keine Haare.
"Nach der klassischen allgemeinen Relativitätstheorie wären solche Schwarzen Löcher absolut identisch", bemerkt Paul Chesler , ein theoretischer Physiker an der Harvard University.
Wissenschaftler fragen sich jedoch, ob der Satz ohne Haare wahr ist. 2012 schlug der Mathematiker Stefanos Aretakis , damals an der Universität von Cambridge und jetzt an der Universität von Toronto, vor, dass einige Schwarze Löcher am Ereignishorizont Instabilitäten aufweisen könnten .
Instabilitäten würden einigen Teilen des Horizonts des Schwarzen Lochs eine stärkere Anziehungskraft verleihen als anderen. Es stellt sich heraus, dass in diesem Fall sogar identische Schwarze Löcher vorhanden sind unterscheidbar .
Die Aretakis-Gleichungen zeigten jedoch, dass dies nur für sogenannte extreme Schwarze Löcher möglich ist - solche, die den höchstmöglichen Wert für Masse, Spin oder Ladung haben. Und solche Schwarzen Löcher können laut Chesler in der Natur nicht existieren.
Angenommen, es gibt ein fast extremes Schwarzes Loch, das sich den Maximalwerten nähert, diese aber nicht erreicht. Ein solches Schwarzes Loch könnte zumindest theoretisch existieren. Würde das den Satz ohne Haare widerlegen?
Ein Ende Januar veröffentlichter Bericht hat gezeigt, dass dies möglich ist.
Darüber hinaus können terrestrische Gravitationswellendetektoren solche Haare aufnehmen.
"Aretakis schlug vor, dass noch einige Informationen am Horizont stehen", kommentierte Gaurav Hanna , Physiker an der University of Massachusetts und der University of Rhode Island, einer der Mitautoren der Studie.
Wissenschaftler spekulieren, dass Hinweise auf die Bildung eines Schwarzen Lochs oder spätere Störungen des Ereignishorizonts (z. B. Material, das in ein Schwarzes Loch fällt) zu einer Gravitationsinstabilität am oder in der Nähe des Ereignishorizonts des nahezu extremen Schwarzen Lochs führen können.
„Wir gehen davon aus, dass sich das von uns erfasste Gravitationssignal stark von gewöhnlichen Schwarzen Löchern unterscheidet, die nicht extrem sind“, sagt Hanna.
Wenn Schwarze Löcher Haare haben, bleiben einige Informationen über ihre Vergangenheit erhalten - dies wirkt sich auf das berühmte Informationsparadoxon der Schwarzen Löcher aus , das von Stephen Hawking formuliert wurde, wie Leah Medeiros , Astrophysikerin am Institute for Advanced Study in Princeton , feststellte .
Dieses Paradoxon zeigt einen grundlegenden Konflikt zwischen allgemeiner Relativitätstheorie und Quantenmechanik, den beiden Säulen der Physik des 20. Jahrhunderts.
Wenn wir eine der Bedingungen des Informationsparadoxons widerlegen, können wir das Paradoxon selbst lösen. Eine der Bedingungen ist der Satz ohne Haare.
Die Auswirkungen dieser Entdeckung werden erheblich sein. "Wenn wir beweisen können, dass die reale Raumzeit eines Schwarzen Lochs außerhalb des Schwarzen Lochs anders ist als erwartet, dann wird dies meiner Meinung nach einen großen Unterschied für die allgemeine Relativitätstheorie bedeuten", sagte Medeiros, Mitautor des Oktobers Bericht , der sich darauf konzentriert, ob die beobachtete Geometrie von Schwarzen Löchern mit den Annahmen übereinstimmt.
Der vielleicht aufregendste Teil der Studie ist jedoch, dass sie den Weg für die Kombination von Beobachtungen von Schwarzen Löchern und grundlegender Physik ebnet. Das Auffinden von Haaren an Schwarzen Löchern in den vielleicht extremsten astrophysikalischen Labors des Universums kann es ermöglichen, Ideen wie Stringtheorie und Quantengravitation auf eine Weise zu erforschen, die zuvor noch nie möglich war.
Es stellt sich heraus, dass Einsteins Gleichungen so komplex sind, dass wir jedes Jahr neue Eigenschaften entdecken.
Paul Chesler
"Eines der großen Probleme mit der Stringtheorie und der Quantengravitation ist, dass diese Annahmen schwer zu testen sind", sagt Medeiros. "Wenn wir also etwas haben, das auch aus der Ferne überprüft werden kann, ist es erstaunlich."
Es gibt jedoch auch ernsthafte Hindernisse. Es gibt keine Gewissheit über die Existenz fast extremer Schwarzer Löcher. Laut Chesler neigen die derzeit besten Modelle dazu, schwarze Löcher zu bilden, die sich um 30% von den Extremwerten unterscheiden. Und selbst wenn nahezu extreme Löcher existieren, ist nicht ganz klar, ob Gravitationswellendetektoren empfindlich genug sind, um Instabilität im Haar zu erkennen.
Darüber hinaus wird angenommen, dass das Haar extrem flüchtig ist und einen Bruchteil einer Sekunde dauert.
Aber der Bericht selbst sieht solide aus. "Ich glaube nicht, dass irgendjemand in der Gemeinde das bezweifelt", sagte Chesler.
Der nächste Schritt ist zu sehen, welche Signale wir mit Gravitationswellendetektoren erfassen werden: Wir arbeiten derzeit mit LIGO und Virgo zusammen, aber es werden neue Instrumente eingeführt, zum Beispiel LISA, ein gemeinsames Experiment der Europäischen Weltraumorganisation und der NASA Untersuchung von Gravitationswellen.
„Jetzt sollten wir uns auf ihre Arbeit verlassen und wirklich berechnen, wie häufig die Gravitationsstrahlung sein wird. Es ist wichtig zu verstehen, wie wir es messen und identifizieren können “, sagt Helvi Vitek , Astrophysiker an der Universität von Illinois, Urbana-Champaign.
Obwohl die Chancen, Haare zu finden, nicht so groß sind, würde eine solche Entdeckung Einsteins allgemeine Relativitätstheorie in Frage stellen und die Existenz nahezu extremer Schwarzer Löcher beweisen.
„Wir möchten gerne wissen, ob die Natur die Existenz eines solchen Tieres zulässt“, sagt Hannah.