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Oldenburg/ Deutschland - Gemeinsam mit griechischen Kollegen ist es Physikern der Arbeitsgruppe Feldtheorie an der Universität Oldenburg gelungen zu zeigen, dass sogenannte Wurmlöcher, wie sie schon lange vornehmlich im Bereich der "Science Fiction" als Abkürzungen durch den interstellaren Raum beliebt sind, existieren können, auch ohne, dass - wie bislang - für ihre Stabilität exotische Materie herangezogen werden muss. Zumindest theoretisch könnten solche unmittelbaren Schnellstrecken durch das Universum also existieren und auch in der Praxis nachgewiesen werden.

Wie die Wissenschaftler um Professorin Jutta Kunz und den Privatdozenten Dr. Burkhard Kleihaus in Zusammenarbeit mit Professorin Panagiota Kanti von der griechischen Universität Ioannina in den Fachzeitschriften "Physical Review Letters" und "The Physical Review D" erläutern, könnten durch die von der Stringtheorie motivierten Gravitationstheorien Wurmlöcher existieren, die ganz erstaunliche Eigenschaften haben.

"Zwar ist die Existenz von Wurmlöchern auch laut der Einsteinschen Gravitationstheorie möglich, doch werden sie in dieser Theorie als rein hypothetisch angesehen, da sie als instabil gelten und nur in Anwesenheit von "exotischer" Materie - einer hypothetischen Materieform - existieren können", erläutern die Forscher in einer Pressemitteilung (physik.uni-oldenburg.de). Werde die Einsteinsche Gravitationstheorie aber durch Korrekturen der Stringtheorie modifiziert, so könnten auch Wurmlöcher mit wesentlich anderen Eigenschaften existieren.


Die anhand der Arbeiten der Forscher neu beschriebenen Wurmlöcher würden demnach keine "exotische" Materie benötigen, um existieren zu können, und scheinen darüber hinaus in einem bestimmten Parameterbereich sogar stabil zu sein. Zudem können diese Wurmlöcher im Prinzip beliebig groß sein - jedoch nicht beliebig klein.

Die Arbeitsgruppe Feldtheorie erforscht schon seit Jahren die Einsteinsche Allgemeine Relativitätstheorie und deren Lösungen. Die Forschungen gehen aber auch über die Einsteinsche Theorie hinaus, denn neuere Theorien wie z.B. die Stringtheorie lassen auf eine Vereinheitlichung von Quantentheorie und Gravitation hoffen. Und obwohl die untersuchte Einstein-Gauss-Bonnet-Dilaton-Theorie nur als "Toy-model" angesehen wird, modelliert sie doch wichtige Eigenschaften einer "realistischen" Gravitationstheorie mit Stringkorrekturen.

Zukünftige Forschungen der Arbeitsgruppe sollen die Existenz der Wurmlöcher, auch über die Einsteinsche Allgemeine Relativitätstheorie hinaus, näher untersuchen und auch deren mögliche astrophysikalische Konsequenzen analysieren.

Wie Kleihaus gegenüber "grenzwissenschaft-aktuell.de" erläuterte, ist hierzu auch eine Zusammenarbeit mit Astrophysikern geplant. "Eine mögliche Fragestellung wäre, ob Wurmlöcher den sogenannten Mikrolinseneffekt (Anm. d. Red.: also eine sichtbare Lichtablenkung durch massereiche Schwerkraftobjekte wie Riesensterne, dunkle Galaxien und Schwarze Löcher) hervorrufen können. Hier könnte man dann vielleicht beobachtbare Signale voraussagen, die Wurmlöcher von anderen astrophysikalischen Objekten unterscheiden wodurch die Wurmlöcher als solche entdeckt werden könnten."

