Gravasterne

Im Zentrum des Schwarzen Lochs ist die ursprüngliche Materie zu einem unfassbaren Zustand zusammengequetscht: Zu einem ringförmigen Punkt unendlich kleiner Ausdehnung und unendlich hoher Dichte! Die Krümmung der Raumzeit in dieser Singularität ist unendlich hoch, so dass Raum und Zeit dort aufhören zu existieren.

Physikern sträuben sich die Nackenhaare, wenn sie mit Unendlichkeiten rechnen müssen. In unserem Universum sind unendliche Größen nämlich äußerst selten! So ist es kein Wunder, dass man immer wieder nach Auswegen sucht, um den höchst unbequemen Zustand der Singularität zu umgehen. Stephen Hawking beispielsweise schlägt als Alternative zum Urknallmodell die Entstehung des Kosmos aus einem unbestimmten Quantenzustand vor, nach dem in einem Multiversum (auch Hyperraum gennant) unzählige Universen aus Fluktuationen entstehen. Paul Steinhardt entwickelte das Ekpyrotische Universum. Demnach entstand das All durch eine Kollision zweier so genannter Brane, dreidimensionaler Gebilde, die in eine fünfdimensionale Raumzeit eingebettet sind. Nicht zuletzt soll die zukünftige Theorie der Quantengravitation die Singularität insofern vermeiden, als die Masse in einem Raum endlicher Ausdehnung - im Bereich der Planck- Skala von 10^-35 m - enthalten ist.

Emil Mottola vom Los Alamos National Laboratory und  Pawel Mazur von der University of South Carolina schlugen das Modell völlig neuartiger Himmelskörper vor, die eine ernsthafte Alternative zur Singularität eines Schwarzen Lochs darstellen könnten. Sie nannten diese Objekte QBHO (Quasi Black Hole Object) oder Gravastern (Eine Zusammensetzung aus Gravitation, Vakuum und Stern).

Was ist nun solch ein Gravastern und wie entsteht er? Genau wie ein Schwarzes Loch bildet sich ein Gravastern aus einem kollabierenden massereichen Stern. Am Ende steht jedoch nicht die Singularität, sondern eine Blase, die von einer dünnen Materieschale umgeben ist. Wie genau dieser Bildungsprozess abläuft, weiß bis jetzt noch niemand. Bevor sich jedoch beim kollabierenden Stern der Ereignishorizont ausbilden kann, durchläuft die nun schon stark gekrümmte Raumzeit einen (Quanten-)Phasenübergang. Es entsteht ein so genanntes gravitatives Bose-Einstein- Kondensat (GBEK). Allgemein ausgedrückt, verhalten sich in einem Bose-Einstein- Kondensat die Atome wie ein einziges großes, da alle dieselben Quanteneigenschaften annehmen. Die Raumzeit im kollabierenden Stern ist durch ihre starke Krümmung sehr energiereich und geht nun in das neuartige GBEK über. Nach vollzogenem Phasenübergang bildet sich in dem Bereich, der dem Ereignishorizont eines Schwarzen Lochs entspricht, eine sehr dünne, extrem niederenergetische und deshalb kalte Materieschale aus einem Quantenkondensat. Ihre Temperatur liegt nur minimal über dem absoluten Nullpunkt, so dass keine Strahlung emittiert wird. Daher sind Gravasterne prinzipiell schwarz wie ein Schwarzes Loch. Das eigentliche GBEK bildet das Innere des Gravasterns, und nun wird es ziemlich exotisch: Dieses Innere ist eine Vakuum- Blase mit positiver kosmologischer Konstante. Das bedeutet, dass sie gravitativ abstoßend wirkt! Dieses Vakuum, das nichts anderes als die geheimnisvolle Dunkle Energie ist, erzeugt einen nach außen gerichteten Druck und stabilisiert so die äußere Schale, während diese für das innere Vakuum verantwortlich ist.

Die Schale des Gravasterns ist wie schon erwähnt sehr dünn, sie hat nur eine Ausdehnung im Bereich der Plancklänge, das entspricht unvorstellbaren 10^-35 m. Der Hauptanteil der Masse des Sterns besteht, so seltsam das auch klingt, aus der materiefreien Blase des besonderen Vakuums.

