Im Februar dieses Jahres machten Astronomen eine monumentale Entdeckung. Fast hundert Jahre nach ihrer Vorhersage durch Albert Einstein entdeckten die Wissenschaftler schließlich Gravitationswellen - "Wellen in der Raumzeit", die durch die Strahlung zweier verschmelzender Schwarzer Löcher beleuchtet werden. Diese Beobachtung war eine sehr klare Bestätigung von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie, aber gleichzeitig war dieses Ereignis ein kühner Beweis dafür, dass die Gesetze dieser Theorie nicht mehr funktionieren, sobald sie den Ereignishorizont der Schwarzen Löcher erreichen.
Seit Februar dieses Jahres hat das Laser Interferometric Gravitational Wave Observatory (LIGO) insgesamt dreimal Gravitationswellen gesehen. Die Forscher haben sich die Ergebnisse endlich genau angesehen und behaupten nun, Hinweise auf sogenannte "Echos" in Wellen gefunden zu haben, die Einsteins Vorhersagen von Schwarzen Löchern in Frage stellen.
Diese Aussagen werden derzeit in der wissenschaftlichen Online-Bibliothek ArXiv.org veröffentlicht, wo sie von anderen Mitgliedern der Physikergemeinschaft analysiert werden können, bevor sie einem Peer Review vorgelegt werden. Daher besteht eine sehr reale Wahrscheinlichkeit, dass neue Fakten im Rahmen eines externen Blicks auf die Daten zu Beobachtungen dieser Echos gefunden werden. Darüber hinaus wurden die vorgelegten Beweise mit einer Genauigkeit von 5 Sigma geliefert, was der Goldstandard in der Welt der Physik ist. Dies bedeutet, dass bei 3,5 Millionen eine Möglichkeit besteht, dass die Beobachtungen rein zufällig sind.
Wenn jedoch andere Studien zeigen, dass dieses "Echo" tatsächlich vorhanden ist, wird es für die Physik ein großes Ereignis sein. Früher wurde vermutet, dass die Gesetze der allgemeinen Relativitätstheorie bei Annäherung an das Zentrum der Schwarzen Löcher in Stücke zerfallen, aber diese Entdeckung wird zeigen, dass die Gesetze auch an den Grenzen dieser Raum-Zeit-Phänomene nicht mehr funktionieren. Wenn dies so ist, könnte dies die Geburt der Gesetze einer völlig neuen Physik einleiten.
"Die Entdeckung von LIGO und anderen Organisationen in der Perspektive bietet eine erstaunliche Gelegenheit, neue physikalische Gesetze zu erforschen", sagt Steve Giddings, ein Schwarzlochforscher an der University of California in Santa Barbara, der nicht an der heute beschriebenen Studie beteiligt war.
Wenn sich die Echos als Dummy herausstellen, muss die allgemeine Relativitätstheorie nur einen weiteren Test bestehen. Seit Jahrzehnten versuchen Physiker, Schwarze Löcher in diese Theorie zu integrieren und Wege zu finden, um sie in die Quantenmechanik zu integrieren, aber Einsteins Theorie hat sich bisher gut bewährt.
Bevor wir jedoch mit der Diskussion fortfahren, wollen wir verstehen, was diese Echos sind und wie sie sich auf die allgemeine Relativitätstheorie beziehen.
Es kommt alles auf das sogenannte Informationsparadoxon der Schwarzen Löcher an. Nach Einsteins Theorie sollte alles, was den Ereignishorizont der Schwarzen Löcher überschreitet, verschwinden und nichts zurücklassen. Im traditionellen Sinne bedeutet dies, dass nichts, nicht einmal Licht, aus einem Schwarzen Loch herauskommen kann (daher übrigens der Name dieses Objekts).
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In letzter Zeit waren Wissenschaftler durch das Testen dieser Theorie sehr verwirrt. In der Tat kann nach den Gesetzen der Quantenmechanik Materie, die von einem Schwarzen Loch absorbiert wird, tatsächlich eine Spur in Form von Informationen hinterlassen. Wie kann also der Ereignishorizont gleichzeitig sowohl unter dem Gesichtspunkt der allgemeinen Relativitätstheorie (alles wird nach Überschreiten seiner Grenzen zerstört) als auch unter dem Gesichtspunkt der Quantenmechanik (vom Objekt aus bleiben seine Informationen) beschrieben werden?
