Fuzzballs sind hypothetische Objekte in der Superstringtheorie, die in diesem Rahmen eine vollständige Quantenbeschreibung der von der allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagten schwarzen Löchern ermöglichen sollen.
Die Fuzzball-Hypothese verzichtet auf die Singularität im Zentrum eines schwarzen Lochs, indem sie annimmt, dass der gesamte Bereich innerhalb des Ereignishorizonts eines schwarzen Lochs tatsächlich ein ausgedehntes Objekt ist: ein Ball aus Strings, die als die ultimativen Bausteine von Materie und Licht gelten. Nach der Stringtheorie sind Strings Bündel von Energie, die auf komplexe Weise in den drei bekannten Dimensionen sowie in zusätzlichen Dimensionen schwingen. Die Fuzzball-Hypothese skizziert Lösungen für zwei große offene Probleme in der Schwarzen-Loch-Physik. Erstens vermeidet sie die gravitative Singularität, die sich im Ereignishorizont eines Schwarzen Lochs befindet. Die allgemeine Relativitätstheorie sagt voraus, dass an der Singularität die Krümmung der Raumzeit unendlich wird, sodass sie das Schicksal von Materie und Energie, die hineinfällt, nicht bestimmen kann. Physiker gehen allgemein davon aus, dass die Singularität kein reales Phänomen ist, und suchen nach theoretischen Ansätzen zur Quantengravitation, wie die Superstringtheorie, um ihre wahre Natur zu erklären. Zweitens machen sie einen Vorschlag zur Lösung des Informationsparadoxons bei schwarzen Löchern: Die Quanteninformation der Materie, die in ein Schwarzes Loch fällt, wird hinter dem Ereignishorizont eingeschlossen und scheint vollständig aus dem Universum zu verschwinden, wenn das Schwarze Loch aufgrund der Hawking-Strahlung verdampft. Dies würde ein fundamentales Gesetz der Quantenmechanik verletzen, das verlangt, dass Quanteninformation erhalten bleibt.
Da es keine direkten experimentellen Beweise für die Stringtheorie im Allgemeinen oder für Fuzzballs im Besonderen gibt, sind beide rein das Produkt von Berechnungen und theoretischer Forschung. Die Existenz von Fuzzballs könnte jedoch durch die Gravitationswellenastronomie testbar sein.
Physikalische Eigenschaften mini|Über der hawaiianischen Insel Oahu ist zur Veranschaulichung der Größenverhältnisse der Querschnitt eines Schwarzen Lochs mit 6,8 Sonnenmassen und einem Durchmesser von 40 Kilometern dargestellt (vereinfacht als nicht rotierend und perfekt sphärisch). Es besteht aus einer Singularität, einem Ereignishorizont und einem leerem Raum dazwischen, der von der Raumzeit abgeschnitten ist. Die Fuzzball-Hypothese nimmt an, dass Schwarze Löcher aus degenerierter Materie bestehen und ihre physische Oberfläche den Ereignishorizont bildet.
Zusammensetzung in der Stringtheorie Samir D. Mathur von der Ohio State University veröffentlichte zwischen 2001 und 2012 acht wissenschaftliche Arbeiten, unterstützt von dem Postdoktoranden Oleg Lunin, der zu den ersten beiden Papieren beitrug. In diesen Arbeiten wird vorgeschlagen, dass Schwarze Löcher sphärenähnliche, ausgedehnte Objekte mit einem bestimmten Volumen sind und aus Strings bestehen. Das unterscheidet sich von der klassischen Vorstellung von Schwarzen Löchern, bei der sich im Zentrum eine Singularität befindet. Diese wird als ein null-dimensionaler, null-volumiger Punkt betrachtet, in dem die gesamte Masse eines Schwarzen Lochs bei unendlicher Dichte konzentriert ist, umgeben von einem Ereignishorizont, der viele Kilometer entfernt ist, unter dem Licht nicht entkommen kann.
Alle Varianten der Stringtheorie gehen davon aus, dass die fundamentalen Bestandteile subatomarer Teilchen, einschließlich der Austauschteilchen (z. B. Photonen und Gluonen), in Wahrheit Energiefäden sind, die ihre Identität und jeweilige Masse durch Vibrationen in unterschiedlichen Modi und Frequenzen annehmen. Das Fuzzball-Konzept basiert auf einer speziellen Variante der Superstringtheorie namens Typ IIB (siehe auch String-Dualität), die besagt, dass Strings sowohl „offen“ (doppelseitige Entitäten) als auch „geschlossen“ (Schleifen-Entitäten) sind und dass es 9 + 1 Raumzeitdimensionen gibt, wobei fünf der sechs zusätzlichen Raumdimensionen „kompaktifiziert“ sind.
Im Gegensatz zur Vorstellung eines schwarzen Lochs als Singularität kann ein kleiner Fuzzball als ein extradichter Neutronenstern betrachtet werden, bei dem die Neutronen einen Phasenübergang durchlaufen haben und zerfallen sind, wodurch die Quarks, aus denen sie bestehen, freigesetzt wurden. Dementsprechend wird angenommen, dass Fuzzballs die Endphase degenerierter Materie darstellen. Mathur berechnete, dass die physischen Oberflächen von Fuzzballs einen Radius haben, der dem des Ereignishorizonts klassischer schwarzer Löcher entspricht; somit beträgt der Schwarzschild-Radius eines gewöhnlichen schwarzen Lochs von etwa 6,8 Sonnenmassen (M☉) 20 Kilometer, wenn die Auswirkungen einer Rotation nicht betrachtet werden. Er stellte auch fest, dass der Ereignishorizont eines Fuzzballs in einem sehr kleinen Maßstab (wahrscheinlich in der Größenordnung von wenigen Planck-Längen) sehr unscharf wäre, daher der Name „Fuzzball“.
Bei klassischen schwarzen Löchern wird angenommen, dass Objekte, die den Ereignishorizont auf ihrem Weg zur Singularität durchqueren, in einen Bereich gekrümmter Raumzeit eintreten, in dem die Fluchtgeschwindigkeit die Lichtgeschwindigkeit überschreitet – dieser Bereich ist strukturlos. Darüber hinaus wird an der Singularität – dem Herzen eines klassischen schwarzen Lochs – angenommen, dass die Raumzeit selbst katastrophal zusammenbricht, da unendliche Dichte eine unendliche Fluchtgeschwindigkeit erfordert; solche Bedingungen sind mit der bekannten Physik nicht vereinbar. Im Rahmen der Fuzzball-Prämisse jedoch wird angenommen, dass die Strings auf die Oberfläche des Fuzzballs fallen und in diesen aufgenommen werden. Diese Oberfläche befindet sich am Ereignishorizont – der Schwelle, an der die Fluchtgeschwindigkeit die Lichtgeschwindigkeit erreicht hat.
Ein Fuzzball beeinflusst Raumzeit, Photonen und alles andere, was nicht äußerst nah an seine Oberfläche herankommt, auf genau die gleiche Weise wie das klassische Modell eines schwarzen Lochs, das eine Singularität in seinem Zentrum aufweist. Die beiden Modelle unterscheiden sich nur auf der Quantenebene; das heißt, klassische schwarze Löcher und Fuzzballs unterscheiden sich nur in ihrer inneren Zusammensetzung und in der Art und Weise, wie sie virtuelle Teilchen beeinflussen, die nahe ihrem Ereignishorizont entstehen (siehe auch Informationsparadoxon).
Dichten Fuzzballs werden weniger dicht, je mehr ihre Masse zunimmt, aufgrund der für sie vermuteten sogenannten fraktionalen Spannung. Demnach werden, wenn Materie oder Energie (also Strings) auf einen Fuzzball fallen, nicht einfach die neuen Strings zum Fuzzball hinzugefügt, sondern die Strings verbinden sich miteinander. Dabei wird alle Quanteninformation der herabfallenden Strings Teil der nun größeren und komplexeren Strings. Aufgrund der fraktionalen Spannung verringert sich die Spannung der Strings exponentiell, je komplexer sie werden und je mehr Vibrationsmoden sie haben, wodurch sie sich auf beträchtliche Längen entspannen. Die Stringtheorie-Formeln von Mathur und Lunin ergeben Fuzzball-Oberflächenradien, die den Schwarzschild-Radien entsprechen, die Karl Schwarzschild Jahrzehnte zuvor mit einer völlig anderen mathematischen Methode berechnet hatte.
Da das Volumen von Fuzzballs eine Funktion des Schwarzschild-Radius ist (2953 Meter pro M☉ für ein nicht-rotierendes schwarzes Loch), haben Fuzzballs eine variable Dichte, die mit dem Quadrat der Masse abnimmt (doppelte Masse bedeutet doppelt so großen Durchmesser, was achtmal das Volumen ergibt, und damit ein Viertel der Dichte). Ein typischer 6,8 M☉ Fuzzball hätte eine mittlere Volumendichte von 4,0·10¹⁷ kg/m³. Ähnlich wie bei Neutronensternen, der Sonne und ihren Planeten variiert die Dichte eines Fuzzballs von der Oberfläche, wo sie weniger dicht ist, bis hin zu seinem Zentrum, wo sie am dichtesten ist. Ein kleines Wassertropfen-großes Volumenelement eines solchen nicht-rotierenden Fuzzballs würde im Durchschnitt eine Masse von zwanzig Millionen metrischen Tonnen haben, was dem Gewicht einer Granitkugel mit einem Durchmesser von 243 Metern entspricht.
