Ein bekannter Defekt im Weltraum könnte von einem Schwarzen Loch nicht zu unterscheiden sein – bis er aus der Nähe betrachtet wurde (Bild: Pierre Heidmann / Johns-Hopkins-Universität)
Physiker haben festgestellt, dass ein seltsamer Defekt im Weltraum, der als topologisches Soliton bekannt ist, nicht von einem Schwarzen Loch zu unterscheiden sein könnte – bis es aus der Nähe betrachtet wird. Derzeit ist das Objekt eine rein „hypothetische mathematische Konstruktion“ des US-amerikanischen Forschungsteams und existiert daher möglicherweise nicht in unserem Universum. Sie sagten jedoch, die Tatsache, dass es möglich ist, es mit mathematischen Gleichungen zu konstruieren und zu simulieren, wie es in verschiedenen Maßstäben aussehen könnte, „legt nahe, dass es andere Arten von Himmelskörpern im Weltraum geben könnte, die sich selbst vor den besten Teleskopen der Erde verstecken“.
Die Studie wurde vom Physiker Dr. Pierre Heidmann von der Johns Hopkins University in Baltimore und seinen Kollegen durchgeführt.
Dr. Heidmann sagte: „Wir waren sehr überrascht. Das Objekt sieht aus wie ein Schwarzes Loch, aber aus seinem dunklen Fleck kommt Licht heraus.”
Die Studie der Forscher wurde durch die erste Entdeckung von Gravitationswellen im Jahr 2015 inspiriert, die durch die Kollision zwischen zwei Schwarzen Löchern erzeugt wurden.
Sie machten sich daran, die Möglichkeit anderer Objekte zu untersuchen, die ähnliche Gravitationseffekte wie Schwarze Löcher erzeugen könnten, aber von der Erde aus ähnlich aussehen würden.
Ein Schwarzes Loch ist eine Region der Raumzeit, die so durch Masse verzerrt ist, dass sich nicht einmal Licht ihrer Anziehungskraft entziehen kann (Bild: Express.co.uk)
Professor Ibrahima Bah, Co-Autor und Physikerkollege der Johns Hopkins University, sagte: „Wie würden Sie feststellen, ob Sie kein Schwarzes Loch haben?
„Wir haben keine gute Möglichkeit, das zu testen. Das Studium hypothetischer Objekte wie topologischer Solitonen wird uns dabei helfen, das ebenfalls herauszufinden.“
Als „topologisches Soliton“ oder „topologischer Defekt“ wird der Defekt bezeichnet, der zwischen zwei Strukturen oder Räumen auftritt, die so phasenverschoben sind, dass ein nahtloser Übergang zwischen ihnen unmöglich wird.
Ein alltägliches, wenn auch veraltetes Beispiel dieses Phänomens ist bei bestimmten schnurgebundenen Telefonen zu sehen, deren Handapparate über Spiralkabel verbunden sind.
Während sich diese Kabel normalerweise im Uhrzeigersinn aufwickeln, kann eine wiederholte Verwendung dazu führen, dass sich das Kabel in der Nähe des Hörers in die entgegengesetzte Richtung aufwickelt.
Wenn dies auftritt, bildet sich im Kabel zwischen den im Uhrzeigersinn und gegen den Uhrzeigersinn gewickelten Teilen des Kabels eine deutlich größere Schleife – dies ist ein Beispiel für ein topologisches Soliton.
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Abgebildet: ein Sternfeld ohne Gravitationslinseneffekt (Bild: Pierre Heidmann / Johns-Hopkins-Universität.)
Im Bild: Dasselbe Sternenfeld, aber durch die modellierte Gravitationslinse eines Schwarzen Lochs betrachtet (Bild: Pierre Heidmann / Johns-Hopkins-Universität.)
Abgebildet: wieder das Sternenfeld, aber jetzt durch die modellierte Linse eines topologischen Solitons (Bild: Pierre Heidmann / Johns-Hopkins-Universität)
In ihrer Studie erstellten die Forscher realistische Modelle sowohl eines topologischen Solitons im Weltraum als auch eines Schwarzen Lochs – und bestimmten, wie sie die Beobachtung von Licht beeinflussen würden, das von einem Sternenfeld hinter ihnen kommt.