Eigentlich sind Schwarze Löcher und Gravasterne recht simpel aufgebaut. Hier sehen wir ein einfaches, nicht rotierendes Schwarzes Loch (Schwarzschild- Lösung, in Wirklichkeit rotieren sie aber, die Singularität ist dann ringförmig, entsprechend der Kerr- Lösung der Einsteinschen Feldgleichung). Die punktförmige Singularität, in der alle Masse vereinigt ist, befindet sich im Zentrum. In einer bestimmten Entfernung davon liegt der Ereignishorizont, an dem die Fluchtgeschwindigkeit gleich der Lichtgeschwindigkeit ist. Daher kann nichts von hier entweichen, nicht einmal Licht - Schwarze Löcher sind tatsächlich schwarz! Gravasterne bestehen aus einer Vakuum- Blase mit antigravitativer Wirkung und einer hauchdünnen umgebenden Schale. Sie bilden keinen Ereignishorizont aus, daher können Photonen aus dem Innern entweichen. Diese unterliegen allerdings der gravitativen Rotverschiebung, wodurch sie extrem energiearm werden (die Wellenlängen werden stark vergrößert).

Die Entweichgeschwindigkeit liegt bei einem Gravastern stets knapp unterhalb der Lichtgeschwindigkeit, weshalb wie gesagt Photonen entweichen können. Was aber geschieht im umgekehrten Fall, wenn Photonen oder Materie auf einen Gravastern treffen? Wir müssen uns fragen, ob diese dann auch wie bei einem Schwarzen Loch einfach verschluckt werden. Genaues darüber weiß man leider noch nicht. Es könnte aber sein, dass die eindringende Materie ebenfalls einem Phasenübergang unterworfen wird und im Innern Teil des Bose- Einstein- Kondensats wird. Hierdurch wird der Radius des Gravasterns anwachsen, wie auch durch Materieakkretion der Horizont eines Schwarzen Lochs anwächst. Das allerdings wäre für die beobachtenden Astronomen bitter, denn die Materie würde wie beim Schwarzen Loch einfach verschluckt, ohne dass es etwas zu sehen gäbe. Ein Gravastern wäre damit eine Art Materieumwandler, denn er würde normale (="baryonische") Materie in Dunkle Energie umformen.

Gravasterne lassen sich aufgrund der bisherigen astronomischen Beobachtungen von Schwarzen Löchern nicht unterscheiden, denn beide verhalten sich außerhalb einer bestimmten Distanz vom Ereignishorizont identisch. Könnte man die Beobachtung jedoch nah genug an den Horizont heranbringen, sollten sich Gravasterne durch einen höheren Energieausstoß bei der Akkretion von Materie verraten.
Denkbar ist auch, dass einfallende Photonen an der Phasengrenze reflektiert werden (ähnlich wie z.B. Licht beim Übergang von Luft in Wasser teilweise reflektiert wird), was vor allem auf extrem kurze Wellenlängen zutreffen könnte. Gravasterne sollten dann im Gammabereich beobachtbar sein.

Wie es scheint, müssen Gravasterne sehr exotische Objekte sein und es ist fraglich, ob man jemals deren tatsächliche Existenz nachweisen wird. Dieselben Zweifel hatte allerdings vor vielen Jahren auch ein junger Physiker namens Einstein, der nicht so recht daran glauben mochte, dass es in der Tat Punkte von unendlicher Dichte geben sollte, wie es ihm seine eigenen Rechnungen vorhielten. Heute finden wir Schwarze Löcher in fast jeder "Ecke" des Kosmos...

Die Hypothese der Gravasterne ist noch sehr jung. Bislang sind nur (mathematische) Lösungen für statische, also nicht rotierende Objekte gefunden. Wo aber bleibt der Drehimpuls des kollabierten Sterns, denn jeder Stern rotiert? Auch die Natur des neuen Quantenkondensats ist völlig ungeklärt. Sollte es aber gelingen, ein Kondensat mit den geforderten Eigenschaften zu finden, könnten Gravasterne die "Endprodukte" der Hypernovae sein und damit vielleicht auch verantwortlich für die Gamma- Bursts.
So gibt es noch viele Fragen zu klären, bis die Theorie handfeste Voraussagen machen kann, mit denen dann die beobachtenden Astronomen auf die Suche gehen können. Eine interessante und elegante Alternative zu den Singularitäten Schwarzer Löcher wären Gravasterne jedoch allemal.

Ausführliche Informationen zu Gravasternen finden Sie auf der Homepage von Andreas Müller.

© by Werner Kasper 2005