Die Konsequenzen einer solchen Entdeckung wären kaum abzuschätzen, zumal die Forscher in ihrer Arbeit auch zeigen, dass solche Wurmlöcher nicht nur stabil sondern auch groß genug sein könnten, damit sie tatsächlich eines Tages als interstellare und intergalaktische "Kurzstrecken-Portale" genutzt werden könnten. Der Nachweis entsprechender Abkürzungen durch den Raum hätte aber möglicherweise auch Konsequenzen sozusagen in die entgegengesetzte Richtung - wäre doch schließlich davon auszugehen, dass weiter entwickelte Zivilisationen als die unsere, diese Entdeckung auch schon gemacht haben und die Möglichkeiten dieser Phänomene bereits technologisch und gezielt nutzen könnten.

Während Photonen (Lichtteilchen) und subatomare Partikel ungehindert derartige Wurmlöcher passieren könnten, wäre eine Reise für größere Objekte schon schwieriger, wenn auch nicht unmöglich. "Die Gravitationsunterschiede dürften während der gesamten Reise nicht zu groß sein, damit ein Objekt unbeschadet vom einen zum anderen Ende des Wurmlochs gelangen kann", so Kleihaus gegenüber dem "New Scientist" (newscientist.com). "Alleine um einen menschlichen Körper auf diese Weise unbeschadet zu transportieren, dürfte sich schon der Eingang zum Wurmloch nur sehr sanft krümmen und benötigte damit einen Durchmesser von mehreren hundert Lichtjahren." Zum Vergleich: Der Durchmesser unserer Heimatgalaxie, der Milchstraße, beträgt schätzungsweise rund 100.000 Lichtjahre.

Trotz derartiger Ausdehnungen könnten entsprechende Wurmlöcher dennoch sehr schwer zu finden sein, wenn sie etwa von Staub- und Gaswolken oder Sternen verdeckt werden und Schwarzen Löchern sehr ähnlich sehen. Laut den Wissenschaftlern könnte es sogar möglich sein, dass das vermeintliche Schwarze Loch im Zentrum der Milchstraße mit der Bezeichnung "Sagittarius A*", selbst in Wirklichkeit der Eingang eines Wurmlochs ist. Auch hier, so Kleihaus, könnte das exakte Studium des Verhaltens von Materie, die in dieses Objekt hineinfällt, dabei helfen, die Unterschiede herauszuarbeiten.

Bislang existiert zwar noch nicht die notwendige Beobachtungstechnologie, um genügend hochauflösende direkte Aufnahmen des Kerns eines Schwarzen Lochs zu erstellen, doch schon jetzt sind Teleskope in Planung, die dies am Beispiel von Sagittarius A* erreichen könnten. "Wenn es sich bei Sagittarius A* um ein Schwarzes Loch handelt, so wäre zu erwarten, dass etwa die Röntgenstrahlung regelrecht abgeschnitten wird, sobald diese den Ereignishorizont (also jene Schwelle also in Richtung des Schwarzen Lochs, an dem alles, was sie überschreitet unweigerlich in dieses hineingezogen wird) überquert. Handelt es sich jedoch um den Eingang zu einem Wurmloch, dann würden wir diese Strahlung weiterhin beobachten können, da Wurmlöcher keinen Ereignishorizont besitzen."



Künstlerische Interpretation eines Wurmlochs (Illu.). | Copyright: grewi.de / NASA

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Haben wir bereits Wurmlöcher entdeckt, nur noch nicht erkannt?


Archivbild: Die erste Abbildung eines Schwarzen Lochs bzw. der erhitzen Materiescheibe unmittelbar vor dem Ereignishorizont. Hier zu sehen das supermassereiche Schwarze Loch „M87*“ im Zentrum der Galaxie „Messier 87“. Sehr ähnlich könnte auch der Eingang eines Wurmlochs erscheinen.
Copyright: Event Horizon Telescope (EHT Collaboration)

