Fraser „Asks a Spaceman“ Dr. Paul Matt Sutter – warum nennen wir den Urknall eine Singularität, wenn wir auch Schwarze Löcher Singularitäten nennen?
Das Universum ist voller Zufälle. Wie die Größe des Mondes und der Sonne am Himmel, obwohl sie so weit voneinander entfernt sind. Oder die Form des Pac-Man-Nebels oder des Zauberernebels. Oder wie in der Handlung von Force Awakens und jedem anderen Star Wars-Film sind die Zufälle überall.
Aber hier ist ein ziemlich seltsamer Zufall, der mit der Natur des Universums selbst zu tun hat. Folgen Sie mir hier.
Betrachten wir Schwarze Löcher, ein Thema, das wir auf diesem Kanal schon oft behandelt haben. Wenn Sie sich genug von unseren Videos angesehen haben, wissen Sie, dass ein Schwarzes Loch eine Region des Weltraums ist, in der Materie und Energie so dicht zusammengewürfelt wurden, dass die gravitative Fluchtgeschwindigkeit die Lichtgeschwindigkeit überschreitet.
Schwarzes Loch
Wir wissen nicht, wie groß Schwarze Löcher sind, aber es ist möglich, dass sie in eine unendlich dichte Region, die als Singularität bekannt ist, zerquetscht wurden.
Singularität, Singularität… wo haben wir dieses Wort schon einmal gehört? Abgesehen von Ray Kurzweil und seiner Crew von technologischen Singularitariern.
Dieses Wort taucht auf, wenn wir über die Entstehung des Universums sprechen; der Urknall. Am Anfang, vor 13,8 Milliarden Jahren, wurde alles im gesamten Universum in eine Region von unendlicher Dichte zerquetscht. Und dann, im Bruchteil einer Sekunde, dehnte sich alles nach außen aus.
Astronomen nennen diese Region unendlicher Dichte die Urknall-Singularität.
Das kann doch kein Zufall sein, oder? Es ist das gleiche Wort. Es ist das GLEICHE WORT!
War die Urknall-Singularität nur eine wirklich große Singularität eines Schwarzen Lochs? Ein Schwarzes Loch mit der gesamten Masse des Universums darin?
Ich gebe zu, diese Frage liegt etwas über meiner Gehaltsstufe. Um die Wissenschaft vollständig zu erklären, dachte ich, ich bringe einen Klingelton mit. Dr. Paul Matt Sutter ist Astrophysiker an der Ohio State University und am Astronomical Observatory of Triest.
Galaktisches Schwarzes Loch mit optischem Jet
Paul ist auf kosmische Leere spezialisiert und weiß auch viel über den Urknall und Schwarze Löcher. Ich habe Paul am Set seines Podcasts Ask a Spaceman erreicht und ihn direkt mit diesem Knaller beworfen.
Hey Paul, was ist der Unterschied zwischen der Singularität, die den Urknall bildete, und einer Singularität eines Schwarzen Lochs?
1. Ist das gesamte Universum von einem wirklich massereichen Schwarzen Loch ausgegangen?
Paul: Danke, Fraser. Wenn wir uns also Singularitäten ansehen, ist es wichtig, sich daran zu erinnern, was eine Singularität ist. Eine Singularität ist ein Ort von unendlicher Dichte, und das ist nicht wirklich eine Sache. Es bedeutet nur, dass die Mathematik, die wir verwenden, um das Ding zu beschreiben, zusammengebrochen ist. So wie unsere Antworten unendlich sind, wenn wir versuchen zu berechnen, was vor sich geht. Soweit wir wissen, passieren solche Dinge, diese Zusammenbrüche in der Mathematik, an zwei Stellen. Eine befindet sich im Zentrum eines Schwarzen Lochs, wo die Dinge so stark komprimiert werden, dass wir der Mathematik nicht mehr folgen können, und die andere Zeit befindet sich im sehr frühen Universum, wenn das gesamte Universum auf ein so winziges Volumen zerkleinert ist bei so hohen Dichten, dass wir der Mathematik nicht mehr folgen können. Das ist also das einzige, was sie gemeinsam haben – dass es eine Singularität gibt, was bedeutet, dass wir nicht mehr rechnen können.
