Nein, wir wissen nicht, wie schwarze Löcher aussehen.

Raum

Mit Informationen von SISSA - 05.09.2025

Gewöhnliche Schwarze Löcher haben einen unendlichen Gravitationsbrunnen (links), während normale Schwarze Löcher und Schwarzloch-Imitatoren endliche Gravitationsbrunnen haben (Mitte und rechts); der Unterschied zwischen beiden liegt in der Tiefe des Brunnens. Die gemeinsame Eigenschaft tiefer Gravitationstrichter (weit unterhalb der Lichtringe) ermöglicht diesen Objekten eine ähnliche Phänomenologie. [Bild: Raúl Carballo-Rubio et al. - 10.48550/arxiv.2501.05505]

Ein Punkt, an dem nichts mehr geht

Seit die Allgemeine Relativitätstheorie auf die Existenz Schwarzer Löcher hinwies, bereitet der wissenschaftlichen Gemeinschaft eine Besonderheit Sorge: Die Singularität in ihrem Zentrum, ein hinter dem Ereignishorizont verborgener Punkt, an dem die physikalischen Gesetze, die den Rest des Universums bestimmen, völlig außer Kraft zu treten scheinen.

Um diesen Nachteil zu beseitigen, arbeiten Forscher seit einiger Zeit an alternativen singularitätsfreien Modellen .

Ein neuer Vorschlag wurde gerade in einem Artikel vorgestellt, der als Ergebnis eines Treffens von Schwarzlochexperten am Institut für Fundamentalphysik des Universums (IFPU) in Italien verfasst wurde. Das Papier beschreibt zwei alternative Modelle, schlägt Beobachtungstests vor und untersucht, wie diese Forschungsrichtung auch zur Entwicklung einer Theorie der Quantengravitation beitragen kann.

„Hier sind die Löwen“, bemerkt Professor Stefano Liberati. Der Ausdruck bezieht sich auf die hypothetische Singularität, die im Zentrum von Standard-Schwarzen Löchern vorhergesagt wird, also von Schwarzen Löchern, die durch Lösungen der Feldgleichungen Einsteins beschrieben werden. Um zu verstehen, was dies bedeutet, ist ein kurzer historischer Rückblick hilfreich.

Darstellung der drei Klassen sphärisch symmetrischer Raumzeiten. [Bild: Raúl Carballo-Rubio et al. - 10.48550/arxiv.2501.05505]

Die Geschichte der Schwarzen Löcher

Im Jahr 1915 veröffentlichte Einstein seine bahnbrechende Arbeit zur allgemeinen Relativitätstheorie. Nur ein Jahr später fand der deutsche Physiker Karl Schwarzschild eine exakte Lösung dieser Gleichungen, die auf die Existenz extremer Objekte hindeutete, die heute als Schwarze Löcher bekannt sind. Dabei handelt es sich um Objekte mit einer so konzentrierten Masse, dass nichts – nicht einmal Licht – ihrer Gravitationsanziehung entkommen kann, daher der Begriff „schwarz“.

Von Anfang an traten jedoch auch problematische Aspekte zutage und lösten eine jahrzehntelange Debatte aus. In den 1960er Jahren wurde klar, dass die Krümmung der Raumzeit im Zentrum eines Schwarzen Lochs tatsächlich unendlich wird: eine Singularität, in der die Gesetze der Physik nicht mehr gelten.

Wenn diese Singularität real ist und nicht nur ein mathematisches Artefakt darstellt, bedeutet dies, dass die allgemeine Relativitätstheorie unter extremen Bedingungen versagt. Für einen Großteil der wissenschaftlichen Gemeinschaft ist die Verwendung des Begriffs „Singularität“ zu einer Art weißem Fahnensignal geworden: Es signalisiert, dass wir einfach nicht wissen, was in dieser Region vor sich geht.

Obwohl die Debatte über Singularitäten anhält, haben die wissenschaftlichen Beweise für die Existenz Schwarzer Löcher seit den 1970er Jahren stetig zugenommen und in wichtigen Meilensteinen wie den Nobelpreisen für Physik in den Jahren 2017 ( Nachweis von Gravitationswellen ) und 2020 ( Theorie und Beobachtung Schwarzer Löcher ) ihren Höhepunkt erreicht.

Weitere Schlüsselmomente waren die erste Entdeckung von Gravitationswellen im Jahr 2015 – die die Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher offenbarte – und die außergewöhnlichen Bilder, die das Event Horizon Telescope (EHT) 2019 ( Erstes Bild eines Schwarzen Lochs ) und 2022 ( Bild des Schwarzen Lochs im Zentrum der Milchstraße ) aufnahm. Bisher hat jedoch keine dieser Beobachtungen endgültige Antworten auf die Frage nach der Natur von Singularitäten geliefert.

Unbekanntes Gebiet

Und damit sind wir wieder bei den „Löwen“, auf die sich Liberati bezieht: Wir können die Physik Schwarzer Löcher nur bis zu einer bestimmten Entfernung vom Zentrum beschreiben. Dahinter verbirgt sich das Mysterium – eine Situation, die für die Wissenschaft inakzeptabel ist.

Aus diesem Grund suchen Forscher schon lange nach einem neuen Paradigma, in dem die Singularität durch die Quanteneffekte „geheilt“ wird, die die Schwerkraft unter derartigen extremen Bedingungen aufweisen muss. Dies führt natürlich zu Modellen von Schwarzen Löchern ohne Singularitäten, wie sie in der Arbeit von Liberati und seinen Mitarbeitern untersucht werden.

Einer der interessanten Aspekte des neuen Papiers ist sein kollaborativer Ursprung. Dies ist weder die Arbeit einer einzelnen Forschungsgruppe noch ein traditioneller Übersichtsartikel. „Es ist mehr als das“, erklärt Liberati. Es entstand aus einer Reihe von Diskussionen führender Experten auf diesem Gebiet – Theoretiker und Phänomenologen, Nachwuchsforscher und erfahrene Forscher – die alle während eines Arbeitstreffens an der IFPU zusammenkamen. Das Papier ist eine Synthese der in den Sitzungen vorgestellten und diskutierten Ideen, die in etwa der Struktur des Papiers selbst entsprechen.

Der Mehrwert liege laut Liberati im Gespräch selbst: „Zu mehreren Themen hatten die Teilnehmer zunächst unterschiedliche Ansichten – und einige beendeten die Sitzungen mit zumindest teilweise geänderten Meinungen.“

Zwei nicht singuläre Alternativen

Während dieses Treffens wurden drei Hauptmodelle von Schwarzen Löchern skizziert: Das von der klassischen allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagte Standard-Schwarze Loch mit einer Singularität und einem Ereignishorizont; das reguläre Schwarze Loch, das die Singularität eliminiert, aber den Horizont aufrechterhält; und das nachahmende Schwarze Loch, das die äußeren Eigenschaften eines Schwarzen Lochs reproduziert, aber keine Singularität oder Ereignishorizont aufweist.

In dem Artikel wird außerdem beschrieben, wie sich normale Schwarze Löcher und Nachahmer Schwarzer Löcher bilden können, wie sie sich ineinander verwandeln können und, was am wichtigsten ist, welche Art von Beobachtungstests sie eines Tages von Standard-Schwarzen Löchern unterscheiden könnten.

Obwohl die bisher gesammelten Beobachtungen bemerkenswert sind, sagen sie uns nicht alles. Seit 2015 haben wir Gravitationswellen aus der Verschmelzung schwarzer Löcher registriert und Bilder der Schatten zweier schwarzer Löcher erhalten: M87* und Sagittarius A*. Allerdings konzentrieren sich diese Beobachtungen nur auf den äußeren Teil – sie geben keinen Aufschluss darüber, ob sich im Zentrum eine Singularität befindet.

„Aber es ist nicht alles verloren“, sagte Liberati. „Reguläre Schwarze Löcher und insbesondere Mime sind nie exakt identisch mit gewöhnlichen Schwarzen Löchern – nicht einmal außerhalb des Horizonts. Beobachtungen dieser Regionen könnten uns daher indirekt etwas über ihre innere Struktur verraten.“

Dazu müssen wir mithilfe immer ausgefeilterer Instrumente und unterschiedlicher Beobachtungskanäle subtile Abweichungen von den Vorhersagen der Einstein-Theorie messen. Im Fall von Mimics könnten beispielsweise hochauflösende Bilder des Event Horizon Telescope unerwartete Details im um diese Objekte gebogenen Licht enthüllen – etwa komplexere Photonenringe.

Darüber hinaus können Gravitationswellen subtile Anomalien aufweisen, die mit nicht-klassischen Raum-Zeit-Geometrien vereinbar sind. Und die Wärmestrahlung von der Oberfläche eines horizontlosen Objekts – beispielsweise eines Mimic – könnte einen weiteren vielversprechenden Hinweis liefern.

Eine vielversprechende Zukunft

Um genau zu bestimmen, nach welcher Art von Störungen wir suchen sollten und wie stark diese sein könnten, reicht der derzeitige Wissensstand noch nicht aus. In den kommenden Jahren werden jedoch erhebliche Fortschritte im theoretischen Verständnis und in der numerischen Simulation erwartet. Dies wird die Grundlage für neue Beobachtungsinstrumente legen, die speziell im Hinblick auf alternative Modelle entwickelt wurden.

Wie bei Gravitationswellen wird die Theorie die Beobachtung leiten – und dann wird die Beobachtung die Theorie verfeinern und vielleicht sogar bestimmte Hypothesen ausschließen.

Diese Forschungsrichtung ist äußerst vielversprechend: Sie könnte zur Entwicklung einer Quantentheorie der Gravitation beitragen, einer Brücke zwischen der allgemeinen Relativitätstheorie – die das Universum im großen Maßstab beschreibt – und der Quantenmechanik, die die subatomare Welt regelt.

„Die Zukunft der Schwerkraftforschung ist eine wahrhaft aufregende Zeit. Wir treten in eine Ära ein, in der sich vor uns eine riesige und unerforschte Landschaft auftut“, so Liberati abschließend.

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