Ein Stern wie eine Matrjoschka-Puppe: Neue Theorie für Gravitationssterne

Ein Stern wie eine Matrjoschka-Puppe: Neue Theorie für Gravitationssterne

Wenn Gravitationskondensatsterne (oder Gravastars) tatsächlich existieren würden, würden sie aus der Ferne betrachtet ähnlich wie Schwarze Löcher aussehen. Zwei theoretische Physiker der Goethe-Universität Frankfurt haben nun eine neue Lösung für Albert Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie gefunden, nach der Gravitationssterne wie eine russische Matroschka-Puppe strukturiert sein könnten, wobei sich ein Gravastar innerhalb eines anderen befindet.

Laut den Erkenntnissen von Physikern der Goethe-Universität Frankfurt könnte ein Gravastar wie eine Matroschka-Puppe aussehen. Bild: Daniel Jampolski und Luciano Rezzolla, Goethe-Universität Frankfurt

Das Innere von Schwarzen Löchern bleibt ein Rätsel für die Wissenschaft. Im Jahr 1916 skizzierte der deutsche Physiker Karl Schwarzschild eine Lösung für Albert Einsteins Gleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie, nach der das Zentrum eines Schwarzen Lochs aus einer sogenannten Singularität besteht, einem Punkt, an dem Raum und Zeit nicht mehr existieren. Hier, so die Theorie, gelten alle physikalischen Gesetze, einschließlich von Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie, nicht mehr; das Prinzip der Kausalität ist ausgesetzt. Dies stellt ein großes Ärgernis für die Wissenschaft dar: Immerhin bedeutet es, dass keine Informationen aus einem Schwarzen Loch jenseits des sogenannten Ereignishorizonts entkommen können. Dies könnte ein Grund dafür sein, dass Schwarzschilds Lösung lange Zeit nur wenig Beachtung außerhalb des theoretischen Bereichs fand – das heißt, bis der erste Kandidat für ein Schwarzes Loch 1971 entdeckt wurde, gefolgt von der Entdeckung des Schwarzen Lochs im Zentrum unserer Milchstraße in den 2000er Jahren und schließlich dem ersten Bild eines Schwarzen Lochs, das 2019 von der Event Horizon Telescope Collaboration aufgenommen wurde.
Im Jahr 2001 schlugen Pawel Mazur und Emil Mottola eine andere Lösung der Einsteinschen Feldgleichungen vor, die zu Objekten führte, die sie Gravitationskondensatsterne oder Gravastars nannten. Im Gegensatz zu Schwarzen Löchern haben Gravastars aus theoretischer astrophysikalischer Sicht mehrere Vorteile. Einerseits sind sie fast so kompakt wie Schwarze Löcher und zeigen auch an ihrer Oberfläche eine Gravitation, die im Wesentlichen genauso stark ist wie die eines Schwarzen Lochs und daher praktisch einem Schwarzen Loch ähnelt. Andererseits haben Gravastars keinen Ereignishorizont, das heißt keine Grenze, von der aus keine Informationen gesendet werden können, und ihr Kern enthält keine Singularität. Stattdessen besteht das Zentrum von Gravastars aus einer exotischen – dunklen – Energie, die einen negativen Druck auf die enorme Gravitationskraft ausübt, die den Stern zusammendrückt. Die Oberfläche von Gravastars wird durch eine hauchdünne Schicht aus gewöhnlicher Materie dargestellt, deren Dicke gegen Null geht.
Die theoretischen Physiker Daniel Jampolski und Prof. Luciano Rezzolla von der Goethe-Universität Frankfurt haben nun eine Lösung der Feldgleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie präsentiert, die die Existenz eines Gravastars innerhalb eines anderen Gravastars beschreibt. Sie haben dieses hypothetische Himmelsobjekt den Namen “nestar” (aus dem Englischen “nested”) gegeben.
Daniel Jampolski, der die Lösung im Rahmen seiner Bachelorarbeit unter der Betreuung von Luciano Rezzolla entdeckte, sagt: “Der Nestar ist wie eine Matroschka-Puppe”, und fügt hinzu, dass “unsere Lösung der Feldgleichungen eine ganze Reihe von verschachtelten Gravastars ermöglicht”. Während Mazur und Mottola postulieren, dass der Gravastar eine nahezu unendlich dünne Schale aus normaler Materie hat, ist die Schale des Nestars etwas dicker: “Es ist etwas einfacher vorstellbar, dass so etwas existieren könnte”.
Luciano Rezzolla, Professor für Theoretische Astrophysik an der Goethe-Universität, erklärt: “Es ist großartig, dass es selbst 100 Jahre nachdem Schwarzschild seine erste Lösung der Einsteinschen Feldgleichungen aus der Allgemeinen Relativitätstheorie präsentiert hat, immer noch möglich ist, neue Lösungen zu finden. Es ist ein wenig wie das Finden einer Goldmünze entlang eines Pfades, der von vielen anderen bereits erkundet wurde. Leider haben wir noch keine Ahnung, wie ein solcher Gravastar entstehen könnte. Aber selbst wenn Nestars nicht existieren, hilft es letztendlich, die mathematischen Eigenschaften dieser Lösungen zu erforschen, um Schwarze Löcher besser zu verstehen”.

Veröffentlichung: Daniel Jampolski, Luciano Rezzolla: Verschachtelte Lösungen von Gravitationskondensatsternen. Classical Quantum Gravity (2024) https://doi.org/10.1088/1361-6382/ad2317

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