Weißes Loch

Das Spiegelbild eines Schwarzen Lochs: wie man eines machen könnte und wie es aussähe

Ein Gedankenspiel: Die Physik erlaubt es auf dem Papier, gesehen hat es noch niemand. Alles folgt der heutigen Theorie.

Schritt für Schritt

Ein Schwarzes Loch, rückwärts

Die Gleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie funktionieren gleich, in welche Richtung die Zeit läuft. Spielt man die Geschichte eines Schwarzen Lochs rückwärts ab, erhält man ein Weißes Loch: etwas, in das nichts hineinkann und das Materie ausstößt.

Ein Schwarzes Loch ist ein Ort, aus dem nichts, nicht einmal Licht, entkommen kann. Einsteins Gleichungen kümmert die Richtung der Zeit nicht, also haben sie eine Spiegellösung: ein Weißes Loch, aus dem Dinge herauskommen und in das nichts hineingehen kann. Igor Nowikow schlug 1964 vor, dass es solche Objekte wirklich geben könnte.

Von weitem sehen beide gleich aus. Die Schwerkraft außerhalb eines Weißen Lochs ist dieselbe wie außerhalb eines Schwarzen Lochs gleicher Masse, also krümmt sich das Licht ebenso um es herum und Planeten würden es ebenso umkreisen. Der Unterschied liegt am Rand: am Horizont eines Schwarzen Lochs geht alles hinein, an dem eines Weißen kommt alles heraus.

Nie wurde ein Weißes Loch gefunden. Alles hier ist Theorie: das Bild ist ein Schwarzes Loch von zehn Sonnen, 59 km im Durchmesser, und was folgt, ist, was die Gleichungen über sein Spiegelbild sagen.

Eine Karte, vier Gebiete

Die vollständige Lösung der Einstein-Gleichungen für ein einzelnes Schwarzes Loch enthält vier Gebiete: unser Universum, ein Schwarzes Loch, ein Weißes Loch und ein anderes Universum. Das Weiße Loch liegt in der Vergangenheit, das Schwarze Loch in der Zukunft.

1960 fanden Kruskal und Szekeres die vollständige Karte des Raums um ein Schwarzes Loch. Gezeichnet als Diagramm, in dem Licht immer unter 45 Grad läuft, ist sie ein Quadrat, von seinen beiden Diagonalen in vier Dreiecke geteilt. Unser Universum liegt rechts und die Zeit läuft nach oben.

Alles, was aus unserem Universum hineinfällt, gelangt in das Gebiet oben, das Schwarze Loch. Alles, was je aus dem Weißen Loch herauskam, tat es aus dem Gebiet unten, in der Vergangenheit. Nichts aus unserem Universum kann in das Weiße Loch hinein, denn das hieße, in der Zeit zurückzugehen.

Ein Schwarzes Loch aus einem kollabierenden Stern hat kein Weißes-Loch-Gebiet: die Oberfläche des Sterns schneidet die Karte, und das Weiße Loch und das zweite Universum sind nie da. Darum braucht ein Weißes Loch eine eigene Geschichte, wie es entstehen könnte.

Wie man eines machen könnte

Nichts Bekanntes erzeugt eines. Eine Idee: ein kollabierender Stern erreicht den dichtesten Zustand, den die Quantengravitation erlaubt, prallt zurück, und das Schwarze Loch wird zu einem Weißen Loch. Der Rückprall ist gezeichnet.

Einsteins Theorie sagt, die Materie in einem Schwarzen Loch kollabiere zu einem Punkt unendlicher Dichte, woran kaum jemand glaubt. Die Schleifenquantengravitation, ein Versuch, Gravitation und Quantenphysik zu verbinden, sagt, der Raum lasse sich nicht unter eine kleinste Größe pressen, also stoppt der Kollaps und prallt zurück: ein Planck-Stern.

Die andere Idee ist älter. Nowikow schlug 1964 vor, dass manche Gebiete des frühen Universums hinter der Expansion zurückblieben und spät als Weiße Löcher herausbrachen. Rovelli und Vidotto argumentierten 2018, winzige Überreste verdampfter Schwarzer Löcher könnten Weiße Löcher sein und einen Teil der Dunklen Materie ausmachen. Keines wurde gesehen.

Die letzte Tausendstelsekunde

Wenn ein Stern zu einem Schwarzen Loch kollabiert, kriecht seine Oberfläche, von weitem gesehen, auf den Horizont zu, rötet sich und verblasst bei zehn Sonnen um den Faktor e alle Viertelmillisekunde (Ames und Thorne, 1968). Rückwärts ist das ein sich öffnendes Weißes Loch: eine dunkle Scheibe, dann ein schwaches rotes Glühen, das heller wird und blauweiß erstrahlt.

Das ist eine exakte Lösung, der Kollaps einer Staubkugel rückwärts (Oppenheimer und Snyder, 1939). Die Oberfläche des Sterns käme aus dem Schatten, zuerst genau am Horizont und dann immer höher, bis der ganze Schatten voller Licht ist.

Der Schatten bleibt also nicht lange schwarz: Licht, das gefangen wäre, kann aus einem Weißen Loch heraus. Jeder Teil dieses Schritts ist nach den Gleichungen gezeichnet. Nie hat jemand etwas Derartiges gesehen.

Es kann nicht bestehen

In ein Weißes Loch kann nichts fallen, aber alles in der Nähe versucht es. 1974 zeigte Eardley, dass Licht, das auf eines zufällt, sich an seinem Rand anstauen, unbegrenzt Energie gewinnen und es in ein Schwarzes Loch verwandeln würde.

