Schwarze Löcher stellen ein Mysterium dar, das die Wissenschaft immer wieder an ihre Grenzen stoßen lässt. Doch wie wir bereits im Laufe der Menschheitsgeschichte gelernt haben, werden all diese Grenzen früher oder später überschritten. So gelang es Forschern in Israel 2019, eine Theorie zu belegen, die der verstorbene Physiker Stephen Hawking vor Jahrzehnten aufgestellt hatte – die Hawking-Strahlung.
Hawking-Strahlung: Der Masseverlust Schwarzer Löcher
Im Jahr 1974, also vor nun mehr 45 Jahren, stellte der Astrophysiker Stephen Hawking eine Hypothese vor, die sich aus Konzepten der Quantentheorie sowie der Allgemeinen Relativitätstheorie speist. Mit der Überlegung, dass Schwarze Löcher strahlen, widersprach Hawking der allgemein verbreiteten Annahme, ihre Gravitation sei dermaßen gewaltig, dass ihr nichts – nicht einmal Licht – entkommen könne.
Wie 2019 belegt, geben Schwarze Löcher jedoch durchaus Wärmestrahlung ab und verlieren noch dazu stetig an Masse. So könnten sie sich rein theoretisch mit der Zeit auflösen, sofern sie nicht andauernd neue Materie zur Aneignung geliefert bekommen. Die Grundlage für Hawkings Überlegungen sowie deren jüngsten Beweis liefern virtuelle Teilchenpaare am Ereignishorizont, der sichtbaren Fläche am Rande eines Schwarzen Lochs.
Entsteht ein solches Paar am Ereignishorizont, kann eines seiner Teile – es besteht aus einem Teilchen und einem Anti-Teilchen – in das Schwarze Loch gezogen werden. Die Hawking-Strahlung speist sich aus all jenen Teilchen, die zurückbleiben. Das Anti-Teilchen, das den Ereignishorizont in Richtung der schwarzen Tiefen überquert, verfügt über eine negative Energie und müsste nach Einsteins Relativitätstheorie dafür sorgen, dass die Masse des Schwarzen Lochs abnimmt.
Akustisches Äquivalent: Forscher simulieren Schwarzes Loch
„Der Befund stellt eine Verbindung zwischen den Theorien von Stephen Hawking und Jacob Bekenstein her“, zitierte der Tagesspiegel Teamleiter Jeff Steinhauer. Bekenstein schuf bereits 1973 mit der Bekenstein-Hawking-Entropie die Grundlage für Hawkings Theorie. „Interessanterweise gelangten beide zu dem Schluss, dass die Temperatur durch die Schwerkraft an der Oberfläche des Schwarzen Lochs bestimmt werden sollte, aber ihre Berechnungen basierten auf sehr unterschiedlichen Ideen. Die Messung bestätigt, dass dies tatsächlich die relevante Temperatur ist.“
Steinhauer und seinem Team gelang im Labor die Erstellung eines akustischen Äquivalents eines Schwarzen Lochs. Rund 8.000 Rubidium-Atome bilden dabei ein Bose-Einstein-Kondensat – sie werden also so weit abgekühlt, dass sie alle kurzzeitig dieselben physikalischen Eigenschaften annehmen. Anschließend wird mittels eines Lasers eine sich im Überschall bewegende Zone erzeugt, der Rest strömt dabei in Unterschallgeschwindigkeit weiter.
Der Übergang zwischen diesen beiden Zonen – die eine im Überschall-, die andere im Unterschallbereich – simuliert den Ereignishorizont. An eben dieser Stelle erkannten die Forscher Schallwellenpaare. Während sich je eine der Wellen in Richtung des „Schwarzen Lochs“ bewegte, bewegte sich die andere mit einer Temperatur von 0,351 Nanokelvin von davon weg. Sie liefert den Beweis für die Strahlung, die Hawking vorhersagte. Nun bleibt nur noch eine Frage: Birgt wirklich jedes Schwarze Loch ein Universum?