Kollidierende Wurmlöcher könnten ein Schwarzes Loch entstehen lassen, dessen Horizont anschließend schrumpft. In einer Computersimulation verlor die gemeinsame Grenzfläche rund 28 Prozent ihrer ursprünglichen Fläche. Verantwortlich ist ein hypothetisches Feld mit ungewöhnlichen Energieeigenschaften. Der Befund betrifft ein theoretisches Modell und ist kein Nachweis solcher Tunnel im Weltall.
Nikita M. Shirokov vom Moscow Institute of Physics and Technology und Ilya Nachevsky von der Higher School of Economics haben berechnet, was beim Aufeinandertreffen zweier sogenannter Ellis-Bronnikov-Wurmlöcher passiert. Ihre auf arXiv vorgestellte Untersuchung verfolgt die Entwicklung in drei Raumdimensionen über die Zeit. Die Arbeit liegt als noch nicht fachbegutachteter Preprint vor. Besonders auffällig ist ein Frontalzusammenstoß, bei dem beide Tunnel von einem gemeinsamen Horizont eingeschlossen werden. Danach nimmt dessen Fläche ab, obwohl das entstehende Schwarze Loch weiteres Feldmaterial aufnimmt.
Wurmlöcher sind hypothetische Verbindungen zwischen getrennten Bereichen der Raumzeit. In geeigneten mathematischen Modellen könnten sie einen kürzeren Weg zwischen weit entfernten Regionen ermöglichen. Grundlage ist die Allgemeine Relativitätstheorie, die Gravitation als Eigenschaft der gekrümmten Raumzeit beschreibt. Dass ihre Gleichungen solche Konstruktionen zulassen, bedeutet allerdings noch nicht, dass die Natur sie verwirklicht. Wie das Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik erläutert, wäre für durchquerbare Varianten Materie mit höchst exotischen Eigenschaften erforderlich.
Im untersuchten Modell übernimmt ein sogenanntes Phantomfeld diese Aufgabe. Es besitzt negative Energiedichte und hält die engste Stelle des Tunnels, seinen Hals, offen. Trotzdem bleibt das Gebilde instabil: Kleine Störungen können einen Kollaps oder eine starke Aufweitung auslösen. Die Projektbeschreibung des First Interstellar Institute zeigt zudem unterschiedliche Begegnungen. Je nach Vorzeichen ihrer skalaren Feldladungen ziehen sich die modellierten Wurmlöcher an oder stoßen sich ab. Auch ein enger Vorbeiflug ist möglich, bei dem kein gemeinsamer Horizont entsteht.
Beim untersuchten Frontalzusammenstoß entsteht kein größerer, gemeinsam durchquerbarer Tunnel. Stattdessen bildet sich eine Grenzfläche um beide noch offenen Wurmlochhälse. Die Autoren bestimmen dafür eine sogenannte marginal gefangene Fläche, die hier als scheinbarer Horizont bezeichnet wird. An ihr breitet sich ein nach außen gerichtetes Lichtbündel momentan nicht mehr mit wachsender Querschnittsfläche aus. Der Begriff „scheinbar“ bedeutet dabei nicht, dass die Grenze bloß eine optische Täuschung wäre. Er bezeichnet eine andere geometrische Definition als beim global bestimmten Ereignishorizont.
Die Fläche dieses gemeinsamen Horizonts sinkt im berechneten Verlauf um ungefähr 28 Prozent. Daraus folgt keine ebenso große Abnahme seines Radius: Weil die Fläche einer Kugel mit dem Quadrat ihres Radius wächst, entsprechen 72 Prozent der Ausgangsfläche einem flächenbezogenen Radius von knapp 85 Prozent des Anfangswerts. Die einfache Umrechnung ergibt somit rund 15 Prozent weniger Radius. Diese Unterscheidung erklärt, wie groß das berechnete Schrumpfen tatsächlich ausfällt. Ein vollständiges Verschwinden des Schwarzen Lochs ist damit nicht gezeigt.
Auch eine leuchtende Scheibe oder ein fotografierter dunkler Fleck ist mit der gemessenen Horizontfläche nicht gemeint. Die NASA unterscheidet den Ereignishorizont ausdrücklich von seiner sichtbaren Umgebung: Licht stammt beispielsweise von heißem Gas außerhalb dieser Grenze. Die starke Ablenkung des Lichts erzeugt außerdem einen Schatten, dessen Ausdehnung nicht mit der eigentlichen Horizontgröße übereinstimmt. Eine Veränderung der Helligkeit wäre deshalb für sich genommen noch kein Beleg, dass ein Horizont kleiner wird. In der Simulation wird die Geometrie direkt berechnet.
Nach Hawkings klassischem Flächensatz kann die gesamte Ereignishorizontfläche Schwarzer Löcher unter bestimmten Voraussetzungen nicht abnehmen. Verschmelzen zwei gewöhnliche Schwarze Löcher, darf die endgültige Fläche demnach nicht kleiner als die Summe der beiden ursprünglichen Flächen sein. Forscher haben diese Vorhersage unter anderem anhand des Gravitationswellensignals GW150914 überprüft. Die von der Cornell University beschriebene Auswertung fand ein Ergebnis, das mit dem Flächensatz übereinstimmt. Dabei wurden Eigenschaften des Systems vor und nach der Verschmelzung aus seinem Signal rekonstruiert.
Das Phantomfeld erfüllt jedoch gerade jene Energiebedingungen nicht, auf denen der klassische Satz beruht. Wenn negative Energie in den eingeschlossenen Bereich gelangt, kann der modellierte Horizont schrumpfen. Außerdem untersucht die Arbeit einen scheinbaren Horizont und verfolgt nicht die vollständige globale Grenze eines Ereignishorizonts. Deshalb liefert sie keinen Gegenbeweis zu Hawkings Theorem. Der Mechanismus unterscheidet sich auch von der Hawking-Strahlung: Diese beruht auf Quanteneffekten, während hier das bereits angenommene exotische Feld die entscheidende Rolle spielt.
Eine weitere Frage betrifft die Signale, die solche Vorgänge aussenden könnten. Bei einer gewöhnlichen spiralförmigen Annäherung zweier Schwarzer Löcher werden die ausgesandten Gravitationswellen typischerweise stärker und ihre Frequenz steigt. In hörbaren Darstellungen ergibt das ein charakteristisches Zirpen. Die Wellen transportieren Informationen über die Bewegung und Eigenschaften ihrer Quelle. Sie erlauben damit Untersuchungen von Vorgängen, die sich nicht einfach mit einem optischen Teleskop verfolgen lassen.
Die simulierten Wurmlochbegegnungen erzeugen dagegen kurze Ausbrüche. Ihre instabilen Hälse ermöglichen keine lange Annäherung über viele immer engere Umläufe. Doch ein kurzer Ausschlag allein wäre kein eindeutiger Fingerabdruck: Auch Schwarze Löcher können kurze Signale liefern. Das LIGO-Observatorium erläutert beispielsweise, dass besonders massereiche Paare den empfindlichen Frequenzbereich seiner Instrumente schneller durchlaufen. Entscheidend wäre deshalb der detaillierte Signalverlauf und nicht nur dessen Dauer.
Für einen tatsächlichen Fund müssten solche Wurmlöcher zunächst entstehen und ihre Signale die Erde in einem messbaren Frequenzbereich erreichen. Nach Einschätzung der Autoren würden die Wellen einer sehr frühen Population durch die Expansion des Universums so stark gedehnt, dass sie unterhalb der Messbereiche von LIGO und der geplanten Mission LISA lägen. Für eine ausreichend späte Entstehung kennen sie keinen geeigneten Mechanismus. Hinzu kommt, dass die berechneten Wellen in begrenzter Entfernung von der Quelle ausgewertet wurden. Ihre Übertragung auf weit entfernte Beobachter bleibt daher mit zusätzlichen Unsicherheiten verbunden.
Die Untersuchung beschreibt zudem eine bestimmte Klasse gleich schwerer, nicht rotierender Wurmlöcher. Ihre Ergebnisse lassen sich nicht automatisch auf jede denkbare Tunnelgeometrie übertragen. Ihr Nutzen liegt darin, die Folgen klar benannter Annahmen rechnerisch zu untersuchen und mögliche Signale einzugrenzen. Das überraschende Schrumpfen zeigt dabei, wie stark die Eigenschaften der angenommenen Materie den Ausgang einer kosmischen Kollision verändern können. Ob die Natur das dafür erforderliche Phantomfeld überhaupt bereitstellt, bleibt offen.
Quelle: arXiv, Binary Ellis-Bronnikov wormholes in 3+1 numerical relativity: mergers, fly-bys and gravitational waves; doi:10.48550/arXiv.2610.13206
Quelle: First Interstellar Institute, Binary Ellis-Bronnikov Wormholes
Quelle: LIGO Laboratory, Sources and Types of Gravitational Waves
