Seit Wissenschaftler zum ersten Mal die Existenz von Schwarzen Löchern in unserem Universum entdeckten, haben wir uns alle gefragt: Was könnte jenseits des Schleiers dieser schrecklichen Leere existieren? Darüber hinaus müssen sich Wissenschaftler seit der Einführung der Allgemeinen Relativitätstheorie fragen, was vor der Geburt des Universums – d. h. vor dem Urknall – existiert haben könnte.
Interessanterweise wurden diese beiden Fragen (in gewisser Weise) mit der theoretischen Existenz einer sogenannten Gravitationssingularität gelöst – einem Punkt in der Raumzeit, an dem die Gesetze der Physik, wie wir sie kennen, zusammenbrechen. Und obwohl es bei dieser Theorie noch Herausforderungen und ungelöste Fragen gibt, glauben viele Wissenschaftler, dass dies unter dem Schleier eines Ereignishorizonts und zu Beginn des Universums existierte.
Definition:
Wissenschaftlich gesprochen ist eine Gravitationssingularität (oder Raum-Zeit-Singularität) ein Ort, an dem die Größen, die zur Messung des Gravitationsfeldes verwendet werden, unabhängig vom Koordinatensystem unendlich werden. Mit anderen Worten, es ist ein Punkt, an dem alle physikalischen Gesetze nicht mehr zu unterscheiden sind, an dem Raum und Zeit keine miteinander verbundenen Realitäten mehr sind, sondern ununterscheidbar verschmelzen und keine eigenständige Bedeutung mehr haben.
Diese künstlerische Darstellung zeigt ein sich schnell drehendes supermassives Schwarzes Loch, das von einer Akkretionsscheibe umgeben ist. Quelle: ESA/Hubble, ESO, M. Kornmesse
Ursprung der Theorie:
Singularitäten wurden zuerst als Ergebnis von Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie , was zur theoretischen Existenz von Schwarzen Löchern führte. Im Wesentlichen sagte die Theorie voraus, dass jeder Stern, der über einen bestimmten Punkt seiner Masse hinausreicht (auch bekannt als der Schwarzschildradius ) würde eine so starke Gravitationskraft ausüben, dass sie kollabieren würde.
An dieser Stelle wäre nichts in der Lage, seiner Oberfläche zu entkommen, auch Licht nicht. Dies liegt daran, dass die Gravitationskraft die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum übersteigen würde – 299.792.458 Meter pro Sekunde (1.079.252.848.8 km/h; 670.616.629 mph).
Dieses Phänomen ist als die bekannt Chandrasekhar-Grenze , benannt nach dem indischen Astrophysiker Subrahmanyan Chandrasekhar, der es 1930 vorgeschlagen hat. Gegenwärtig wird angenommen, dass der akzeptierte Wert dieser Grenze 1,39 Sonnenmassen (dh das 1,39-fache der Masse unserer Sonne) beträgt, was auf satte 2,765 x . hinausläuft 1030kg (oder 2.765 Billionen Billionen Tonnen).
Ein weiterer Aspekt der modernen Allgemeinen Relativitätstheorie ist, dass es zur Zeit des Urknalls (d. h. des Anfangszustands des Universums) eine Singularität war. Roger Penrose und Stephen Hawking entwickelten beide Theorien, die versuchten zu beantworten, wie Gravitation Singularitäten erzeugen könnte, die schließlich zu den Penrose-Hawking-Singularitätssätzen verschmolzen.
The Big Bang Theory: Eine Geschichte des Universums, die von einer Singularität ausgeht und sich seitdem ausdehnt. Bildnachweis: grandunificationtheory.com
Laut Singularitätssatz von Penrose , die er 1965 vorschlug, tritt in einem Schwarzen Loch immer dann eine zeitähnliche Singularität auf, wenn Materie bestimmte Energiebedingungen erreicht. An diesem Punkt wird die Krümmung der Raumzeit innerhalb des Schwarzen Lochs unendlich, wodurch es zu einer gefangenen Oberfläche wird, in der die Zeit aufhört zu funktionieren.
Die Hawking-Singularitätssatz ergänzt durch die Feststellung, dass eine raumartige Singularität auftreten kann, wenn Materie gewaltsam auf einen Punkt komprimiert wird, was dazu führt, dass die Regeln, die die Materie bestimmen, zusammenbrechen. Hawking führte dies in der Zeit bis zum Urknall zurück, von dem er behauptete, es sei ein Punkt von unendlicher Dichte. Hawking revidierte dies jedoch später, um zu behaupten, dass die Allgemeine Relativitätstheorie zu Zeiten vor dem Urknall zusammenbricht und daher keine Singularität von ihr vorhergesagt werden könnte.
