Seltsamer „Raumzeitkristall", der plötzlich zu einem Schwarzen Loch wird

Seit Jahrzehnten wissen Wissenschaftler, dass Einsteins Relativitätstheorie es unter außergewöhnlichen Bedingungen ermöglicht, dass sich diese mikroskopischen Schwarzen Löcher bilden. Das Problem bestand darin, genau zu beweisen, wie dies geschieht. Nun haben Forscher der Goethe-Universität Frankfurt und der Wien einen bedeutenden Durchbruch erzielt.

Mit einem ungewöhnlichen mathematischen Ansatz haben sie die erste exakte Formel für einen Prozess abgeleitet, der als kritischer Kollaps bekannt ist – ein Phänomen, das sich an der Grenze zwischen gewöhnlicher Raumzeit und der Entstehung Schwarzer Löcher befindet.

Das Ergebnis liefert eine lang gesuchte analytische Erklärung für Verhaltensweisen, die zuvor lediglich Computersimulationen beobachtet wurden. Ein Raum und Zeit verborgener Wendepunkt Alltag knnen Systeme manchmal einen kritischen Punkt erreichen, an dem eine kaum wahrnehmbare nderung eine dramatische Transformation auslst.

Das Einfrieren ein bekanntes Beispiel.

Das Einfrieren ein bekanntes Beispiel. Manchmal reicht eine winzige, scheinbar unbedeutende Ursache, um einen riesigen und dramatischen Wandel auszulsen", sagt Prof. Daniel Grumiller. Nehmen Sie zum Beispiel flssiges Wasser bei null Grad Celsius (32 Grad Fahrenheit). Eine sehr kleine nderung gengt, um das Wasser gefrieren zu lassen.

Die Wassermolekle ordnen sich dann spontan in ein regelmiges Muster und bilden einen Eiskristall." Physiker glauben, dass auch die Raumzeit einen vergleichbaren bergang durchlaufen kann. Nach Einsteins Relativittstheorie formen Materie und Energie die Geometrie der Raumzeit.

Massive Objekte wie Sterne erzeugen starke Verzerrungen, whrend kleinere Objekte schwchere Effekte hervorrufen. Unter sehr spezifischen Bedingungen knnen sich diese Verzerrungen jedoch zu einer berraschend geordneten Struktur organisieren.

Was die Studie zeigt

Anstatt chaotisch zu bleiben, entwickelt die Raumzeit ein sich wiederholendes Muster, das Forscher als „Raumzeitkristall" bezeichnen. „Wir sagen, dass die Raumzeit durch Masse gekrümmt wird", erklärt Christian Ecker vom Institut für Theoretische Physik an der Goethe-Universität Frankfurt. „Große Objekte wie Sterne krümmen die Raumzeit stark – zum Beispiel können wir dies beobachten, wenn Lichtstrahlen durch massive Sterne abgelenkt werden.

Aber auch kleinere Massen erzeugen eine Raumzeitkrümmung, nur in geringerem Maße." Der seltsame Zustand zwischen Nichts und einem Schwarzen Loch Ein Raumzeitkristall nimmt in der Physik eine ungewöhnliche Position ein.

Er stellt einen empfindlichen Gleichgewichtspunkt zwischen zwei völlig unterschiedlichen Ausgangszuständen dar. „Dieser Raumzeitkristall ist ein sehr eigenartiges und faszinierendes Objekt", sagt Grumiller. „Er ist eine Art Zwischenzustand, ein instabiler Punkt, der sich in zwei verschiedene Richtungen entwickeln kann.

Technik, Energie und Einsatz

Er kann sich einfach wieder auflösen und hinterlässt gewöhnliche Raumzeit, gefüllt mit frei beweglichen Teilchen." Aber wenn eine winzige Menge Energie hinzugefügt wird, nimmt die Entwicklung einen völlig anderen Verlauf: das unauffällige Raumzeitkristall verwandelt sich in ein Schwarzes Loch.

Physiker bezeichnen dieses Schwellenverhalten als kritischen Kollaps. Er markiert die exakte Grenze zwischen einem System, das schädlichlos zerstreut, und einem, das zu einem Schwarzen Loch kollabiert. Eine Vorhersage, die drei Jahrzehnte auf eine Erklärung wartete.

Die Existenz des kritischen Kollapses erregte erstmals 1993 Aufmerksamkeit, als Computersimulationen ein überraschendes Muster aufzeigten. Unabhängig schien die Bildung Löchern nahe der kritischen Schwelle präzisen mathematischen Regeln zu. Die Entdeckung deutete darauf hin, dass sich hinter den Simulationen eine tiefere Theorie verbirgt.

Technik und Auswirkungen

Trotz jahrzehntelanger Bemühungen konnten Forscher jedoch keine exakte mathematische Beschreibung ableiten. Diese Herausforderung wurde nun überwunden. Der Durchbruch ergab sich aus einem Blick auf das Problem auf eine Weise, die zunächst kontraintuitiv erscheint: durch die Erhöhung der Dimensionenzahl.

Warum unendlich viele Dimensionen die Physik vereinfachen können „Unser Universum hat vier Dimensionen – drei Raumdimensionen und eine Zeitdimension", erklärt Christian Ecker. „Im Prinzip steht uns jedoch nichts Weg, physikalische Gleichungen für eine größere Anzahl – fünf Dimensionen, vierundzwanzig Dimensionen oder sogar unendlich viele." Obwohl das Hinzufügen ächst den Eindruck erweckt, die Mathematik unmöglich zu komplizieren, kann das Gegenteil eintreten.

Bestimmte Eigenschaften der Gravitation werden deutlich einfacher, wenn Physiker sie Grenzfall unendlich vieler Dimensionen untersuchen. Durch die Lösung des Problems in diesem hypothetischen Setting konnten die Forscher mathematische Zusammenhänge aufdecken, die in gewöhnlicher vierdimensionaler Raumzeit verborgen blieben.

Technik und Auswirkungen

Die nächste Herausforderung besteht darin, diese Erkenntnisse in realistische Modelle unseres Universums zurückzuführen. Gelingt dies, könnte der Ansatz zu einem leistungsfähigen neuen Werkzeug für die Untersuchung einiger der schwierigsten Probleme der Gravitationsphysik werden. „Unsere Methode erweist sich als bemerkenswert stabil.

Je nach gewünschter Genauigkeit können wir unsere Formeln systematisch durch zusätzliche Näherungsverfahren verbessern", sagt Florian Ecker. „Damit verfügen wir über ein neues Verfahren zur Untersuchung änomenen, die zuvor nicht analytisch analysiert werden konnten." Referenz: „Analytic Discrete Self-Similar Solutions Einstein-Klein-Gordon Large D", Florian Ecker und Daniel Grumiller, 12.

Mai 2026, Physical Review Letters. DOI: 10.1103/qgl5-5l3t