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Kann ein Schwarzes Löcher können sich unter Extrembedingungen spalten?
Kosmische Umkehr: Schwarze Löcher können miteinander verschmelzen, eine Spaltung schien hingegen ausgeschlossen. Neue theoretische Analysen zeigen nun, unter welchen besonderen Voraussetzungen ein Schwarzes Loch zumindest aus thermodynamischer Sicht kleinere Ableger bilden könnte. Entscheidend sind etwa eine extreme Rotation, zusätzliche Raumdimensionen oder veränderte Gravitationsgesetze. Ob eine solche Teilung tatsächlich ablaufen kann, bleibt offen.
Neapel (Italien). Dass Schwarze Löcher bei Kollisionen zu einem größeren Objekt verschmelzen, ist durch Gravitationswellenmessungen belegt. Der umgekehrte Weg scheint im vertrauten Universum versperrt. Denn nach den Regeln von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie müsste sich dabei eine grundlegende Größe verringern: die Entropie, ein Maß für die Zahl möglicher Zustände eines Systems.
Bei einem nicht rotierenden Schwarzen Loch ist diese Entropie proportional zur Fläche seines Ereignishorizonts. Zugleich wächst sie mit dem Quadrat der Masse. Würde sich ein solches Schwarzes Loch in zwei kleinere mit derselben Gesamtmasse teilen, läge ihre gemeinsame Entropie unter der ursprünglichen. Das widerspräche dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik.
Aber gilt dieses Hindernis für alle Schwarzen Löcher? Ein internationales Physikerteam hat nun mehrere Grenzfälle mathematisch untersucht. Die Autoren verglichen idealisierte Zustände vor und nach einer möglichen Spaltung und prüften, ob die Entropie sowie die Erhaltung von Energie und Drehimpuls einen solchen Ausgang erlauben. Den eigentlichen Vorgang einer Teilung haben sie dabei nicht simuliert.
Im Raumzeitdiagramm würde eine solche Spaltung aussehen wie eine Hose: Aus dem gemeinsamen Horizont am Bund gingen im Verlauf der Zeit zwei getrennte Horizonte hervor, die den Hosenbeinen entsprechen. Auf diese geometrische Form spielt auch der Titel der Forschungsarbeit an.
Für rotierende Schwarze Löcher, sogenannte Kerr-Objekte, ist die Rechnung komplizierter. Ihre Entropie hängt nicht nur von der Masse, sondern auch vom Drehimpuls ab. Bei einer hypothetischen Teilung könnte ein Teil der Eigendrehung in die Umlaufbewegung zweier kleinerer Schwarzer Löcher übergehen. Dadurch würde die gemeinsame Entropie unter Umständen nicht abnehmen.
Doch das allein genügt nicht. Die Fragmente müssten außerdem genügend Energie besitzen, um sich voneinander zu entfernen, statt kurz darauf wieder verschluckt zu werden. Laut den Berechnungen widersprechen sich diese Anforderungen in der gewöhnlichen vierdimensionalen Raumzeit fast immer. Ein mögliches Schlupfloch bleibt nur bei Schwarzen Löchern mit nahezu maximalem Drehimpuls. Auch dort ist eine tatsächliche Spaltung bislang nicht nachgewiesen.
In Raumzeiten mit zusätzlichen Dimensionen können andere Formen Schwarzer Löcher entstehen. Dazu zählen lang gestreckte „Schwarze Strings“, deren Horizonte unter bestimmten Bedingungen instabil werden. Frühere numerische Simulationen haben gezeigt, dass solche Gebilde Einschnürungen entwickeln können. Diese bekannte Instabilität liefert ein Beispiel für eine mögliche Horizontteilung jenseits der vertrauten vierdimensionalen Raumzeit.
Auch in vier Dimensionen verändert sich die Rechnung, wenn die Gravitationsgesetze von Einsteins Beschreibung abweichen. Dann kann der Zusammenhang zwischen Masse, Horizontgröße und Entropie anders ausfallen. In einigen der untersuchten Modelle wäre eine Konfiguration mit einem großen und einem sehr kleinen Schwarzen Loch thermodynamisch günstiger als ein einzelnes Objekt derselben Gesamtmasse. Vor allem eine stark ungleiche Aufteilung eröffnet diesen Spielraum.
Ein weiterer Ansatz kommt sogar ohne veränderte Gravitationsgleichungen aus. Er betrachtet Horizonte, die durch besondere Materiezustände uneben werden. In einem superfluiden Kondensat aus Pionen, also subatomaren Teilchen, können sich Wirbelstrukturen ausbilden. Deren topologische Eigenschaften verändern dem Modell zufolge die Entropiebilanz so, dass bestimmte Spaltungsszen