Der Kosmos scheint eine Vorliebe für runde Dinge haben. Planeten und Sterne neigen dazu, Kugeln zu sein, weil die Gravitation Gas- und Staubwolken zum Massenmittelpunkt zieht. Dasselbe gilt für Schwarze Löcher – oder genauer gesagt die Ereignishorizonte von Schwarzen Löchern – die in einem Universum mit drei räumlichen und einer zeitlichen Dimension der Theorie zufolge kugelförmig sein müssen.
Aber gelten die gleichen Einschränkungen, wenn unser Universum höhere Dimensionen hat, wie manchmal postuliert wird – Dimensionen, die wir nicht sehen können, deren Auswirkungen aber dennoch spürbar sind? Sind in diesen Einstellungen andere Formen von Schwarzen Löchern möglich?
Die Antwort auf letztere Frage, sagt uns die Mathematik, lautet ja. In den letzten zwei Jahrzehnten haben Forscher gelegentlich Ausnahmen von der Regel gefunden, die Schwarze Löcher auf eine Kugelform beschränkt.
Jetzt ein neues Papier geht viel weiter und zeigt in einem umfassenden mathematischen Beweis, dass eine unendliche Anzahl von Formen in den Dimensionen fünf und darüber möglich sind. Das Papier zeigt, dass die Gleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie von Albert Einstein eine große Vielfalt von exotisch aussehenden, höherdimensionalen Schwarzen Löchern hervorbringen können.
Die neue Arbeit ist rein theoretisch. Es sagt uns nicht, ob solche schwarzen Löcher in der Natur existieren. Aber wenn wir irgendwie solche seltsam geformten Schwarzen Löcher entdecken würden – vielleicht als mikroskopische Produkte von Kollisionen an einem Teilchenbeschleuniger – „würde das automatisch zeigen, dass unser Universum höherdimensional ist“, sagte er Marcus Khuriein Geometer an der Stony Brook University und Co-Autor der neuen Arbeit zusammen mit Jordan Rainone, ein kürzlich promovierter Mathematiker von Stony Brook. „Also heißt es jetzt abwarten, ob unsere Experimente welche entdecken können.“
Schwarzes-Loch-Donut
Wie so viele Geschichten über Schwarze Löcher beginnt auch diese mit Stephen Hawking – genauer gesagt mit seinem Beweis von 1972, dass die Oberfläche eines Schwarzen Lochs zu einem bestimmten Zeitpunkt eine zweidimensionale Kugel sein muss. (Während ein Schwarzes Loch ein dreidimensionales Objekt ist, hat seine Oberfläche nur zwei räumliche Dimensionen.)
Bis in die 1980er und 1990er Jahre, als die Begeisterung für die Stringtheorie zunahm, wurde wenig darüber nachgedacht, Hawkings Theorem zu erweitern – eine Idee, die die Existenz von vielleicht 10 oder 11 Dimensionen voraussetzt. Physiker und Mathematiker begannen dann ernsthaft darüber nachzudenken, was diese zusätzlichen Dimensionen für die Topologie Schwarzer Löcher bedeuten könnten.
Schwarze Löcher sind einige der verwirrendsten Vorhersagen von Einsteins Gleichungen – 10 verknüpfte nichtlineare Differentialgleichungen, die unglaublich schwierig zu handhaben sind. Sie können im Allgemeinen nur unter sehr symmetrischen und damit vereinfachten Umständen explizit gelöst werden.
Im Jahr 2002, drei Jahrzehnte nach Hawkings Ergebnis, die Physiker Roberto Emparan Und Harvey Real– jetzt an der Universität Barcelona bzw. der Universität Cambridge – fanden eine hochsymmetrische Schwarzes-Loch-Lösung für die Einstein-Gleichungen in fünf Dimensionen (vier Raum plus eine Zeit). Emparan und Reall nannten dieses Objekt ein „schwarzer Ring” – eine dreidimensionale Oberfläche mit den allgemeinen Konturen eines Donuts.
Es ist schwierig, sich eine dreidimensionale Oberfläche in einem fünfdimensionalen Raum vorzustellen, also stellen wir uns stattdessen einen gewöhnlichen Kreis vor. Für jeden Punkt auf diesem Kreis können wir eine zweidimensionale Kugel einsetzen. Das Ergebnis dieser Kombination aus Kreis und Kugeln ist ein dreidimensionales Objekt, das man sich wie einen festen, klumpigen Donut vorstellen könnte.
Im Prinzip könnten sich solche Donut-ähnlichen Schwarzen Löcher bilden, wenn sie sich mit genau der richtigen Geschwindigkeit drehen würden. „Wenn sie sich zu schnell drehen, brechen sie auseinander, und wenn sie sich nicht schnell genug drehen, werden sie wieder zu einem Ball“, sagte Rainone. „Emparan und Reall haben einen idealen Punkt gefunden: Ihr Ring drehte sich gerade schnell genug, um wie ein Donut zu bleiben.“