Diese Frage ist eine der schwierigsten in der modernen Physik, und Wissenschaftler können immer noch keine Antwort darauf finden.
Eine vorgeschlagene Erklärung ist die Firewall-Hypothese von 2012, die darauf hinweist, dass sich am Ereignishorizont Ringe hoch geladener Partikel befinden, die alle durch sie hindurchtretenden Stoffe verbrennen.
Der Physiker Stephen Hawking hat eine andere Annahme. Er glaubt, dass schwarze Löcher von weichen "Haaren" umgeben sein können (Haare werden hier natürlich als Metapher verwendet). Diese "Haare" stellen niedrig geladene Quantenstörungen dar und speichern in sich Signaturen (Informationen, wenn Sie so wollen) von allem, was einmal in ein Schwarzes Loch gefallen ist.
Unabhängig davon, zu welcher Hypothese Sie eher geneigt sind, ist ihre Hauptbotschaft dieselbe: Anstelle des durch die allgemeine Relativitätstheorie vorhergesagten reinen Ereignishorizonts können die Grenzen von Schwarzen Löchern viel komplexer und verschwommener sein, als wir es uns vorgestellt haben. Das Hauptproblem dabei war, dass wir nicht die Möglichkeit hatten, diese Annahmen irgendwie zu überprüfen. Bis LIGO Gravitationswellen entdeckte.
Mit den vorliegenden Daten schlägt ein internationales Forscherteam nun vor, herauszufinden, was um die Schwarzen Löcher herum passiert. Nach der neuen Annahme sollten Echos nach den anfänglichen Gravitationswellen verbleiben, wenn sich die Ereignishorizonte der Schwarzen Löcher nicht wirklich für die Gesetze der allgemeinen Relativitätstheorie eignen.
Laut den Forschern wird es möglich sein, sie dank der das Schwarze Loch umgebenden „Haare“zu erkennen, die sich in einem Zustand der Aufregung befinden und sich in diesem Moment wie Spiegel verhalten. Sie erfassen einige der Gravitationswellen, die aus dem Schwarzen Loch entweichen, hüllen sie ein, übertragen einen Teil ihres Störungszustands und können dann von Instrumenten wie LIGO erfasst werden.
Nach Berechnungen der Wissenschaftler konnten diese Echos mit LIGO 0,1 und 0,3 Sekunden nach der ersten Freisetzung der Gravitationswelle nachgewiesen werden. Und siehe da! Wissenschaftler sind Zeugen davon geworden! Darüber hinaus wurde das Ereignis nicht nur im Rahmen der ersten Erfassung von Gravitationswellen im Februar dieses Jahres beobachtet, sondern auch im Rahmen aller drei Beobachtungen von Gravitationswellen in diesem Jahr.
Es versteht sich natürlich, dass die drei Ereignisse kaum als verlässliche statistische Daten bezeichnet werden können. Daher ist es immer noch möglich, dass diese Echos Hintergrundgeräusche waren (1 in 270 Fällen oder 2,9-Sigma-Fehler), aber weitere Beobachtungen werden den Forschern helfen, eine solide Evidenzbasis aufzubauen.
"Die gute Nachricht ist, dass die Klarheit und Empfindlichkeit von LIGO bald erheblich verbessert wird, sodass wir in den nächsten zwei Jahren eine festere Gelegenheit haben, diese Beobachtungen zu bestätigen oder abzulehnen", sagte der leitende Forscher Niaesh Afshordi.
Selbst wenn die Echos bestätigt werden können, werden sie nicht die Frage beantworten, welchen Grad an Unschärfe die Grenzen der Schwarzen Löcher haben. Daher wurde die Lösung des Informationsparadoxons vorerst verschoben. Eines ist bisher klar: Eine der wichtigsten Entdeckungen in der Physik in diesem Jahr ist noch verlockender geworden.
NIKOLAY KHIZHNYAK