Ein schwarzes Loch. Bildnachweis: NASA
Paul: Und obwohl sie gleich sind, sind sie sehr, sehr unterschiedlich. Eine Singularität eines Schwarzen Lochs ist ein Punkt in der Raumzeit – so wie Sie im Universum leben und zeigen können – es gibt eine Singularität wie dort drüben oder dort oder dort. Es ist ein Stück des Universums, das in das größere Universum eingebettet ist, während die Urknall-Singularität das gesamte Universum ist. Anders ist es, wenn das gesamte Universum auf so unglaublich hohe Dichten komprimiert ist, dass unsere Mathematik es nicht mehr verfolgen kann.
2. Warum ist das frühe Universum nicht einfach wieder zu einem Schwarzen Loch zusammengebrochen?
Paul: Oh, das ist eine sehr gute Frage, Fraser. Sie denken an diese unglaublich hohen Dichten im frühen Universum und fragen sich natürlich, warum es sich nicht einfach wie ein Schwarzes Loch verhält und zu einem unendlich dichten Punkt zusammenbricht – warum sich überhaupt die Mühe machen, sich auszudehnen? Und es ist wichtig, sich hier daran zu erinnern, wie unterschiedlich Schwarze Löcher vom frühen Universum sind. In beiden Fällen verwenden wir die allgemeine Relativitätstheorie – das sind die Gesetze der Gravitation – sie regeln die Gesetze dieser Systeme. Aber wir verwenden den gleichen Satz von Gleichungen in verschiedenen Szenarien. Wir verwenden sie, um verschiedene Dinge zu beschreiben. Ein Schwarzes Loch ist eine besondere Lösung von Einsteins Gleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie, und diese Lösung ergibt sich aus der Frage „Wenn ich da drüben eine Menge Zeug nehme und es auf unglaublich hohe Dichten komprimiere, was passiert dann?“ Die Antwort ist, dass Sie eine Singularität erhalten, die von einem Ereignishorizont umgeben ist. Das ist eine bestimmte Reihe von Lösungen für die Mathematik dieses Szenarios.
Black Hole schnappt sich Sternensnack
Paul: Aber im frühen Universum haben wir eine andere Lösung – wir haben etwas anderes im Gange. Es ist ein anderes Universum. Die Lösung des Schwarzen Lochs ist statisch – sie ist fest, sie ändert sich nicht mit der Zeit. Das ist eine Annahme in der Mathematik. Aber im frühen Universum ändern sich die Dinge. Es ist eine andere Reihe von Fragen, die wir versuchen zu beantworten, wenn wir die allgemeine Relativitätstheorie auf das frühe Universum anwenden: 'Wenn ich das ganze Universum gleichmäßig mit einer ganzen Menge Zeug fülle, was macht dann das ganze Universum?' Das ist eine andere Frage als die Frage, die wir zu Schwarzen Löchern stellen, und daher erhalten wir eine andere Antwort. Obwohl wir also diese unglaublich hohe Dichte haben, die mathematische Lösung, die sie beschreibt, weil wir die zeitliche Entwicklung des Universums beschreiben, erhalten wir andere Antworten als für die Bits des Schwarzen Lochs. Und wenn es um das frühe Universum geht – wenn man es gleichmäßig mit einem Haufen Zeug auffüllt und fragt, was zum Teufel mit dem Universum passiert, gibt es nur zwei Antworten. Entweder bewirkt der Stoff im Universum, dass der Stoff zusammenbricht und sich zusammenzieht, oder der Stoff im Universum bewirkt, dass sich das Universum ausdehnt. Und es hängt davon ab, woraus das Universum besteht, und es stellt sich praktischerweise heraus, dass das Universum aus dem Stoff besteht, der es ausdehnt. Es ist diese Zeitentwicklungskomponente, die hier wichtig ist – die den Unterschied zwischen dem, was im frühen Universum passiert, und dem, was in einem Schwarzen Loch passiert, ausmacht.