Obwohl solche Dichten nahezu unvorstellbar sind, sind sie, mathematisch betrachtet, keineswegs unendlich – etwa so hoch wie die von Neutronensternen.
Da die mittlere Dichte von Fuzzballs (und die effektive Dichte von klassischen schwarzen Löchern) mit dem Quadrat der Masse abnimmt, sind Fuzzballs mit mehr als 7 M☉ weniger dicht als Neutronensterne mit der für sie minimal möglichen Dichte. Aufgrund der Umkehr-Quadrat-Regel für Masse und Dichte ist denkbar, dass Fuzzballs nicht die dichtesten Körper sind. Supermassive schwarze Löcher, die sich im Zentrum fast aller Galaxien befinden, könnten moderate Dichten haben. Zum Beispiel hat Sagittarius A*, das schwarze Loch im Zentrum unserer Milchstraße, eine Masse von 4,3 Millionen M☉. Das Fuzzball-Modell sagt voraus, dass ein nicht-rotierendes supermassives schwarzes Loch mit dieser Masse eine mittlere Dichte hat, die „nur“ 51-mal so hoch ist wie die von Gold. Zudem würde ein nicht-rotierender Fuzzball mit einer Masse von 3,9 Milliarden M☉ (ein ziemlich großes supermassives schwarzes Loch) einen Radius von 77 astronomischen Einheiten haben – etwa die gleiche Größe wie die Randstoßwelle der Heliosphäre des Sonnensystems – und eine mittlere Dichte wie die Erdatmosphäre auf Meereshöhe (1,2 kg/m³).
Neutronenstern-Kollaps Schwarze Löcher entstehen auf verschiedene Weise, die meisten dieser Prozesse sind mit äußerst massiven Massenabgabeereignissen verbunden, wie Supernovae, Kilonovae und Hypernovae. Ein akkretierender Neutronenstern (ein Stern, der langsam Masse von einem Begleitstern absaugt) jedoch, der eine kritische Massengrenze, Mmax, überschreitet, wird plötzlich und relativ unspektakulär zu einem schwarzen Loch kollabieren. Ein solcher Kollaps kann als nützliche Fallstudie dienen, wenn man die Unterschiede zwischen den physikalischen Eigenschaften von Neutronensternen und dem schwarzen Loch, das nach dieser Hypothese ja ein Fuzzball ist, untersucht.
Neutronensterne haben eine maximale mögliche Masse, die als Tolman-Oppenheimer-Volkoff-Grenze bekannt ist; der exakte Wert dieser Grenze ist nicht genau bekannt, aber man geht davon aus, dass sie zwischen 2,2 M☉ und 2,9 M☉ liegt. Wenn ein Neutronenstern diese Grenze überschreitet, kann der Neutronen-Entartungsdruck der Schwerkraft nicht mehr standhalten und der Stern kollabiert schnell, bis ein neuer physikalischer Prozess einsetzt. In der allgemeinen Relativitätstheorie erreicht der kollabierende Neutronenstern eine kritische Dichte und bildet einen Ereignishorizont; für das äußere Universum wird er zu einem schwarzen Loch, und der Kollaps schreitet in Richtung einer gravitativen Singularität fort. Im Fuzzball-Modell zersetzen sich die Hadronen in seinem Kern (Neutronen und vielleicht eine kleine Menge Protonen und Mesonen) in das, was als die endgültige Phase degenerierter Materie angesehen werden könnte: eine Kugel von Strings, die das Fuzzball-Modell als die wahre Quantenbeschreibung nicht nur von schwarzen Löchern, sondern auch von theoretisierten Quarksternen, die aus Quarkmaterie bestehen, voraussagt.
Informationsparadoxon
Schwarze Löcher beinhalten ein Problem für die Physik, das als Informationsparadoxon des schwarzen Lochs bekannt ist; es entsteht aus einer Forderung der Quantenmechanik, dass Quanteninformation erhalten bleiben muss, was im Widerspruch zur allgemeinen Relativitätstheorie steht, die besagt, dass, schwarze Löcher mit Singularitäten in ihren Zentren Quanteninformation aus der Raumzeit auslöschen. Die Fuzzball-Theorie behauptet, diesen Widerspruch zu lösen, weil die Typ-IIB-Superstringtheorie, auf der sie basiert, eine Quantenbeschreibung der Gravitation ist, eine Supergravitation.