Beide erzeugten aufgrund der Gravitationswirkung ihrer massiven Körper verzerrte Bilder von Sternen im Hintergrund.
Die Simulationen des topologischen Solitons ergaben ein Objekt, das aus der Ferne wie ein verschwommenes Foto eines Schwarzen Lochs erscheint – aus der Nähe jedoch völlig anders aussieht.
Laut dem Team würde ein topologisches Soliton das Raumzeitgefüge ähnlich wie ein Schwarzes Loch verzerren – aber im Gegensatz zu einem Schwarzen Loch würde es auch krabbeln und schwache Lichtstrahlen freisetzen, die dem Gravitationsschacht eines echten nicht entkommen könnten schwarzes Loch.
Dr. Heidmann erklärte: „Licht wird stark gebeugt, aber anstatt wie in einem Schwarzen Loch absorbiert zu werden, zerstreut es sich in irren Bewegungen – bis es an einem Punkt auf chaotische Weise zu Ihnen zurückkommt.
„Du siehst keinen dunklen Fleck. Man sieht viel Unschärfe, was bedeutet, dass das Licht wie verrückt um dieses seltsame Objekt kreist.“
Dank ihrer intensiven Gravitationsfelder ist Licht auch in der Lage, schwarze Löcher zu umkreisen, so wie die Erde um die Sonne kreist.
Innerhalb dieser Umlaufbahn befindet sich jedoch der „Ereignishorizont“ – die Region um ein Schwarzes Loch, aus der nichts, nicht einmal Licht, entkommen kann.
Auf Fotografien von Schwarzen Löchern erscheint diese Region als dunkler „Schatten“, der von einem leuchtenden Ring umgeben ist.
Letztere entsteht durch eine Kombination aus dem Strudel von Photonen, die den Ereignishorizont umkreisen, und der durch Reibung und Gravitation überhitzten Materialscheibe, die in das Schwarze Loch fällt.
Im Bild: Ein bekanntes Beispiel eines topologischen Solitons findet sich in alten, aufgerollten Telefonkabeln (Bild: Getty Imaged)
Physiker haben zuvor andere hypothetische astronomische Objekte modelliert, die ähnliche Gravitationseffekte erzeugen könnten.
Dazu gehören zum Beispiel „Gravasterne“, in denen ausreichend massereiche Sterne nicht zu einem punktförmigen Weltraum zusammenfallen würden, sondern stattdessen einen Phasenübergang im Weltraum bewirken würden, der einen weiteren Kollaps verhindert und eine sphärische Stimme bildet, die von superdichter Materie umgeben ist.
Ein anderes solches Objekt wäre ein Bosonenstern, der aus einer anderen Klasse von subatomaren Teilchen bestehen würde als die, die in normalen Sternen zu finden sind.
Laut Dr. Heidmann und seinen Kollegen berücksichtigt ihre neue Forschung jedoch einige der grundlegenden Theorien des Universums auf eine Weise, die die früheren Modelle nicht hatten.
Das neue Modell schafft es, sowohl Einsteins Konzept der Allgemeinen Relativitätstheorie (das betrifft, wie Objekte mit Masse das Gewebe der Raumzeit verzerren, um Gravitation zu erzeugen) als auch die Theorie der Quantenmechanik (die beschreibt, wie die Natur auf atomarer und subatomarer Ebene funktioniert) unter Verwendung der Stringtheorie in Einklang zu bringen .
Dies setzt voraus, dass das, was wir als Teilchen kennen, eher Schwingungen entlang eindimensionaler Objekte sind, die als „Strings“ bekannt sind, als punktförmige Objekte.
Dr. Heidmann sagte: „Dies sind die ersten Simulationen von astrophysikalisch relevanten Objekten der Stringtheorie, da wir tatsächlich den Unterschied zwischen einem topologischen Soliton und einem Schwarzen Loch charakterisieren können, als ob ein Beobachter sie am Himmel sehen würde.“
Prof. Bah schloss: „Das ist der Beginn eines wunderbaren Forschungsprogramms.
„Wir hoffen, dass wir in Zukunft wirklich neue Arten von ultrakompakten Sternen vorschlagen können, die aus neuen Arten von Materie aus der Quantengravitation bestehen.“
Die vollständigen Ergebnisse der Studie wurden zur Veröffentlichung in der Zeitschrift Physical Review D angenommen.