Singularität (Astronomie)
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Singularitäten in Physik und Astronomie sind zunächst nur mathematische Singularitäten physikalischer Gesetze (die in der Sprache der Mathematik formuliert sind). In Singularitäten ist das entsprechende physikalische Gesetz nicht definiert, es ist dort ungültig und ungeeignet, die Verhältnisse und Gesetzmäßigkeiten zu beschreiben.
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.
Reale Singularitäten, also physikalische Größen, die unendlich werden, sind noch nicht beobachtet worden.
[Bearbeiten] Echte 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.
[Bearbeiten] 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.
Der Physiker 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).
Auf sehr kleinen Längenskalen (Plancklänge) hat die Relativitätstheorie und die Gravitationstheorie Albert Einsteins keine Gültigkeit mehr, hier beginnt die Domäne einer Quantengravitation.
