Quantenphysik Hawking-Strahlung: Dresdner Forscher wollen Schwarze-Loch-Effekte im Labor simulieren

Dresdner Forscher wollen im Labor Bedingungen simulieren, wie sie am Rand eines Schwarzen Lochs für kleinste Teilchen gelten. So wollen sie der bisher nicht bewiesenen Hawking-Strahlung auf die Spur kommen.

Computer Grafik eines Schwarzen Lochs, das von einer Akkretionsscheibe umgeben ist.
Illustration eines schwarzen Lochs, das von hineinfallender Materie umströmt wird. Die Partikelströme im Orbit erreichen enorme Geschwindigkeiten, heizen sich auf und strahlen hell. Dadurch lassen sich sozusagen die Umrisse des Ereignishorizonts erkennen. Bildrechte: ESA/XMM-Newton/I. de la Calle

Albert Einstein hat die Existenz von Schwarzen Löchern mathematisch beschrieben, hielt seine Rechnung aber für fehlerhaft. Zu unglaublich erschien ihm die Idee, es könnte Orte im Universum geben, an denen die Schwerkraft so groß ist, dass weder Teilchen noch Strahlung wie Licht jemals entkommen können. Doch Einstein irrte sich. Viele Forscher nach ihm zeigten, dass es Schwarze Löcher wirklich gibt. Zuletzt gelang es Astronomen mit Hilfe von Radioteleskopen sogar, Bilder der Umrisse vom zentralen Schwarzen Loch in unserer Milchstraße zu machen. Dresdner Forscher haben jetzt ein theoretisches Konzept entwickelt, wie sich einige der Eigenschaften dieser rätselhaften Objekte im Labor untersuchen lassen.

Was den Ereignishorizont passiert, bleibt für immer im Schwarzen Loch gefangen

Modell Schwarzes Loch, Relativitätstheorie
Schwarze Löcher krümmen den umgebenden Raum. Bildrechte: IMAGO / YAY Images

Schwarze Löcher sind Ansammlungen gewaltiger Massen in einem winzigen Punkt. Das führt zu einer enormen Anziehungskraft, denn Materie zieht andere Materie an, so die landläufige Beschreibung von Gravitation (häufig auch Erdanziehungskraft genannt). Tatsächlich ist es laut Einsteins vielfach bewiesener Relativitätstheorie aber so, dass Materie andere Materie nicht anzieht. Sondern Masse verformt den umgebenden Raum und sorgt so dafür, dass andere Masse der Masse entgegenfällt. Die gewaltige Konzentration von Masse in einem Schwarzen Loch wiederum verformt den umgebenden Raum zu einer Art tiefem Trichter, in dem alles gefangen bleibt, was den sogenannten Ereignishorizont überschreitet.

Den Ereignishorizont darf man sich dabei wie die Kante eines Wasserfalls vorstellen. Je näher das Wasser der Kante kommt, desto schneller fließt es. Kommt ein Fisch der Kante zu nahe, kann er nicht mehr schnell genug schwimmen und wird hinabgezogen. Der Ereignishorizont ist also die Grenze, hinter der etwas unweigerlich in das Loch hineinfallen muss und nicht mehr entkommen kann. Allerdings müssten die Phänomene der Quantenphysik, also der Physik der allerkleinsten Teilchen im Universum, an dieser Grenze zu einem seltsamen Effekt führen, nämlich zur sogenannten Hawking-Strahlung.

Dresdner Physiker wollen Effekte der Hawking-Strahlung im Labor nachstellen

In der Welt der Quanten gibt es nämlich zahlreiche Phänomene, die ähnlich unglaublich erscheinen wie Schwarze Löcher. So erscheinen überall im Universum ständig Paare von sogenannten Quanten, die miteinander verschränkt sind. Beide Teile des Paares fallen meistens sofort wieder zusammen, heben sich auf und verschwinden auf diese Weise wieder. Am Rand eines Schwarzen Lochs jedoch kann es passieren, dass ein Teil des Quantenpaars hinter den Ereignishorizont gerät und deswegen in das Loch hineinfallen muss. In diesem Fall würde der andere Teil des Paares in Form einer geringen Wärme von dem Loch abgestrahlt werden, so die Idee des Physikers Stephen Hawking.
Was Quantenverschränkung bedeutet und wie man damit Kommunikation verschlüsselt, haben wir Ihnen hier anhand von Forschung aus Jena beschrieben und hier bei praktischen Tests in Dresden.

Illustration - Schwarzes Loch
Schematische Darstellung eines aktiven Schwarzen Lochs: Hineinfallende Materie sammelt sich zunächst in einer Scheibe am Rand des Lochs. Durch die enorme Beschleunigung strahlt das Material hell. Bildrechte: IMAGO/Science Photo Library

In der Realität konnte diese Strahlung bislang aber nie gemessen werden. Zu weit ist das nächste Schwarze Loch im All entfernt, zu klein wäre die Strahlung, um die mit einem Messinstrument von der Erde aus detektieren zu können. Doch Dresdner Physiker haben jetzt eine Idee entwickelt, wie sich die von Hawking vorhergesagten Effekte möglicherweise im Labor simulieren lassen. Gelingt es, diese Idee mit einem Experiment praktisch zu testen, wäre das vielleicht ein Weg, um die bislang bestehende Lücke zwischen Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie und der Quantenphysik zu füllen.

Explosion im Weltall. Schrift in gelb: Wie klingt der Urknall? 45 min
Bildrechte: Mitteldeutscher Rundfunk
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Künstlicher Ereignishorizont soll quantenverschränkte Elektronen trennen

Mertens und Kollegen schlagen vor, quantenverschränkte Elektronen durch eine Art künstlichen Ereignishorizont in zwei Regionen zu teilen und zu beobachten, ob dadurch die von Hawking vorhergesagten Wärmeeffekte auftreten. Konkret wollen die Dresdner Forscher eine Reihe aktiver elektronischer Bauelemente einsetzen, die zum Beispiel aus Widerständen und Kondensatoren bestehen. