Singularität (Astronomie)

Als Singularität bezeichnet man in Physik und Astronomie Zustände, bei denen die betrachteten Massen und die Raumzeit in einem einzigen Punkt (mathematisch) oder in einem nicht näher bekannten physikalischen Zustand sehr geringer Ausdehnung, aber extrem hoher Dichte zusammenfallen.

Sie sind zunächst nur als mathematische Singularitäten formulierbar, wobei das entsprechende physikalische Gesetz nicht definiert, ungültig und ungeeignet ist, die Verhältnisse zu beschreiben. Man kann also vermutete Eigenschaften einer Singularität mathematisch angeben, weiß aber nicht, wie sie physikalisch wirklich beschaffen ist und woraus sie besteht. Eine unendlich kleine Ausdehnung (Punkt) eines physikalischen Objekts widerspricht der Alltagserfahrung. Singularitäten können aber auch nicht-punktförmig gedacht werden, wobei sich die Raumzeit soweit um das Objekt krümmt, dass Größenangaben nicht in ein sinnvolles Verhältnis zur Metrik des umgebenden Raumes gesetzt werden können.

Physikalische Größen werden durch physikalische Gesetze in Beziehung gesetzt. Dabei kann, bei Annäherung einer Größe an einen bestimmten Wert, eine andere Größe gegen unendlich streben, d. h. singulär werden.

Arten von Singularitäten

Es werden zwei Arten von Singularitäten unterschieden, echte oder intrinsische Singularitäten und Koordinatensingularitäten. Letztere lassen sich durch die Wahl eines geeigneten Koordinatensystems eliminieren, für echte Singularitäten ist dies nicht möglich, hier wird eine neue Theorie (physikalisches Gesetz) gebraucht.

Astrophysik und Kosmologie

In Astrophysik und Kosmologie wird der Begriff Singularität oft synonym für Schwarze Löcher oder in den Urknalltheorien für die Anfangssingularität benutzt. Die Feldgleichungen der allgemeinen Relativitätstheorie sind in beiden Fällen die zugrundeliegenden physikalischen Gesetze. Für die Anfangssingularität gilt, dass in ihr Raum und Zeit nicht vorhanden sind und somit auch Angaben darüber, wie groß sie war oder wie lange sie bestand, sinnleer sind. Schwarzloch-Singularitäten lassen sich in Bezug zur umgebenden Raumzeit und durch Massenvergleiche definieren.

Schwarzschild war der erste, der eine Lösung (Äußere Schwarzschild-Lösung) für die Feldgleichungen anbieten konnte. Seine Lösung beschreibt in Wirklichkeit aber nicht-existierende, nicht-rotierende, d. h. statische Schwarze Löcher und wird im zentralen Punkt singulär (Punktsingularität). Erst im Jahr 1963 fand der neuseeländische Mathematiker Roy Patrick Kerr eine weitere Lösung (Kerr-Lösung) für rotierende Schwarze Löcher, die in einem eindimensionalen Ring in der Äquatorebene singulär wird. Der Radius der Ringsingularität entspricht dem Kerr-Parameter.

Die Äußere Schwarzschild-Lösung ist ein Spezialfall der Kerr-Lösung (Kerr-Parameter „a = 0”) für maximal rotierende Schwarze Löcher, d. h. der Ereignishorizont rotiert mit Vakuumlichtgeschwindigkeit, wird „a = 1” und die Ringsingularität liegt im Ereignishorizont bei einem Gravitationsradius.

Die Urknalltheorien werden, im Gegensatz dazu, nicht in einem Punkt im Raum, sondern in einem Punkt der Zeit („t = 0”) singulär. Sie beschreiben also nicht den Urknall selbst, sondern nur die Entwicklung des Universums danach (ab einem Alter von ca. 10⁻⁴³ Sekunden).

Die allgemeine Relativitätstheorie (Albert Einsteins Gravitationstheorie) ist eine "klassische Theorie", keine Quantentheorie, daher verliert sie auf sehr kleinen Längenskalen (Plancklänge) ihre Gültigkeit und es beginnt die Domäne einer Quantengravitation. Über den inneren Zustand oder den Aufbau von Singularitäten ist jedoch nur sehr wenig bekannt.