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Können Schwarze Löcher zu Weißen Löchern werden?
Was geschieht, wenn der Kollaps eines Schwarzen Lochs durch einen Rückprall der Materie endet? Ein neues theoretisches Modell beschreibt einen möglichen Wandel zum Weißen Loch, aus dem Materie wieder nach außen strömt. Dazwischen liegt eine kurze Phase ohne Horizont. Ob eine solche Entwicklung in der Natur vorkommt, ist bisher nicht nachgewiesen.
Toronto (Kanada). Bei einem Schwarzen Loch ist die Raumzeit so stark gekrümmt, dass aus einer gefangenen Region kein Licht nach außen entkommen kann. Die klassische Allgemeine Relativitätstheorie führt bei einem fortgesetzten Kollaps zur sogenannten Singularität, an der ihre Beschreibung der Raumzeit an Grenzen stößt.
Eine künftige Theorie der Quantengravitation könnte solche Singularitäten vermeiden. In manchen theoretischen Ansätzen erreicht die zusammenfallende Materie stattdessen eine maximale Verdichtung und prallt anschließend wieder nach außen zurück. Offen ist jedoch, wie sich dabei der Übergang von einem Schwarzen Loch zu seinem hypothetischen Gegenstück, einem Weißen Loch, mathematisch konsistent darstellen lässt.
Forscher der York University um Samantha Hergott haben ein zeitabhängiges mathematisches Modell entwickelt, das den Kollaps und anschließenden Rückprall von Materie in einer einzigen Raumzeitbeschreibung erfasst. Die darin vorgegebene Geometrie bleibt frei von einer zentralen Singularität und ist in großer Entfernung von der Materie näherungsweise flach.
Dazu verwendet das Team eine Funktion, die die räumliche Verteilung der Masse und ihren Fluss nach innen und außen beschreibt. Eine weitere zeitabhängige Größe wechselt beim Rückprall ihr Vorzeichen, wodurch aus einer zunächst eingefangenen Region später eine sogenannte antieingeschlossene Region entstehen kann. Diese kennzeichnet im Modell ein Weißes Loch, dessen Lichtstrahlen sich nach außen ausbreiten.
Die Berechnungen zeigen zunächst die Bildung eines Schwarzen Lochs mit einem inneren und einem äußeren Horizont. Beide Horizonte verschwinden, während die Materie ihren Rückprall durchläuft. Erst danach entstehen die Horizonte des Weißen Lochs, die ebenfalls nur für begrenzte Zeit bestehen.
Eine Besonderheit ist die kurze Zwischenphase, in der weder eine gefangene noch eine antieingeschlossene Region vorhanden ist. Die Materie bewegt sich in dieser Phase bereits wieder nach außen, ohne dass sie von einem der beiden Horizonte umgeben wird. Der Zustand lässt sich innerhalb des Modells als kurzlebiger Rest zwischen Schwarzem und Weißem Loch deuten.
Die beiden Regionen können in dieser Klasse glatter Raumzeitmodelle nicht an einem einzigen Punkt direkt ineinander übergehen. Dafür müsste die verwendete Umschaltfunktion abrupt springen, wodurch die mathematische Beschreibung ihre Glattheit verlöre. Der Abstand zwischen den Phasen ist deshalb nicht nur eine Besonderheit der gezeichneten Beispielkurven.
Der angenommene Rückprall geht mit ungewöhnlichen Eigenschaften der modellierten Materie einher. Vor allem in der Nähe des Rückpralls und der Horizonte wird eine sogenannte dominante Energiebedingung verletzt, die vereinfacht unter anderem einen höchstens lichtschnellen Energiefluss fordert. Die Energiedichte bleibt in der Rechnung dennoch überall positiv.
Entscheidend ist, dass die Raumzeitgeometrie gezielt konstruiert wurde und bislang nicht aus Bewegungsgleichungen einer ausgearbeiteten Quantengravitationstheorie folgt. Damit zeigt die Studie eine mathematisch mögliche Entwicklung, nicht aber, dass reale Schwarze Löcher tatsächlich zu Weißen Löchern werden. Auch ein beobachtbares Signal dieses Übergangs wurde noch nicht nachgewiesen.