Der Horizont eines Weißen Lochs kann nur verlassen, nie in der Gegenrichtung überschritten werden. Aber Materie und Licht von außen bewegen sich weiter auf es zu, von seiner Schwerkraft gezogen, und kommen nicht hinein. Also sammeln sie sich am Horizont, wie Verkehr vor einem geschlossenen Tor.

Von der Materie aus gesehen, die aus dem Weißen Loch kommt, wird diese Menge von Nachzüglern zusammengedrückt und ohne Grenze blauverschoben. Douglas Eardley zeigte 1974, dass selbst der schwächste Einfall genug Energie trägt, um das Weiße Loch zu einem Schwarzen Loch kollabieren zu lassen. Im selben Jahr fanden Seldowitsch, Nowikow und Starobinski eine zweite Instabilität, aus Quanteneffekten.

Darum erwartet man kein ewiges Weißes Loch: wenn eines entstünde, wäre es kurzlebig. Die hellblaue Schale, die hier gezeichnet ist, steht für das fallende Licht; man kann es nicht sehen.

Ein Weißes Loch zum Selbermachen

Man kann ein Weißes Loch für Wellen machen. 2011 schickten Weinfurtner und Kollegen Wellen gegen eine schnelle Strömung in einem Wasserkanal: wo die Strömung sie überholte, wurden sie gestoppt, wie Licht am Rand eines Weißen Lochs.

Wellen auf Wasser laufen mit einer Geschwindigkeit, die von ihrer Länge abhängt. Lässt man das Wasser über einer glatten Erhebung schneller strömen, werden lange Wellen, die stromaufwärts laufen, langsamer, bis die Strömung ihrer Geschwindigkeit gleicht. Dort können sie nicht weiter: ein Rand, den Wellen nicht überqueren, wie der Horizont eines Weißen Lochs für Licht.

An diesem Rand werden die langen Wellen in kurze umgewandelt, das Analogon zu dem, was mit Licht an einem Weißen Loch geschieht. Silke Weinfurtners Team maß es 2011 (Physical Review Letters) und fand, dass die Umwandlung den thermischen Charakter hatte, den man für Hawking-Strahlung vorhersagt. Rousseaux und Kollegen hatten 2008 in einem Becken eine ähnliche Umwandlung gesehen.

Es ist kein echtes Weißes Loch: keine Schwerkraft, kein Licht, nur Wasser. Aber die Mathematik ist dieselbe, weshalb solche Becken benutzt werden, um Ideen über Schwarze und Weiße Löcher zu prüfen. Die Wellen und die Strömung hier sind gezeichnet.

War der Urknall ein Weißes Loch?

Im größten Maßstab sieht der Urknall wie ein Weißes Loch aus: ein Ausbruch von Materie aus einem Punkt. Manche Physiker denken, unser Universum sei das Innere eines Schwarzen Lochs, das zurückgeprallt ist. Der Rückprall ist gezeichnet.

Das Innere einer kollabierenden Staubkugel ist ein geschlossenes Universum rückwärts, wie Oppenheimer und Snyder 1939 fanden. Lässt man es stattdessen vorwärts laufen, ist die Kugel ein sich ausdehnendes Universum, das aus einem Punkt beginnt: ein Urknall. Beides ist dieselbe Mathematik, jedes das Spiegelbild des anderen.

1972 schlug Raj Pathria vor, unser Universum könnte das Innere eines Schwarzen Lochs in einem größeren sein. Nikodem Popławski schlug 2010 eine Version vor, in der Spin und Torsion den Kollaps im Inneren jedes Schwarzen Lochs stoppen und es in ein neues, sich ausdehnendes Universum zurückprallen lassen.

Das sind Ideen, keine Ergebnisse. Nichts, was wir messen können, unterscheidet sie vom gewöhnlichen Urknall, und das wirkliche Universum dehnt sich überall zugleich aus, nicht in einem Ausbruch von einem Ort.

Hat jemand eines gesehen?

Nein. Manche Ideen sagen, winzige Weiße Löcher könnten jetzt als schnelle Radioblitze aufblitzen oder als Dunkle Materie verborgen sein, aber kein Signal wurde mit einem verbunden. Ein Weißes Loch bleibt in den Gleichungen.

Barrau, Rovelli und Vidotto schlugen 2014 vor, dass ein im frühen Universum entstandenes Schwarzes Loch heute in ein Weißes Loch zurückprallen und einen Ausbruch von Radiowellen abgeben könnte. Schnelle Radioblitze, Millisekunden-Blitze unbekannten Ursprungs, haben Wellenlängen, die nicht weit von ihrer Schätzung liegen. Das ist eine Vermutung über ihre Ursache, ohne Belege.

Rovelli und Vidotto argumentierten 2018, Weiße Löcher von Planck-Größe, die bleiben, wenn winzige Schwarze Löcher fertig verdampft sind, könnten einen Teil der Dunklen Materie ausmachen. Solche Objekte wären viel zu klein, um direkt gesehen zu werden.

Ein Weißes Loch ist also dort, wo es anfing: ein Spiegelbild in den Gleichungen, ohne Beobachtung, die es braucht, und mit einem guten Grund, warum es nicht lange bestehen könnte. Die Becken zeigen, dass die Mathematik stimmt; ob die Natur je eines macht, ist offen.