Schwarze Löcher und das sich ausdehnende Universum

In den letzten Jahren haben Wissenschaftler untersucht, wie Supermassive Schwarze Löcher (SMBHs) mit dem sich ausdehnenden Universum interagieren könnten. Einige Forscher denken, dass diese schwarzen Löcher mit der Zeit an Masse zunehmen könnten, während das Universum grösser wird. Das bedeutet, dass die Energiedichte dieser Löcher gleich bleiben könnte, während der Raum sich ausdehnt. Allerdings gibt es wichtige Regeln in der Physik, insbesondere in der allgemeinen Relativitätstheorie, die darauf hindeuten, dass die inneren Vorgänge eines schwarzen Lochs oder einer von Gravitation zusammengehaltenen Struktur die Expansion des Universums ausserhalb nicht wahrnehmen.

Das liegt daran, dass die Gravitationskräfte innerhalb dieser Systeme als wichtiger erachtet werden als die Auswirkungen der kosmischen Expansion. Zum Beispiel: Der Grund, warum wir hier auf der Erde nicht mit dem Universum expandieren, ist, dass wir Teil eines grösseren gravitativen Clusters sind, das als lokale Gruppe bekannt ist, und uns stabil hält.

#Expanding Universe und Dunkle Energie

Seit den späten 1990ern haben Beobachtungen von fernen Supernovae gezeigt, dass sich das Universum mit beschleunigter Rate ausdehnt. Das bedeutet, dass etwas bekannt als dunkle Energie (DE) vorhanden ist, das wie eine Kraft wirkt, die den Raum auseinanderzieht. Es gibt viele Ideen, was dunkle Energie sein könnte, einschliesslich:

1. Die Kosmologische Konstante, die aus der Quantenphysik stammt. Allerdings ist die Menge, die von den Theorien vorhergesagt wird, viel grösser als das, was wir beobachten.
2. Supersymmetrie, eine Theorie, die erklären könnte, warum bestimmte Teilchen Masse haben. Doch das führt ebenfalls zu Diskrepanzen bei den erwarteten Werten.
3. Verschiedene Skalartheorien, die beschreiben, wie Felder im Raum wirken. Trotzdem haben diese Theorien Schwierigkeiten zu erklären, warum die kosmologische Konstante klein ist.

In jüngsten Studien wurden schwarze Löcher als mögliche Mitverursacher der dunklen Energie vorgeschlagen. Beobachtungen deuten darauf hin, dass die Masse bestimmter schwarzer Löcher zunehmen könnte, während das Universum sich ausdehnt. Einige glauben, das könnte einen direkten Zusammenhang mit der Expansion des Universums herstellen und eine konstante Energiedichte schaffen, die der dunklen Energie ähnelt. Aber diese Idee wirft Fragen auf.

#Fragen zu schwarzen Löchern als Kandidaten für dunkle Energie

Ein grosses Anliegen ist, dass die Idee, schwarze Löcher wachsen aufgrund der kosmischen Expansion, aus statistischen Beobachtungen stammt und nicht aus solider theoretischer Unterstützung. Es gibt auch Verwirrung darüber, wie viel dunkle Energie diese schwarzen Löcher tatsächlich liefern könnten und ob ihre Energiezustände unter negativem Druck stabil bleiben können. Zudem ist das Problem, warum die kosmologische Konstante klein ist, nach wie vor ungelöst.

Laut der allgemeinen Relativitätstheorie wird die Entwicklung eines Systems nur von den lokalen Bedingungen beeinflusst, in denen es existiert, nicht von dem, was weit weg im Raum passiert. Daher sollte die Expansion des Universums die gravitativen Kräfte innerhalb einer Galaxie nicht beeinflussen.

#Gravitation und gebundene Systeme

Um diese Ideen zu verdeutlichen, haben Wissenschaftler bestimmte sphärische Strukturen im Universum untersucht, insbesondere wie sie sich in einem grösseren, sich ausdehnenden Universum verhalten. Mit einer bestimmten mathematischen Lösung können Forscher sehen, wie sich die Gravitationskräfte gegen die Expansion des Raums ausbalancieren. Da die Expansionsrate des Universums im Vergleich zu den starken Gravitationskräften in der Nähe massiver Objekte so niedrig ist, heben sich die Effekte der kosmischen Expansion effektiv auf.