Sofia (Bulgarien) – Das Konzept eines Wurmlochs dürfte den meisten durch Science-Fiction-Serien wie Star Trek ein Begriff sein. Tatsächlich basiert die Vorstellung einer solchen Abkürzung durch den Raum (und Zeit) in der Physiktheorie. Entdeckt wurde bislang allerdings keines dieser Objekte. Eine aktuelle Studie bulgarischer Astronomen vermutet nun, dass wir bereits Wurmlöcher gefunden, sie allerdings noch nicht als solche erkannt haben könnten.
Wie das Team um Valentin Deliyski von der Universität Sofia aktuell im Fachjournal „Physical Review D.“ (DOI: 10.1103/PhysRevD.106.104024) berichtet, könnten Wurmlöcher für Betrachter ähnlich erscheinen wie Schwarze Löcher. Die Forschenden vermuten deshalb, dass wir bereits einige Wurmlöcher entdeckt, diese jedoch nicht als solche erkannt haben könnten, weil wir sie für Schwarze Löcher halten. Zugleich liefern die Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen aber auch erste Ansätze dafür, wie Wurmlöcher erkannt und von Schwarzen Löchern unterschieden werden könnten.

Hintergrund
Wurmlöcher sind theoretische Gebilde, die sich aus speziellen Lösungen (Kruskal-Lösungen) der Feldgleichungen der allgemeinen Relativitätstheorie ergeben. Erstmals wurden sie im Jahre 1916 von Ludwig Flamm sowie erneut im Jahre 1935 von Albert Einstein und Nathan Rosen beschrieben. Sie werden daher auch Einstein-Rosen-Brücke genannt. Der englische Begriff „Wormhole“ wurde 1957 von John Archibald Wheeler geprägt. Der Name Wurmloch stammt von der Analogie mit einem Wurm, der sich durch einen Apfel hindurchfrisst. Er verbindet damit zwei Seiten desselben Raumes (der Oberfläche) mit einem Tunnel. Das veranschaulicht das Merkmal der Kruskal-Lösungen, zwei Orte im Universum zu verbinden.
(Quelle: Wikipedia)


Grafische Darstellung des Konzepts eines Wurmlochs (Illu.)
Copyright/Quelle: relativity.phys.uni-sofia.bg

Im Gegensatz zu sogenannten Schwarzen Löchern, deren Masse so gewaltig ist, dass ihrer Schwerkraft ab einer gewissen Grenze nicht einmal mehr das Licht entkommen kann, könnten – so die Einstein‘sche Theorie – statt solcher Schwerkraftgruben auch sozusagen Schwerkraft-Bergspitzen entstehen, die alles, was sich ihnen nähert von sich stoßen und sich im Gegensatz zu ihren dunklen Gegenstücken somit durch starke Teilchen- und Strahlungsströme verraten würden. Kämen nun die beiden Eigenschaften dieser Schwarzen und Weißen Löcher zusammen, so könnte die von einem Schwarzen Loch verbogenen Raum-Zeit die Gipfel zweier Weißen Löcher wie die besagte „Brücke“ miteinander verbinden. Eine solche Verbindung würde sich erwartungsgemäß über schier unvorstellbar weite Distanzen erstrecken, damit aber auch zeitgleich eine gewaltige Abkürzung dazwischen darstellen. Ebenfalls physik-theoretischen möglich wäre dann auch, dass Materie über bzw. durch diese Brücke wie in einem kosmischen Tunnel reisen, von einem zum anderen Ende reisen könnte, ohne an Information zu verlieren.

Um dieses Konzept zu untersuchen, haben Valentin Deliyski, Galin Gyulchev, Petya Nedkova, und Stoytcho Yazadjiev untersucht, wie die Eingänge einer solchen Brücke, also eines Wurmlochs astronomisch erscheinen würden, wenn sie mit irdischen Teleskopen wie beispielsweise dem „Event Horizon Telescope“ (EHT) beobachtet würden.


