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Schwarze Löcher könnten ihren verborgenen Kern im Nachschwingen verraten
Obwohl das Zentrum Schwarzer Löcher hinter dem Ereignishorizont verborgen bleibt, könnte sich seine Beschaffenheit im Nachschwingen der Raumzeit verraten. Drei quantenphysikalisch inspirierte Modelle ergeben nun gegensätzliche Schwingungsmuster, bei denen entweder Frequenz und Nachklang zunehmen oder die Frequenz sinkt und das Signal schneller abklingt. Beobachtbar wären solche Abweichungen allerdings allenfalls bei extrem kleinen Schwarzen Löchern.
Abu Dhabi (Vereinigte Arabische Emirate). Im Zentrum eines klassischen Schwarzen Lochs führt Einsteins allgemeine Relativitätstheorie zu einer Singularität, an der die Beschreibung der Raumzeit versagt. Ob quantenphysikalische Effekte diese Grenze verändern oder sogar eine reguläre Kernregion entstehen lassen, ist eine offene Forschungsfrage.
Nach der Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher schwingt die Raumzeit des entstandenen Objekts für kurze Zeit nach und strahlt Gravitationswellen ab. Diese sogenannten quasnormalen Moden besitzen charakteristische Frequenzen und Abklingraten, die von der Geometrie außerhalb des Ereignishorizonts abhängen.
Forscher der Khalifa University of Science and Technology (KU) um Dr. Davide Batic haben in drei veröffentlichten theoretischen Arbeiten solche Schwingungen für unterschiedliche Schwarze-Loch-Modelle berechnet. Die jüngste Untersuchung vergleicht die Resultate und erweitert die Rechnungen bis zu einem Grenzfall, in dem zwei Horizonte eines Modells zusammenfallen.
Beim sogenannten Planckstern folgt aus der angenommenen Änderung der Gravitationsstärke ein dichter Kern, dessen Rand weiterhin eine Singularität auf einer Kugelfläche bildet. Bonanno-Reuter- und Hayward-Modelle besitzen dagegen einen glatten, nichtsingulären Kern und bei geeigneten Parametern einen inneren Horizont.
Das ist kein Nachweis für die tatsächliche Existenz solcher Objekte. Die Modelle beschreiben unterschiedliche hypothetische Formen der Raumzeit und sind nur bedingt unmittelbar vergleichbar, weil ihre Parameter nicht auf dieselbe physikalische Wirkung abgestimmt sind.
Die Unterschiede zeigen sich bereits bei der dominierenden gravitativen Schwingung. In der betrachteten extremen Hayward-Variante liegt ihre Frequenz rund 9,5 Prozent höher als beim klassischen Schwarzen Loch gleicher Masse, während ihre Dämpfungsrate um gut 22 Prozent sinkt. Das Signal klingt dadurch rechnerisch länger nach.
Beim nahezu extremen Bonanno-Reuter-Modell fällt der Frequenzanstieg mit rund zwölf Prozent sogar etwas größer aus, während die Dämpfung ebenfalls um etwa 22 Prozent abnimmt. Der Planckstern zeigt das Gegenmuster und schwingt in der untersuchten Konfiguration rund 25 Prozent tiefer, während seine Dämpfung um gut 21 Prozent zunimmt.
Die Prozentwerte beschreiben ausgewählte Modellkonfigurationen und keine Messungen realer Schwarzer Löcher. In der jüngsten Arbeit hängen die gravitativen Ergebnisse zudem davon ab, wie die Rückwirkung des angenommenen Kernmaterials mathematisch behandelt wird.
Der Schlüssel zum Unterschied liegt nicht direkt im unsichtbaren Zentrum, sondern in einem Bereich außerhalb des Horizonts. Am sogenannten Lichtring kann Licht das Schwarze Loch auf einer instabilen Kreisbahn umlaufen, und seine Lage beeinflusst die dominierenden Schwingungsfrequenzen.