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Schwarzes Loch kann sich vom Bosonenfeld lösen und einen Stern zurücklassen
Numerische Simulationen zeigen, dass Schwarze Löcher mit besonders ausgeprägtem Bosonenhaar ihren Platz im Zentrum des umgebenden Feldes verlieren können. In zwei theoretischen Modellen trennt sich der Horizont von der skalaren Materie, wobei in einem Fall ein Bosonenstern zurückbleibt. Das spricht gegen die Stabilität solcher extrem haarigen Konfigurationen, belegt aber noch keinen universellen Zerfallsweg.
Aveiro (Portugal). Schwarze Löcher gelten in der klassischen Beschreibung als erstaunlich einfache Objekte, denn im Kerr-Modell reichen im Wesentlichen Masse und Drehimpuls zur Charakterisierung aus. Erweiterte Modelle der Allgemeinen Relativitätstheorie erlauben jedoch zusätzliche Felder außerhalb des Ereignishorizonts. Solche makroskopischen Freiheitsgrade werden bildhaft als „Haar“ bezeichnet.
Ein besonders interessantes Beispiel ist bosonisches Haar aus einem skalaren Feld. Durch Superradianz kann ein rotierendes Schwarzes Loch Energie und Drehimpuls an ein solches Feld übertragen. Unter passenden Bedingungen synchronisiert sich das Feld mit der Rotation des Horizonts, sodass ein „Gravitationsatom“ aus Schwarzem Loch und gebundener bosonischer Materie entsteht.
Forscher der Universidade de Aveiro (UA) haben nun mit numerischer Relativität untersucht, was mit besonders haarigen Varianten dieser Systeme geschieht. In diesem Grenzfall steckt nur ein kleiner Horizont in einem viel massereicheren Bosonenstern. Bei den rotierenden Lösungen ist dessen skalare Energiedichte ringförmig verteilt. Das Schwarze Loch sitzt zunächst im Zentrum dieses Torus.
Schon ein vereinfachtes Gravitationsmodell deutet darauf hin, dass diese Lage instabil ist. Im Zentrum eines massereichen Rings herrscht zwar Kräftegleichgewicht, doch eine kleine seitliche Verschiebung verstärkt sich. Der Horizont fällt in den vollständigen Simulationen nicht einfach radial. Durch die Rotation bewegt er sich auf einer nach außen wachsenden Spiralbahn durch das skalare Feld.
Bei der detailliert untersuchten Konfiguration trifft der Horizont schließlich auf Regionen hoher Felddichte. Dabei zerstört er die torusförmige Struktur und nimmt den größten Teil des Skalarfelds auf. Der Anteil der skalaren Energie sinkt in der Simulation von rund 88 auf 5,5 Prozent, während der Großteil der ursprünglichen Feldenergie in das Schwarze Loch übergeht.
Nach diesem Umbau ähnelt das verbleibende Objekt wieder stark einem gewöhnlichen Schwarzen Loch des Kerr-Typs. Der dimensionslose Spin des Horizonts liegt am Ende bei etwa 0,63. Ganz abgeschlossen ist die Entwicklung damit wahrscheinlich nicht, weil das nahezu kahle Schwarze Loch durch Superradianz erneut kleinere Mengen skalaren Haars aufbauen kann.
Wie schnell die Instabilität wirkt, hängt vom Anteil des Haars ab. In einer untersuchten Konfiguration mit bereits dominanter Lochmasse blieb die Bewegung des Horizonts während der simulierten Zeit unterhalb einer physikalisch relevanten Größe. Damit ist nicht jedes Schwarze Loch mit synchronisiertem Haar automatisch von demselben schnellen Zerfall auf den untersuchten Zeitskalen betroffen.
Das Team hat die Idee deshalb an einem verwandten Modell geprüft. Dort ist das Schwarze Loch statisch und elektrisch geladen, während ein ebenfalls geladenes skalares Feld resonant an den Horizont gekoppelt ist. Sehr haarige Lösungen lassen sich hier als kleiner Horizont innerhalb eines großen, annähernd kugelförmigen geladenen Bosonensterns verstehen.
Auch in diesem Modell verlässt der Horizont den zentralen Gleichgewichtspunkt und wird schließlich vollständig aus der skalaren Umgebung ausgestoßen. Anders als im rotierenden Fall bleibt ein oszillierender Bosonenstern zurück, der sich mit entgegengesetztem Impuls bewegt. Die Simulation zeigt damit eine räumliche Aufspaltung in einen nahezu haarlosen Horizont und ein separates bosonisches Objekt.