Simulation der Polarisation des Lichts rund um den Eingang eines simulierten Wurmlochs (farbig). Zum Vergleich dazu ist die eines Schwarzen Lochs durch die schwarze gestrichelte Linie dargestellt (Illu).
Copyright/Quelle: Deliyski et al., Physical Review D, 2022

Hierzu haben die Forschenden ein vereinfachtes Modell eines solchen Wurmloch-Eingangs in auf der Grundlage dieser Simulationen kommen die Physiker und Physikerinnen zu dem Schluss, dass solche Teilchen strake elektromagnetische Felder erzeugen würden, die sich in vorhersagbaren Mustern verhalten und jegliches Licht, das von derart erhitzter Materie abgegeben würde, mit einer als solche klar erkenn- und unterscheidbaren Signatur polarisieren würde. (Auf ähnliche Weise erlaubt uns das Licht derartiger Materie, die Abbildung des Ereignishorizonts der Schwarzen Löcher in der Galaxie Messier 87, M87*, und unserer eigenen Milchstraße, …GreWi berichtete). Allerdings sei es zunächst schwer, diese Erscheinung eines Wurmlocheingangs von der eines Schwarzen Lochs zu unterscheiden. Vergleiche der Simulationen zeigten, dass sich der Eingang eines Wurmlochs nur zu 4 Prozent von dem Bild eines Schwarzen Lochs bzw. dessen final aufleuchtender Materiescheibe unterscheiden würde. Lediglich anhand des unterschiedlichen Durchmessers bei gleichen sonstigen Faktoren, könnte ein Hinweis darauf geben, dass es sich um ein (dann kleineres) Wurmloch handelt.

Vor diesem Hintergrund könnte etwa das Schwarze Loch „M87*“ im Zentrum von Messier 87 ebenso gut auch ein Wurmloch sein. Zugleich könnten sich Wurmlöcher auch in der Nähe von Schwarzen Löchern befinden, was eine Unterscheidung noch schwerer machen würde.

Dennoch zeigen sich die Forschenden zuversichtlich, dass eine Unterscheidung möglich wäre. So würden sich vermutlich einige spezielle Eigenschaften der beiden Objekte unterscheiden, wenn sie indirekt mittels einer sog. Gravitationslinse beobachtet werden.

Hintergrund
Als Gravitationslinseneffekt wird in der Astronomie die Ablenkung von Licht durch große Massen bezeichnet. Der Name rührt her von der Analogie zu optischen Linsen und der wirkenden Kraft Gravitation. Grundsätzlich wird dabei das Licht einer entfernten Quelle wie eines Sterns, einer Galaxie oder eines anderen astronomischen Objekts durch ein vom Betrachter gesehen davorliegendes Objekt, die Gravitationslinse beeinflusst.
Lichtstrahlen, die von einer Gravitationslinse abgelenkt werden, werden umso stärker zur Masse hin abgelenkt, je näher sie an der ablenkenden Masse vorbeilaufen. Eine Gravitationslinse konzentriert das Licht, das an der ablenkenden Masse vorbeiläuft, auf die Achse zwischen Objekt und Beobachter. In verschiedenen Abständen am Objekt vorbeilaufende Lichtstrahlen schneiden aber die Achse in verschiedenen Entfernungen. Infolgedessen kann eine Gravitationslinse im Sinne der abbildenden Optik kein reelles Bild erzeugen. Die stattdessen erzeugte Lichtverteilung ist eine Kaustik.

Im Gravitationsfeld der Gravitationslinse ändert sich die Ausbreitungsrichtung des Lichtes, sodass die Position der Quelle am Himmel verschoben erscheint. Auch kann ihr Bild dabei verstärkt, verzerrt oder sogar vervielfältigt werden. (…) Je nach Masse und Form (Massenverteilung) der beteiligten Objekte und ihrer Lage zueinander kann der Effekt unterschiedlich stark ausfallen, von spektakulär verzerrten Mehrfachbildern bis hin zu nur leichten Helligkeitsänderungen, sodass man vom starken Gravitationslinseneffekt, vom Schwachen Gravitationslinseneffekt und vom Mikrolinseneffekt spricht.
(Quelle: Wikipedia)

Zudem könnten wir ein Wurmloch auch als solches erkennen, wenn wir es im richtigen Winkel beobachten könnten – dann, wenn Licht den Eingang genau in unsere Blickrichtung durchqueren und so die beschriebene einzigartige Signatur aufzeigen würde. Zukünftige Analysen sollen nun weitere Wege untersuchen, wie Wurmlöcher auch auf anderen Wegen erkannt werden können.

Recherchequellen: Physical Review D
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