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Kollision zweier Wurmlöcher kann ein Schwarzes Loch schrumpfen lassen
Wenn zwei hypothetische Wurmlöcher aufeinandertreffen, könnten sie ein gemeinsames Schwarzes Loch bilden, dessen scheinbarer Horizont anschließend schrumpft. Das legen dreidimensionale Simulationen eines speziellen Wurmloch-Modells nahe. Die Begegnungen erzeugen zudem kurze Gravitationswellen-Ausbrüche statt des allmählich anschwellenden Signals, das für viele Verschmelzungen Schwarzer Löcher typisch ist.
Moskau (Russland). Wurmlöcher sind hypothetische Tunnel durch die Raumzeit, die weit voneinander entfernte Regionen miteinander verbinden könnten. Solche Strukturen sind als mathematische Lösungen der Allgemeinen Relativitätstheorie denkbar, wurden aber bisher nicht nachgewiesen. Besonders offen ist, ob zwei dieser Gebilde überhaupt lange genug bestehen könnten, um aufeinanderzutreffen.
Ein spezielles Modell, das Ellis-Bronnikov-Wurmloch, besitzt eine durchquerbare Engstelle, den sogenannten Hals. Offen gehalten wird sie durch ein hypothetisches skalares Feld mit negativer Energiedichte. Schon kleine Störungen können dieses Gleichgewicht jedoch zerstören, sodass sich der Tunnel entweder zu einem Schwarzen Loch zusammenzieht oder unkontrolliert ausdehnt.
Forscher um Nikita M. Shirokov vom Moscow Institute of Physics and Technology (MIPT) haben nun gemeinsam mit einem Mitautor untersucht, wie sich zwei solcher instabilen Raumzeittunnel gegenseitig beeinflussen. Dafür entwickelten sie dreidimensionale Computersimulationen auf Grundlage der Einsteinschen Feldgleichungen. Sie veränderten insbesondere Anfangsabstand, Bewegungsrichtung und Vorzeichen der Feldladungen.
Das exotische Feld verleiht den Wurmlöchern eine Art skalare Ladung. Im untersuchten Modell stoßen sich Wurmlöcher mit gleichem Ladungsvorzeichen ab, während sich entgegengesetzt geladene Paare anziehen. Die gemessene Stärke der Anziehung im Verhältnis zur Abstoßung betrug 1,462 ± 0,022 und lag damit nahe beim theoretisch erwarteten Wert von 1,5.
Anziehung allein führte allerdings nicht immer zu einer Kollision. Bei größerem Abstand oder seitlicher Annäherung konnten die Tunnel aneinander vorbeifliegen, während sich ihre Hälse stark aufweiteten. Für die Bildung eines gemeinsamen Schwarzen Lochs mussten sich bestimmte Paare bereits zu Beginn ausreichend nahe sein und schnell genug aufeinander zubewegen.
Bei einem simulierten Frontalzusammenstoß entstand um beide noch offenen Wurmlochhälse eine gemeinsame Grenzfläche, ein sogenannter scheinbarer Horizont. Er markiert auf einer betrachteten Raumzeitscheibe eine Fläche, an der auswärts gerichtete Lichtstrahlen nicht mehr auseinanderlaufen. Die beiden Wurmlöcher verschmolzen also nicht zu einem neuen durchquerbaren Tunnel, sondern wurden gemeinsam von einem Horizont umschlossen.
Im weiteren Verlauf verlor dieser Horizont rund 28 Prozent seiner anfänglichen Fläche. Ursache war im Modell das einfallende Phantomfeld mit negativer Energie, durch das die Masse im Inneren abnahm. Der Horizont näherte sich dabei dem eines gewöhnlichen Schwarzen Lochs mit entsprechender Restmasse an.
Das wirkt zunächst wie ein Widerspruch zu Hawkings Flächensatz, nach dem die Oberfläche eines Schwarzen Lochs unter bestimmten Voraussetzungen nicht schrumpfen darf. Dieser Satz setzt jedoch unter anderem geeignete Energiebedingungen voraus, die das hypothetische Feld verletzt. Außerdem berechnete das Team einen scheinbaren Horizont und nicht die globale Grenze eines Ereignishorizonts. Ein Verstoß gegen Hawkings Theorem ist deshalb nicht nachgewiesen.
Auch an den Gravitationswellen zeigte sich ein Unterschied zu gewöhnlichen Paaren Schwarzer Löcher. Diese erzeugen bei einer langen spiralförmigen Annäherung typischerweise ein immer schnelleres und stärkeres Wellensignal, das sogenannte Zirpen. Die simulierten Wurmloch-Paare hatten dagegen keine Zeit für viele Umläufe, weil ihre Hälse schon durch geringe Störungen kollabierten oder sich aufblähten.