Am Ende ihres Lebens verwandeln sich Schwarze Löcher womöglich in ihr genaues Gegenteil – in "Weiße Löcher", die das einst verschlungene Material explosionsartig in den Weltraum hinausschleudern. Dieses Szenario, ausgemalt von zwei Physikern, basiert auf einer spekulativen Quantentheorie der Gravitation und könnte eine lange währende Frage beantworten: Vernichten Schwarze Löcher Informationen?

Der Theorie zufolge findet der Übergang von einem Schwarzen zu einem Weißen Loch direkt nach der Entstehung des Schwarzen Loches statt. Von außen betrachtet scheint das Schwarze Loch – je nach Größe – allerdings Milliarden oder Billionen von Jahren und vielleicht sogar länger zu existieren. Grund dafür ist eine durch Gravitation verursachte Zeitdilatation. Liegen die Autoren richtig, sollten winzige Schwarze Löcher aus der Frühzeit des Universums nun kurz davorstehen, wie Feuerwerkskörper auseinanderzufliegen. Möglicherweise ließe sich ein solches Ereignis als hochenergetische kosmische Strahlung oder in Form anderer Strahlung nachweisen, spekulieren die beiden Forscher. Angesichts ihrer Ergebnisse halten sie es sogar für denkbar, dass es sich bei einigen der eindrucksvollen Helligkeitsausbrüche am Himmel, die für gewöhnlich als Supernovae interpretiert werden, um das Todesringen kleiner Schwarzer Löcher handeln könnte, die kurz nach dem Urknall entstanden.

Stürzt ein sterbender Stern unter seiner eigenen Schwerkraft zusammen, kann sein Kollaps laut Albert Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie ab einem bestimmten Punkt unumkehrbar sein – er ließe sich durch keine bekannte Kraft aufhalten. Dies ist die Geburt eines Schwarzen Lochs: Noch während der Stern weiter in sich zusammenfällt, bildet sich eine kugelförmige Oberfläche, der sogenannte Ereignishorizont, aus und schirmt das Gestirn im Inneren von Beobachtern außerhalb ab. Nichts, nicht einmal Licht oder irgendeine andere Form von Information, kann diesem Ereignishorizont entkommen.

Die "klassische" Allgemeine Relativitätstheorie sagt vorher, dass der Stern zu einer sogenannten Sigularität zusammenschrumpfen wird: Hier ist die Materie unendlich dicht und der Raum dadurch unendlich gekrümmt. Die bekannten Gesetze der Physik gelten unter solchen Bedingungen nicht mehr.

Unter Umständen wird das Geschehen ab einem gewissen Punkt aber auch durch Quantengravitationseffekte bestimmt, der Kollaps dadurch aufgehalten und die Unendlichkeiten so vermieden.

In einer Schleife

Einen der führenden Ansätze zur Vereinigung von Quantenmechanik und Gravitation entwickelte neben anderen der theoretische Physiker Carlo Rovelli von der Universität Aix-Marseille in Frankreich. Demnach ist nicht nur die Schwerkraft, sondern auch die Raumzeit selbst quantisiert – zusammengesetzt aus winzigen Schleifen, die sich nicht weiter unterteilten lassen. Die Schleifen in dieser "Schleifenquantengravitation" – einem theoretischen Ansatz, für den es bislang keinerlei experimentelle Belege gibt – wären so winzig, dass die Raumzeit jedem Betrachter stetig und kontinuierlich erscheint. In ihrer neuen Studie haben Rovelli und sein Kollege Hal Haggard von der Universität Aix-Marseille berechnet, dass die Schleifenstruktur den Kollaps eines Schwarzes Loch stoppen würde.

Irgendwann kann der Kern eines zusammenstürzenden Sterns demnach nicht mehr schrumpfen – die Schleifen lassen sich schlichtweg nicht weiter zusammenpressen. Sie würden sogar einen nach außen gerichteten Druck erzeugen, durch den sich ein Schwarzes Loch in ein Weißes Loch umwandelt. Theoretiker sprechen dabei von einem sogenannten Quantenrückprall (Quantum Bounce). Zudem wäre der Sternüberrest nicht von einem echten, ewig währenden Ereignishorizont umgeben, sagt Rovelli, sondern lediglich von einem temporären 'scheinbaren Horizont'. (Stephen Hawking von der University of Cambridge in England wies kürzlich darauf hin, dass sich echte Ereignishorizonte nicht mit der Quantenphysik vereinbaren lassen.)

Andere Physiker führten bereits ähnliche Berechnungen auf Basis der Schleifenquantengravitation durch – allerdings kollabierte dabei anstelle eines einzelnen Sterns ein gesamtes Universum [2, 3]. Nachdem ein Minimalvolumen erreicht ist, so das Resümee der Forscher, expandiert der Kosmos wieder. Beim Urknall (oder Big Bang) unseres eigenen Universums könnte es sich also tatsächlich um einen "Großen Rückprall" (Big Bounce) gehandelt haben. Für das Auftreten eines solchen Rückpralls muss aber nicht unbedingt ein ganzes Universum in sich zusammenfallen, zeigten Rovelli und Haggard nun. "Wir halten das für ein mögliches Szenario", sagt Rovelli. "Der Prozess [einer Umwandlung] kann sich komplett in einem begrenzten Raumzeitbereich abspielen. Außerhalb verhält sich alles nach den klassischen Einsteinschen Gleichungen."

Informationsparadoxon

Könnten sich Schwarze Löcher tatsächlich in Weiße Löcher umwandeln und dadurch ihren gesamten Inhalt freigeben, löst das möglicherweise ein großes Problem der Grundlagenphysik. Hawking berechnete in den 1970er-Jahren, dass Strahlung von dem Ereignishorizont eines Schwarzes Lochs ausgehen sollte, wodurch es stetig an Energie verliert und schrumpft, bis es schließlich gänzlich verschwindet. Durch diese "Hawkingstrahlung" scheinen also alle Informationen, die in das Schwarze Loch fallende Materie mit sich trug, für immer verloren zu gehen. Und das würde eines der fundamentalen Prinzipien der Quantentheorie verletzen, laut dem Information nicht vernichtet werden kann.

"Wir halten das für ein mögliches Szenario"

Könnte die neue Studie dieses Informationsparadoxon bei Schwarzen Löchern auch nur etwas aufklären, "wäre das von großer Bedeutung", sagt der theoretische Physiker Steven Giddings von der University of California in Santa Barbara. "Zu verstehen, wie Informationen aus einem Schwarzen Loch entkommen, ist ein entscheidender Aspekt für die Quantenmechanik von Schwarzen Löchern und möglicherweise für die Quantengravitation an sich".

Einige der Schlussfolgerungen in ihrer Publikation müssen noch mit ausführlichen Berechnungen untermauert werden, räumen die Autoren ein. Joseph Polchinski von der University of California in Santa Barbara sowie weitere Physiker befürchten zudem, dass dieses Szenario unrealistisch starke Quanteneffekte erfordert.

Der Quantenrückprall, warnt Donald Marolf von der University of California in Santa Barbara, könnte ferner eines der grundlegendsten Prinzipien in der Physik verletzen: Die Entropie – ein Maß für die Unordnung in einem System – kann zunehmen, aber niemals abnehmen. Dem theoretischen Physiker zufolge scheint die aus dem Weißen Loch herauskatapultierte Materie, die ursprünglich in einem winzigen Bereich verdichtet war, eine geringere Entropie zu besitzen als das Schwarze Loch selbst. Rovelli und Haggard halten jedoch dagegen, dass die Entropie in ihrem Szenario nicht abnimmt.

Nichtsdestoweniger stelle die Arbeit der beiden die Idee eines Quantenrückpralls auf ein sichereres Fundament, sagt Abhay Ashtekar von der Pennsylvania State University in University Park. Bevor der Mitbegründer der Schleifenquantengravitation überzeugt ist, würde er allerdings gerne ausführlichere Berechnungen sehen.

Timing ist alles

Haggard und er müssten noch genauer berechnen, bemerkt Rovelli, wie schnell der Wandel von einem Schwarzen zu einem Weißen Loch vonstattengeht. Ihre derzeitige, grobe Schätzung von ein paar Tausendstel Sekunden zu präzisieren, ist nämlich äußerst wichtig: Das starke Gravitationsfeld eines Schwarzen Lochs dehnt Lichtwellen und Zeit, so dass die Transformation für einen Außenstehenden deutlich länger dauern würde.

Sagittarius A*
© NASA, JPL / Caltech / SSC, Susan Stolovy
(Ausschnitt)
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Wäre die von einem fernen Betrachter wahrgenommene Dauer zu kurz, sollten bereits alle jemals existierenden Schwarzen Löcher explodiert und verschwunden sein – im Widerspruch zu astrophysikalischen Beobachtungen. Fiele die Zeitspanne andererseits zu lang aus, wäre die Umwandlung in ein Weißes Loch belanglos, weil sich Schwarze Löcher längst aufgrund von Hawkingstrahlung aufgelöst hätten. Wandelt sich beispielsweise ein Schwarzes Loch mit einer Sonnenmasse in ein Weißes Loch um, berechnete das Team, dürfte das derzeitige Alter des Universums dafür nicht ausreichen. Es bräuchte rund tausend Billionen Mal so lange.

Informationen könnten Schwarzen Löchern aber auch in einer weniger explosiven Art und Weise entkommen. Möglich würde das durch eine körnige Quantenstruktur der Raumzeit, wie Giddings in einer aktuellen Publikation vorschlägt [4]. Und die dadurch hervorgerufenen Fluktuationen in der Raumzeitgeometrie nahe dem Schwarzen Loch ließen sich vielleicht mit dem geplanten Event Horizon Telescope nachweisen. Mit diesem globalen Netzwerk aus Radioteleskopen wollen Astronomen die Umgebung von Sagittarius A*, dem supermassereichen Schwarzen Loch im Zentrum der Milchstraße, erforschen.