Die Konzeption dieses Künstlers illustriert eines der primitivsten bekannten supermassiven Schwarzen Löcher (zentraler schwarzer Punkt) im Kern einer jungen, sternenreichen Galaxie. Bildnachweis: NASA/JPL-Caltech
3. Könnten sich Schwarze Löcher im frühen Universum gebildet haben, weil es so hohe Dichten hat?
Paul: Oh ja, sehr clever, Fraser. Ich sehe, wohin du damit gehst. Bei unglaublich hohen Dichten fragen Sie sich, ob vielleicht ein kleines Stück des Universums abgeklemmt und ein Schwarzes Loch entstanden ist. Vielleicht in diesen frühen Mikrosekunden. Und warum konnte sich dieses Schwarze Loch nicht ausgedehnt haben, um den Rest des Universums zu verschlingen? Und hier geht es nicht um Dichte, sondern um Dichteunterschiede. Was ein Schwarzes Loch von mir unterscheidet, ist, dass es viel dichter ist als ich, oder zumindest hoffe ich es. Das macht es zu einem schwarzen Loch. Es ist viel dichter als seine Umgebung. Aber um dieses Schwarze Loch zu bilden, musste man ein bisschen zusätzliches Zeug wie in einer Tasche haben, wie eine zusätzliche Gaswolke oder einen Stern, mit etwas höherer Dichte als normal. Dann kann die Schwerkraft arbeiten und beginnen, mehr Material und mehr Material und mehr hineinzuziehen, und bauen und bauen, bis Sie den Gravitationskollaps bekommen, der zu einem Schwarzen Loch führt.
Paul: Aber im frühen Universum war alles einheitlich. Es gab keine Unterschiede in der Schwerkraft. Ja, es war eine unglaublich hohe Dichte, aber wenn man dorthin zurücktransportiert werden könnte und tatsächlich überleben könnte, würde man nirgendwo eine Anziehungskraft spüren, weil jede Richtung die gleiche Dichte hat. Du bist in alle Richtungen von der gleichen Menge Zeug umgeben – es gibt keine Schwerkraft. Das alles hebt sich gegenseitig auf. Es gibt also keine Möglichkeit für ein Schwarzes Loch, sich zu bilden, weil ein Punkt im Universum nicht dichter ist als jeder andere, sodass die gesamte Gravitation aufgehoben wird und Sie nichts bekommen. Kein Schwarzes Loch – sie kommen erst viel, viel später in der Evolution des Universums auf die Bühne, und zu diesem Zeitpunkt ist das Universum so groß, dass die Schwarzen Löcher die Gesamtentwicklung nicht beeinflussen können.
Top-Down-Darstellung eines Schwarzen Lochs
4. Im Moment dehnt sich das Universum aus – wird es eines Tages zusammenbrechen?
Paul: Ja, viele Astrophysiker und Kosmologen machen sich vor Jahrzehnten darüber Sorgen – wir dachten, ja, vielleicht dehnt sich das Universum jetzt aus, aber vielleicht ist ein bisschen zu viel drin – vielleicht wird diese Expansion verlangsamt, aufhören und dann umgekehrt, und dann würden wir in diesem massiven Big-Crunch-Szenario enden, dem Gegenteil des Urknalls.
Paul: Aber es stellte sich heraus, dass dunkle Energie hier ist und dunkle Energie beschleunigt die Expansion des Universums, also wird das Universum nicht nur jeden Tag größer und größer, es wird jeden Tag schneller und schneller. Und das, na ja, das ist irgendwie scheiße.
Das klingt ziemlich offen und geschlossen, aber hinter dieser Reise steckt noch mehr. Wenn Sie die Masse und Energie des gesamten Universums nehmen und es in ein Schwarzes Loch verwandeln, hätte es fast die gleiche Dichte wie das Universum selbst und einen Ereignishorizont, der größer ist als der des beobachtbaren Universums.
Bedeutet das, dass wir tatsächlich in einem Schwarzen Loch leben? Könnten wir den Unterschied erkennen?
Podcast (Audio): Herunterladen (Dauer: 5:13 – 4,8 MB)
Abonnieren: Apple-Podcasts | RSS
Podcast (Video): Herunterladen (Dauer: 5:35 — 66,3 MB)
Abonnieren: Apple-Podcasts | RSS
