Neben den berühmten Schwarzen Löchern mit ihren gigantischen Ausmaßen gibt es im Universum theoretisch auch mikroskopisch kleine Varianten. Beginnen wir mit Neuigkeiten von den Giganten: In einer 4,4 Milliarden Lichtjahre entfernten Galaxie haben Astronomen möglicherweise das massereichste Paar Schwarzer Löcher entdeckt, das bisher gefunden wurde. Zusammen haben diese Giganten eine geschätzte Masse, die 60 Milliarden Mal so groß ist wie die unserer Sonne – und mindestens doppelt so groß ist wie das bisherige Rekordduo, berichtete kürzlich ein Team um Michael McDonald (MIT) im Fachblatt Astrophysical Journal Letters.

Doch hier soll es vor allem ums Gegenteil gehen: winzige, mikroskopische Objekte, die durch kleinste Energiezufuhr aus bestimmten kritischen Zuständen hervorgehen können. Solche Zustände könnten etwa kurz nach dem Urknall entstanden sein – als das Universum noch ein chaotisches Gemisch aus Teilchen war. Das könnte zu sogenannten "primordialen Schwarzen Löchern" geführt haben, die unter anderem von Stephen Hawking vorgeschlagen wurden, für die es aber noch keinen empirischen Nachweis gibt.

Die theoretische Möglichkeit solcher kritischen Strukturen wurde bereits durch Computersimulationen bewiesen. Nun ist es einem Team der Goethe-Universität Frankfurt und der Technischen Universität Wien gelungen, dieses Ergebnis mittels eines mathematischen Kniffs und einer exakten Formel zu bestätigen und im renommierten Fachblatt Physical Review Letters zu veröffentlichen.

Wasser als Analogie

„Manchmal reicht eine kleine, unspektakuläre Ursache, um eine große, spektakuläre Veränderung auszulösen", sagt Ko-Autor Daniel Grumiller, theoretischer Physiker von der TU Wien. "Stellen wir uns zum Beispiel flüssiges Wasser bei null Grad Celsius vor. Hier reicht eine kleine Veränderung, um das Wasser gefrieren zu lassen. Ganz von selbst ordnen sich die Wassermoleküle dann zu einem regelmäßigen Muster an und bilden einen Eiskristall."

Etwas ganz Ähnliches kann nach Albert Einsteins Relativitätstheorie auch in Raum und Zeit passieren: Bewegen sich Teilchen von A nach B, hat das einen Einfluss auf Raum und Zeit. "Man sagt: Die Raumzeit wird durch Masse gekrümmt", erklärt Christian Ecker vom Institut für Theoretische Physik an der Goethe-Universität Frankfurt. "Große Objekte wie etwa Sterne krümmen die Raumzeit stark – das kann man etwa bei Lichtstrahlen beobachten, die von massereichen Sternen abgelenkt werden. Aber in geringerem Ausmaß verursachen auch kleine Massen eine Krümmung von Raum und Zeit."

"Kritischer Kollaps"

Ähnlich wie die Physik den Wassermolekülen erlaubt, aus ungeordnetem, flüssigem Wasser einen regelmäßigen Kristall zu bilden, erlaubt die Relativitätstheorie, dass sich aus Raumzeitkrümmungen eine regelmäßige Struktur bildet – ein immer wiederkehrendes Muster in Raum und Zeit. Eine Art "Raumzeitkristall" entsteht. Der Prozess, der zu diesem Zustand führt, wird in der Physik "kritischer Kollaps" genannt.

Gfafik, die oben ein Schwarzes Loch zeigt, links eine geometrische Struktur, die einer Allee ähnelt und rechts ein Kristallgitter
Visualisierung eines "Raumzeitkristalls" (links), rechts im Vergleich dazu ein gewöhnlicher Kristall, oben: ein Schwarzes Loch.

"Dieser Raumzeitkristall ist ein ganz besonderes und merkwürdiges Objekt", sagt Grumiller. "Er ist eine Art Zwischenzustand, ein instabiler Punkt, der sich in zwei Richtungen entwickeln kann: Er kann einfach wieder zerfallen – übrig bleibt eine gewöhnliche Raumzeit mit herumfliegenden Teilchen. Wenn man allerdings eine minimale Menge an Energie zuführt, nimmt die Entwicklung eine völlig andere Richtung: Aus dem unscheinbaren "Raumzeitkristall" wird ein Schwarzes Loch."

Alte Vermutung bestätigt

Dass sich Schwarze Löcher auf diese Weise spontan bilden können, legten bereits Computersimulationen aus dem Jahr 1993 nahe. Seither versuchte man, den Prozess rechnerisch zu beschreiben und die korrekten Formeln dafür aufzustellen – aber das stellte sich als äußerst schwierig heraus. Dem Team aus Wien und Frankfurt gelang das nun durch einen verblüffenden Trick: "Unser Universum hat vier Dimensionen – drei Raumdimensionen und die Dimension der Zeit", erläutert Christian Ecker. "Prinzipiell hindert uns aber nichts daran, physikalische Gleichungen für eine höhere Anzahl von Dimensionen aufzuschreiben – für fünf Dimensionen, oder zweiundvierzig, oder für unendlich viele."

Man könnte erwarten, dass die Theorie dadurch noch viel komplexer wird, aber das ist nicht notwendigerweise der Fall. Das Team konnte zeigen, dass sich im Grenzfall unendlich vieler Dimensionen manche hochkomplexen Fragen auf verblüffend einfache Weise beantworten lassen. Im Anschluss wird überprüft, ob sich die Lösung auch auf den Fall einer geringeren Anzahl von Dimensionen "rückübersetzen" lässt. Auf diese Weise konnte das Team durch den Umweg über eine hypothetische, unendlich-dimensionale Welt eine Erkenntnis über unsere vierdimensionale Welt gewinnen.

"Unsere Technik erweist sich als stabil. Je nach gewünschter Präzision können wir unsere Formeln sogar noch durch zusätzliche Näherungsmethoden verbessern", so Florian Ecker von der TU Wien. "Wir haben damit eine Methode entwickelt, mit der man Phänomene rund um Schwarze Löcher untersuchen kann, die bisher nicht analysierbar waren."

Keine größere Gefahr

Bleibt die Frage, welchen Schaden solche mikroskopisch kleinen Schwarzen Löcher anrichten können, falls es sie tatsächlich gibt. Der hängt von ihrer Masse ab, wie Physiker vor wenigen Monaten ermittelten. Dai De-Chang und Dejan Stojkovic kamen zu dem Schluss, dass selbst ein primordiales Schwarzes Loch von der Masse eines mittleren Berges, das sich schnell genug bewegt, beim Durchgang durch einen Festkörper nur einen Tunnel von einem Zehntausendstelmillimeter hinterlassen würde.

Wäre ein solches exotisches Objekt also klein genug, könnte es einen menschlichen Körper durchfliegen, ohne dass man davon Notiz nehmen würde. Die Menge an Material, die es bei der Durchreise aufnimmt, wäre also kaum der Rede wert. (red, tasch.)