Das zeigt, dass Objekte, die durch Gravitation zusammengehalten werden, wie Galaxienhaufen oder sogar unser Sonnensystem, nicht mit dem Universum expandieren. Diese Schlussfolgerung wird durch mathematische Modelle unterstützt, die das gravitative Verhalten innerhalb dieser Systeme mit dem sich ausdehnenden Universum verbinden.

#Die McVittie-Lösung

Eine wichtige Lösung in dieser Forschung ist als McVittie-Lösung bekannt. Diese Lösung hilft zu beschreiben, wie ein sphärischer Körper, wie ein schwarzes Loch oder eine Galaxie, innerhalb eines sich ausdehnenden Universums existiert. Dieses Modell zeigt eine entscheidende Einsicht: Auch wenn das Universum sich ausdehnt, sind die Objekte darin durch ihre eigenen Gravitationskräfte zusammengehalten.

Diese Kräfte halten die inneren Strukturen stabil, was bedeutet, dass sie die äussere Expansion nicht wahrnehmen oder darauf reagieren. Das gilt für Systeme wie unser Sonnensystem oder das Erde-Mond-System, unabhängig davon, wie sich das Universum aussen verändert.

#Analyse der Expansion

Um weiter zu analysieren, wie diese Interaktion funktioniert, schauen Wissenschaftler auf verschiedene Szenarien, in denen der innere Raum (das schwarze Loch oder die Galaxie) mit dem äusseren Raum (dem sich ausdehnenden Universum) interagieren kann. Sie verwenden Modelle, um diese beiden verschiedenen Räume zu verbinden und zu untersuchen, wie sie sich gegenseitig beeinflussen. Sie stellen fest, dass trotz unterschiedlicher Expansionsraten das Innere von dem Äusseren unbeeinflusst bleibt.

Was das wirklich klärt, ist, dass in lokalen Systemen die Expansion des Universums sich nicht auf die Strukturen auswirkt, die durch Gravitation zusammengehalten werden. Das bedeutet, ein schwarzes Loch spürt die Auswirkungen des sich ausdehnenden Universums um es herum nicht.

#Auswirkungen lokaler Kräfte

Die Ergebnisse legen nahe, dass unser Verständnis davon, warum wir und alles um uns herum nicht mit dem Universum expandiert, neu bewertet werden muss. Es geht nicht hauptsächlich darum, in einem gebundenen Zustand gegen eine schwache Kraft zu sein. Stattdessen ist der relevantere Faktor, dass wir tief innerhalb eines grösseren gravitativen Rahmens leben.

Selbst wenn wir freie Teilchen betrachten, die ohne äussere Kräfte treiben, würden auch sie die kosmische Expansion nicht spüren. Die Gravitation des grösseren Systems ist es, die alles an seinem Platz hält.

#Was, wenn die Beobachtungen sich ändern?

Wenn zukünftige Beobachtungen bestätigen, dass schwarze Löcher tatsächlich in Relation zur kosmischen Expansion wachsen, müssen wir unsere aktuellen Theorien zur Gravitation überdenken. Das bedeutet, herauszufinden, wie die allgemeine Relativitätstheorie angepasst werden muss, um dieses neue Wissen zu integrieren.

#Fazit

Zusammenfassend wird immer klarer, dass lokale gravitative Effekte eine zentrale Rolle spielen, während Forscher weiterhin die dynamische Beziehung zwischen schwarzen Löchern und dem sich ausdehnenden Universum untersuchen. Gravitationell gebundene Systeme bleiben weitgehend von der kosmischen Expansion unbeeinflusst. Diese Komplexität öffnet die Tür für weitere Erkundungen der Struktur des Universums und der grundlegenden Gesetze, die es regeln. Ein besseres Verständnis dieser Zusammenhänge könnte zu neuen Einsichten in das Universum selbst und die Rolle der dunklen Energie darin führen.