Einige neuere Vorschläge deuten auch darauf hin, dass das Universum nicht als Singularität begann. Dazu gehören Theorien wie Schleife Quantengravitation , das versucht, die Gesetze der Quantenphysik mit der Gravitation zu vereinen. Diese Theorie besagt, dass es aufgrund von Quantengravitationseffekten einen Mindestabstand gibt, über den hinaus die Gravitation nicht mehr weiter zunimmt, oder dass sich gegenseitig durchdringende Teilchenwellen Gravitationseffekte maskieren, die in der Ferne zu spüren wären.
Arten von Singularitäten:
Die beiden wichtigsten Arten von Raum-Zeit-Singularitäten sind als Krümmungs-Singularitäten und konische Singularitäten bekannt. Singularitäten können auch danach unterteilt werden, ob sie von einem Ereignishorizont abgedeckt werden oder nicht. Im ersteren Fall haben Sie die Krümmung und die konische; wohingegen Sie im letzteren Fall sogenannte nackte Singularitäten haben.
Eine Krümmungs-Singularität wird am besten durch ein Schwarzes Loch veranschaulicht. Im Zentrum eines Schwarzen Lochs wird die Raumzeit zu einem eindimensionalen Punkt, der eine riesige Masse enthält. Infolgedessen werden die Gravitation unendlich und die Raum-Zeit-Kurven unendlich, und die Gesetze der Physik, wie wir sie kennen, funktionieren nicht mehr.
Konische Singularitäten treten auf, wenn es einen Punkt gibt, an dem der Grenzwert jeder allgemeinen Kovarianzgröße endlich ist. In diesem Fall sieht die Raumzeit um diesen Punkt wie ein Kegel aus, wobei die Singularität an der Spitze des Kegels liegt. Ein Beispiel für eine solche konische Singularität ist eine kosmische Kette, eine Art hypothetischer eindimensionaler Punkt, von dem angenommen wird, dass er sich während des frühen Universums gebildet hat.
Und, wie erwähnt, gibt es die Naked Singularity, eine Art von Singularität, die sich nicht hinter einem Ereignishorizont verbirgt. Diese wurden erstmals 1991 von Shapiro und Teukolsky mithilfe von Computersimulationen einer rotierenden Staubebene entdeckt, die darauf hindeuteten, dass die Allgemeine Relativitätstheorie „nackte“ Singularitäten zulassen könnte.
In diesem Fall wäre sichtbar, was in einem Schwarzen Loch tatsächlich passiert (d. h. seine Singularität). Eine solche Singularität wäre theoretisch das, was vor dem Urknall existierte. Das Schlüsselwort ist hier theoretisch, denn es bleibt ein Rätsel, wie diese Objekte aussehen würden.
Im Moment bleiben Singularitäten und was tatsächlich unter dem Schleier eines Schwarzen Lochs liegt, ein Rätsel. Mit der Zeit hofft man, dass Astronomen Schwarze Löcher genauer untersuchen können. Es ist auch zu hoffen, dass Wissenschaftler in den kommenden Jahrzehnten einen Weg finden, die Prinzipien der Quantenmechanik mit der Schwerkraft zu verbinden, und dass dies weitere Aufschluss über die Funktionsweise dieser mysteriösen Kraft geben wird.
Wir haben viele interessante Artikel über gravitative Singularitäten hier bei Universe Today. Hier ist 10 interessante Fakten über Schwarze Löcher , Wie würde ein Schwarzes Loch aussehen? , War der Urknall nur ein Schwarzes Loch? , Auf Wiedersehen Urknall, hallo Schwarzes Loch? , Wer ist Stephen Hawking? , und Was ist auf der anderen Seite eines Schwarzen Lochs?
Weitere Informationen zur Singularität finden Sie in diesen Artikeln von NASA und Physlink .
Astronomy Cast hat einige relevante Episoden zu diesem Thema. Hier ist Folge 6: Mehr Beweise für den Urknall , und Folge 18: Große und kleine Schwarze Löcher und Folge 21: Fragen zum Schwarzen Loch beantwortet .
Quellen:
