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Lexikon der Astronomie: Gravastern

Struktur eines Gravastars

Gravastern (engl. Gravastar) ist eine Bezeichnung für eine neuere, sphärisch symmetrische Lösung der Einsteinschen Feldgleichungen. Der Name Grava(c)star ist ein Kunstwort aus Gravitation (gravitation), Vakuum (vacuum) und Stern (star). Aus diesem Grund kann man als Oberbegriff auch die Bezeichnung Vakuumsterne (vacuum stars) wählen. Alternativ, jedoch seltener verwendet, nennt man diesen neuen Objekttyp auch Quasi-Schwarzes Loch (engl. quasi-black-hole, QBH). Allgemeiner betrachtet gehören die Gravasterne zu den kompakten Objekten in der Astrophysik.

keine Singularität & kein Horizont

Gravasterne wurden von den theoretischen Physikern Pawel Mazur (University of South Carolina, USA) und Emil Mottola (Los Alamos, USA) im Jahr 2001 als Alternative zu den singulären Schwarzen Löchern vorgeschlagen. Sie haben die erstaunliche Eigenschaft, dass sie regulär sind, d.h. es gibt keine intrinsische Singularität bei r = 0!
Die zweite, wesentliche Eigenschaft ist, dass sie keinen Ereignishorizont haben. Die Fluchtgeschwindigkeit bleibt demnach immer knapp unterhalb der Lichtgeschwindigkeit. Anders gesagt bleibt der relativistisch verallgemeinerte Doppler-Faktor (Rotverschiebungsfaktor, g-Faktor), der am Horizont Schwarzer Löcher exakt null wird, an der Oberfläche von Gravasternen endlich, ist aber sehr klein, etwa 10-25! Ohne Horizont gibt es bei diesen Objekten daher auch keine Hawking-Strahlung (allerdings ist die Emission einer thermischen Strahlung anzunehmen).

Struktur von Gravasternen: drei Zonen

  • 1) Im Außenraum entspricht er der Schwarzschild-Lösung für nicht-rotierende Schwarze Löcher. Dieser Bereich ist materiefrei und asymptotisch flach.
  • 2) Dann schließt sich eine dünne Materieschale an, die aus einem ultrarelativistischen Quantenfluid besteht, das eine schwache Quelle des Gravitationsfeldes ist. Ultrarelativistisch bedeutet, dass diese Materie am kausalen Limit existiert: die Schallgeschwindigkeit in diesem Medium ist gerade gleich der Lichtgeschwindigkeit. Die Dicke der Schicht ist in der Größenordnung der Planck-Länge. Diese Schale soll während des Gravitationskollapses eines Sterns oder Sternhaufens entstanden sein. Letztendlich bewirkt gerade die Materieschale, dass es nicht zur Ausbildung eines Horizonts kommt. Erreicht die Materie im Kollaps das kausale Limit, so findet ein Quantenphasenübergang statt. Die äußere Schwarzschild-Vakuumraumzeit geht in ein anderes relativistisches Vakuum über: der de-Sitter-Raumzeit. Noch bevor sich ein Horizont ausbilden kann, geht die stark gekrümmte Raumzeit (in der eine hohe Energie steckt) in ein so genanntes gravitatives Bose-Einstein-Kondensat (GBEK) über. Dieser Phasenübergang zeigt viele Analogien zum klassischen Bose-Einstein-Kondensat in der Festkörperphysik. Bei Gravasternen wählt man ein Bose-Fluidum als Quelle des Gravitationsfeldes. Deshalb steckt man in das Wirkungsfunktional des Systems die Einstein-Hilbert-Wirkung und diejenige eines Skalarfeldes.
  • 3) Das GBEK ist schließlich der innerste Bereich des Gravasterns, der den weitaus größeren Anteil an der Masse des Gravasterns hat: es handelt sich um eine Blase aus Dunkler Energie! Dieser Innenraum ist ebenfalls materiefrei (daher Vakuum) und kommt einer de-Sitter-Lösung (positive kosmologische Konstante) gleich, die man aus der Kosmologie kennt. Die 'Blase' aus Dunkler Energie stabilisiert mit einem nach außen gerichteten Druck die dünne Materieschale (siehe 2) und verhindert so dessen Kollaps. Eine positive kosmologische Konstante Λ bedeutet, dass es sich um eine repulsive Kraft handelt, die der Gravitationskraft entgegen wirkt: um Antigravitation. In der Fachsprache heißt die Übergangsregion zwischen Schwarzschild- und de-Sitter-Vakuum auch Quantenphasen-Interface. Im Prinzip verbindet diese 'Haut' zwei Vakuumzustände miteinander, nämlich das de-Sitter-Vakuum innerhalb mit dem Schwarzschild-Vakuum bzw. asymptotisch Minkowski-Vakuum außerhalb (bis unendlich).

Strahlung von der Gravasternoberfläche

Die Zustandsgleichung innerhalb der Schale ist sehr 'steif'. Die Schalenmaterie ist noch kompakter als Neutronensternmaterie, denn die Schallgeschwindigkeit ist hier identisch mit der Lichtgeschwindigkeit. Es ist daher zu erwarten, dass Schockfronten an der Übergangsschicht abprallen. Die Fürsprecher des Gravastern-Modells sehen darin eine Möglichkeit zur Unterscheidung der Gravasterne von singulären Schwarzen Löchern. Denn an (materiefreien) Ereignishorizonten gibt es keine derartigen Abpralleffekte. Andere Theoretiker (Chapline et al.) berechneten, dass eine Reflektionseigenschaft vorliege, so dass harte Gammastrahlung am Übergang reflektiert werde, aber weichere Photonen durch die Materiehaut gelassen (transmittiert) werde, d.h. energiearmes Licht wird verschluckt. Problematisch ist, dass diese Rechnungen besagen, dass Gammastrahlung zwar reflektiert werde, aber diese dennoch aufgrund der Gravitationsrotverschiebung stark rotverschoben werde. Das schmälert die Chance ihrer Detektion und die Zuversicht einer Verifikation/Falsifikation beträchtlich.

Was passiert mit einfallender Materie?

Die Akkretion eines Gravasterns ist Gegenstand aktueller Diskussionen. Im für die Beobachtung ungünstigsten Fall verändert sich die aufgesammelte Materie derart, dass sie beim Auftreffen auf die Schale in das Bose-Einstein-Kondensat im Innern umgewandelt wird. Dadurch sollte der Gravastern – wie die Schwarzen Löcher – wachsen, weil er ebenfalls einen Masseparameter hat. In diesem Szenario wäre aber eine Beobachtung äußerst schwierig, weil die ultrakalte Materieschale fast gar nicht leuchtet (nur sehr schwache Wärmestrahlung eines Schwarzen Körpers). Hinzu kommt, dass diese schwache Strahlung dann durch den Einfluss der stark gekrümmten Metrik extrem rotverschoben wird.

Unterscheiden ist schwierig

Astrophysiker müssen mit Beobachtungen sehr nahe an das kompakte Objekt herankommen, bis auf etwa zwei Gravitationsradien (gleich ein Schwarzschild-Radius, RS), um eine Unterscheidung von Gravasternen und Schwarzen Löchern angehen zu können. Stark rotverschoben ist jedoch in beiden Fällen die Strahlung, die aus diesem Bereich kommt. Nur sind Schwarze Löcher absolut schwarz und Gravasterne 'grau'. Ausgedrückt in relativistisch verallgemeinerten Dopplerfaktoren gilt für ein Schwarzschild-Loch g(RS) ≡ 0 und für einen Gravastern dagegen nur g(RS) ~ 0.

geschichtlicher Hintergrund

An sich ist die Diskussion von Schwarzschild-de-Sitter-Übergängen nicht neu und geht auf eine Idee von Sakharov (1965) und Gliner (1966) zurück. In den 1980er Jahren wurden diese Ansätze aufgegriffen, um die Kosmologie voranzutreiben. Mazur und Mottola haben 2001 die Formen der Zustandsgleichungen aufgegriffen, um die Metrik eines Gravasterns auszurechnen.

Da sollte man hinschauen

Sollten Gravasterne existieren, favorisiert man deren Entstehung in Supernovae massereicher Sterne oder in Hypernovae bzw. lang andauernden Gamma Ray Bursts. Diese Sternexplosionen sind gute Beobachtungskandidaten, um Gravasterne zu entdecken. Bislang gibt es jedoch kein konsistentes Modell, das beschreibt, wie ein massereicher Stern in einen Gravastern übergehen könnte. Das ist nur mit detaillierten Kollapsrechnungen zu bewerkstelligen.

zukünftige Forschungsvorhaben

Nach dem Birkhoff-Theorem ist der sphärisch symmetrische Gravastern notwendigerweise statisch. Das ist im Lichte der Astrophysik ein Nachteil der Gravasterne, weil gerade die schnell rotierenden Schwarzen Löcher (beschrieben durch die Kerr-Lösung der ART) viele astronomische Beobachtungen befriedigend erklärt:

Eine Verallgemeinerung der Gravastern-Lösung auf den rotierenden Fall ist deshalb erwünscht, aber bislang nicht gelungen.
Ein anderer Aspekt ist, dass es nicht genügt, wenn eine Raumzeit Lösung der Einsteinschen Feldgleichungen ist – es muss auch gezeigt werden, dass die Lösung stabil ist. Ist das nicht der Fall, wird dieser Zustand in der Natur gar nicht erst erreicht. Auch die Stabilität von Gravasternen wurde bisher nicht überzeugend dargelegt.

Gravasterne mit anisotropem Druck

Im Gegenteil: Aktuelle Untersuchungen zeigen, dass Gravastern-Modelle, die komplett aus einer idealen Flüssigkeit bestehen, scheitern: Entweder würden sie zu unendlicher Größe anschwellen, oder es würde sich doch ein Horizont bilden. Die Lösung dieses Stabilitätsproblems ist aus der Sicht neuseeländischer Gravitationsforscher ein Gravastern mit anisotropem Druck (Cattoen et al. 2005). Das bedeutet, dass der Druck im Gravastern nicht in alle Richtungen gleich sei. Die Anisotropie muss in der Gravasternschale gewährleistet sein. Die Eigenschaft negativen Druckes im Innern bleibt jedoch erhalten. Stetige Lösungen mit isotropem Druck (wie das ursprüngliche Gravastern-Modell nach Mazur und Mottola) haben eine immer Polstelle im Druck als Funktion vom Radius. Das ruft eine unphysikalische, nackte Singularität hervor. Das ist eine neue Erkenntnis in der Gravasternphysik.

skeptische Community

Die Reaktionen der Astronomen auf Gravastern-Modelle sind recht verhalten. Für die einen ist es das, auf das sie ewig gewartet haben, für andere ist nur eine weitere akademische (d.h. überflüssige) Lösung der Einstein-Gleichungen. Dasselbe gilt für eine weitere Alternative zum Schwarzen Loch, die einige Ähnlichkeiten zum Gravastern aufweist, nämlich dem Holostern (Petri 2003).
Auf diesem Gebiet muss deshalb sowohl seitens der Theorie, als auch seitens der Beobachtung einiges erforscht werden. Es ist jedenfalls eine heiße Spur, deren Verfolgung hilft, die Rätsel der Schwarzen Löcher zu lösen. Denn auch die klassischen Schwarzen Löcher haben Eigenschaften, die den Physikern Kopfzerbrechen bereiten – vor allem die Krümmungssingularität. Dieser 'Punkt unendlicher Krümmung' ist vielleicht nur ein Artefakt der klassischen Beschreibung mit der ART. Es gibt zwar die Singularitätentheoreme von Roger Penrose und Stephen Hawking, die die Existenz von Singularitäten erzwingen; doch diese Theoreme erfordern bestimmte Voraussetzungen. Der Gravastern enthält keine Singularität und steht damit in Widerspruch zu den Singularitätentheoremen. Disqualifiziert das den neuen Vorschlag? Oder signalisiert das vielmehr, dass die Singularitätentheoreme einer Überarbeitung bedürfen? Denn auch die Voraussetzungen der Theoreme kann man hinterfragen. Dieser Konflikt ist Gegenstand der aktuellen Forschung.

Weitere Literatur

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  • Die Autoren
- Dr. Andreas Müller, München

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