Schwarze-Loch-Spaltung: Welche Schwarzen Löcher tragen Hosen?

Seit 2016 ist die Menschheit in der Lage, Schwarze Löcher beim Verschmelzen zu beobachten: Dank extrem empfindlicher Messgeräte können wir die winzigen Erschütterungen in der Raumzeit detektieren, die ein solches kosmisches Kollisionsereignis hinterlässt. Doch Fachleute treibt auch eine andere Frage um: Ist der umgekehrte Prozess ebenfalls möglich? Seit Jahrzehnten möchten Physikerinnen und Physiker herausfinden, ob sich ein Schwarzes Loch in zwei separate Schwarze Löcher aufspalten kann.

Forschende um den Astrophysiker Giacomo Cacciapaglia von der Sorbonne Université in Paris berichten nun in der Fachzeitschrift »Physical Review D«, unter welchen Umständen es zu solchen Spaltungen kommen könnte: Während gewöhnliche Formen von Schwarzen Löchern nicht zerfallen, wären demnach bestimmte hypothetische Varianten durchaus in der Lage, einen solchen Prozess zu durchlaufen – und damit »Hosen zu tragen«, wie es im Astrophysik-Jargon heißt.

Dieser scherzhafte Ausdruck erklärt sich, wenn man einen solchen Spaltungsprozess diagrammatisch aufzeichnet. Man beginnt mit einem einzelnen Schwarzen Loch, das als Kreis in der x-y-Ebene dargestellt wird, und betrachtet dessen Entwicklung entlang einer dritten Zeitachse. Mit verstreichender Zeit hinterlässt der Kreis eine schlauchförmige Struktur, aus der sich schließlich zwei kleinere Schläuche absondern – die beiden resultierenden Schwarzen Löcher. Das Gesamtgebilde nimmt daher die Form einer Hose an (das anfängliche Schwarze Loch steht für den Hosenbund, die zwei kleineren Schwarzen Löcher für die Hosenbeine).

Quantenprozesse könnten Spaltungen hervorrufen

Cacciapaglia und sein Team argumentieren, dass bei »gewöhnlichen« Schwarzen Löchern, wie sie die allgemeine Relativitätstheorie beschreibt, keine Spaltung stattfinden kann. Grund dafür ist, dass die Entropie zweier kleinerer Schwarzer Löcher geringer ist als die Entropie eines einzelnen Schwarzen Lochs. Und da die Entropie eines geschlossenen Systems laut Thermodynamik nicht abnehmen kann, ist ein solcher Prozess unmöglich. Dies decke sich auch mit den bisher vernommenen Gravitationswellensignalen aus verschmelzenden Schwarzen Löchern.

Allerdings war bislang unklar, ob eine Schwarzlochspaltung in komplexeren Szenarien möglich ist. Denn die allgemeine Relativitätstheorie ist nur eine Näherung an die Realität – ein Modell, das außer Acht lässt, dass sich Teilchen auf kleinster Ebene wie Quanten verhalten. Deshalb haben Cacciapaglia und sein Team untersucht, ob Spaltungsprozesse möglich sind, wenn man etwa Quantenphänomene betrachtet oder höhere Dimensionen zulässt.

Wie die Forschenden feststellten, kann es in solchen erweiterten Modellen durchaus zu Spaltungen kommen. Neben Schwarzen Löchern mit mehr als vier Dimensionen, die etwa in der Stringtheorie eine Rolle spielen, könnten auch Varianten mit einem »unebenen Horizont« zerfallen – in diesem Fall ist der Bereich, ab dem nicht einmal mehr Licht dem Schwarzen Loch entweichen kann, nicht völlig glatt, sondern wird durch Quanteneffekte verformt. Auch Schwarze Löcher in modifizierten Gravitationstheorien könnten laut den Berechnungen der Autoren einen Spaltungsprozess durchlaufen.

Die Fachleute haben bei ihren Berechnungen lediglich die Entropiebilanzen vor und nach einer möglichen Spaltung untersucht. Das heißt, sie haben bestimmt, wie groß die Entropie der jeweiligen Varianten von Schwarzen Löchern ist, und untersucht, ob zwei kleinere Schwarze Löcher dieser Variante eine größere Entropie haben können. Dies ist eine notwendige Bedingung, damit eine Spaltung stattfinden kann – aber es garantiert noch nicht, dass es auch wirklich zu dem Prozess kommt.