Gravitation und Exotische Materie

Gravitation ist die schwächste der vier Grundkräfte der Natur und doch bestimmt sie wie keine zweite die Gestalt und die Entwicklung unseres Universums. Sie ist der Motor aller Bewegung und – sofern die aktuellen Theorien stimmen – liefert die Gravitationskraft der riesigen Schwarzen Löcher, die im Zentrum der meisten Galaxien lauern, die gigantischen Energiemengen, die zur Bildung neuer Sterne notwendig sind.

Obwohl die Gravitation so schwach ist, leistet sie doch Erstaunliches. Sie kann bei großen Massen so stark werden, dass Materie unter ihrer eigenen Last immer weiter komprimiert wird. Letztendlich führt genau dieser Effekt bei hinreichend großen Massen zur Bildung der Schwarzen Löcher. Aber was geschieht eigentlich vorher, sozusagen kurz bevor der Schwarzschild-Radius, also die kritische Grenze, ab der alles zu einem schwarzen Loch kollabiert, überschritten wird?

RaumzeitkrümmungDas ist eine spannende Frage und wir wissen durchaus eine Menge darüber. Nach der Relativitätstheorie krümmt jede Masse die Raumzeit. Die Verzerrung ist umso stärker, je größer diese Masse ist. Aber, wie oben schon erwähnt, wird der Raum erst ab einer bestimmten Massekonzentration so stark gekrümmt, dass der dann entstehenden Singularität keine Information mehr entkommen kann. Ist die Masse geringer, können wir diese Objekte beobachten. Willkommen in der Welt der Weißen Zwerge, Neutronensterne und der hypothetischen Quarksterne.

Die uns bekannte Materie besteht aus Atomen und diese wiederum aus Protonen, Neutronen und Elektronen, so viel wissen wir noch aus der Schule. Seit wir große Teilchenbeschleuniger gebaut haben, wissen wir allerdings auch, dass diese elementaren Bausteine der Atome noch nicht das Ende sind. Vielmehr sind selbst aus noch kleineren Elementarteilchen, den sogenannten Quarks, aufgebaut. Und möglicherweise sind auch diese nicht elementar, aber das ist eine andere Geschichte.

Was geschieht nun mit Materie, wenn sie unter der Last der Eigengravitation immer weiter komprimiert wird? Der gesunde Menschenverstand sagt, dass sie unter dem enormen Druck zermatscht wird. Und das ist auch so, denn ab einem bestimmten Punkt wird die schwache Kernkraft überwunden und die Atome zerfallen in ihre Bestandteile. Wie weit dieser Prozess geht, ist abhängig von der Ausgangsmasse.
Unsere Sonne würde es am Ende ihres Lebens nur bis zu einem Weißen Zwerg schaffen. Sie wäre damit ungefähr so groß wie die Erde. Die Gravitationskräfte reichen in dem Fall aber noch nicht aus, um die schwache Kernkraft zu überwinden und die atomare Struktur bleibt daher erhalten. Die Sonne würde als ein riesiger Diamant enden, denn Weiße Zwerge bestehen im Wesentlichen aus Kohlenstoff.
Bei einem ausgebrannten Stern mit einer größeren Ausgangsmasse geht der Prozess allerdings weiter und diese enden als Neutronensterne. Neutronensterne haben einen Durchmesser von vielleicht 20 km bei 2-3 Sonnenmassen. In ihnen sind die Atome bereits zerfallen und die Materie besteht zum größten Teil aus reinen Neutronen, daher auch der Name. Pulsar Diese hochverdichteten Kugeln drehen sich sehr schnell und einige stoßen dabei eine pulsierende Strahlung aus. Sie werden daher auch Pulsare genannt und da die Drehfrequenz und Position konstant sind, gelten Pulsare auch als das GPS-Navigationssystem des Universums.

Spannend ist nun, wie der Zerfall der Materie weitergeht. Theoretische Modelle sagen voraus, dass die Neutronen bei zunehmenden Druck quasi fusionieren und sich neue Formen der Materie bilden könnten. Es ist von sogenannter Exotischer Materie die Rede, in der die Teilchen nicht aus drei, sondern aus sechs Quarks aufgebaut sein könnten. Diese Materieform hätte äußerst interessante, für uns weitestgehend unvorstellbare Eigenschaften. Negative Energiedichte und sogar negative Gravitation lassen sich mathematisch formulieren. Der Mathematiker Matt Visser hat Modelle entwickelt, die vorhersagen, dass sich Wurmlöcher mithilfe Exotischer Materie stabilisieren lassen. Aber all dies sind im Moment nur theoretische Gebilde, einen experimentellen Nachweis dafür gibt es noch nicht. Aus diesem Grund startet die NASA in diesem Jahr auf der ISS ein Experiment, um die Strahlung von hochdichten Neutronensternen zu untersuchen und auf diesem Wege mehr über den Zustand der Materie in diesen weit entfernten Objekten herauszufinden.

Wie geht es weiter? Wenn der Druck noch weiter zunimmt, zerfällt die Materie endgültig und man hat es mit reinen Quarks zu tun. Diese extrem dichten Objekte, genannt Quarksterne, kurz vor dem Kollaps zu einem Schwarzen Loch sind allerdings noch nicht endgültig nachgewiesen worden. Es gibt jedoch einige heiße Kandidaten, die schon länger unter Beobachtung stehen.


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