Künstliches Schwarzes Loch im Labor: Forscher weisen Hawkingstrahlung nach

Der gewaltigen Gravitationskraft Schwarzer Löcher kann nichts entkommen – so lautet eine verbreitete Annahme. Stimmt nicht, widersprach der britische Astrophysiker Stephen Hawking im Jahr 1974. Sie geben eine schwache Wärmestrahlung ab, was bedeutet, dass Schwarze Löcher zum einen nicht völlig schwarz sind und zum anderen an Masse verlieren, sich also über lange Zeit auflösen können. Diese "Hawking-Strahlung" ist aber so schwach, dass sie bisher nicht nachgewiesen werden konnte – bis jetzt.

Hinter dem Ereignishorizont verschwindet alles

Einem Team um Jeff Steinhauer vom Technion – Israel Institute of Technology in Haifa ist es gelungen, im Labor ein „künstliches“ Schwarzes Loch zu schaffen. Wie sie im Fachmagazin „Nature“ berichten, haben sie daran jene thermische Strahlung gemessen, die Hawkings Vorhersagen und damit seiner Theorie entsprechen.

Die Überlegungen des Physikers gründen darauf, dass das Vakuum nicht vollständig leer ist. Vielmehr entstehen ständig Paare virtueller Teilchen und Anti-Teilchen, die sich umgehend wieder gegenseitig auslöschen. Spannend wird es am Ereignishorizont, jener Zone, die jedes Schwarze Loch umgibt und hinter der alles unwiederbringlich im Loch verschwindet.

Entsteht ein virtuelles Teilchenpaar am Ereignishorizont, kann der eine Partner ins Schwarze Loch fallen, während der andere übrig bleibt. Das zurückgebliebene Teilchen bildet der Theorie zufolge die Hawking-Strahlung. Das Teilchen, das ins Schwarze Loch fällt, hat eine negative Energie. Setzt man diese in die Einsteins Formel E = mc2, folgt daraus, dass die Masse des Schwarzen Lochs abnimmt. Dies geschieht jedoch so langsam, dass dieser Effekt bei realen Schwarzen Löchern nicht beobachtet werden kann.

Akustisches Äquivalent weist Strahlung nach

Schon seit längerer Zeit tüfteln Forscher an Experimenten, um Schwarze Löcher im Labor zu simulieren. Jeff Steinhauer und sein Team haben es geschafft, ein akustisches Äquivalent zu bauen. Es besteht aus rund 8000 Rubidium-Atomen, die ein Bose-Einstein-Kondensat bilden. Das heißt, sie werden so extrem heruntergekühlt, dass sie einen speziellen Aggregatzustand erreichen, in dem alle Atome für kurze Zeit dieselben physikalischen Eigenschaften aufweisen.

Mit Hilfe eines Lasers erzeugten die Wissenschaftler darin eine Zone, die sich mit Überschallgeschwindigkeit bewegt, während der Rest mit Unterschallgeschwindigkeit strömt. Der Übergang beider Zonen entspricht dem Ereignishorizont. Dort bilden sich nach Angaben der Forscher Paare von Schallwellen. Während die eine Welle im Schwarzen Loch verschwindet, entfernt sich die andere von der Überschallzone und bildet Strahlung mit einer Temperatur von nur 0,351 Nanokelvin – so schwach wie von Hawking vorhergesagt.

Hawking-Temperatur mittels Quantensimulation bestimmt

„Der Befund stellt eine Verbindung zwischen den Theorien von Stephen Hawking und Jacob Bekenstein her“, erläutert Jeff Steinhauer in einer E-Mail. „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.“

Silke Weinfurtner von der Universität Nottingham würdigt in einem begleitenden Kommentar in „Nature“ die Leistung des Technion-Teams, dem es erstmals gelungen sei, die Hawking-Temperatur mittels Quantensimulation zu bestimmen. Die Versuchsanordnung sei vielversprechend und könnte helfen, noch weitere Phänomene zu erforschen.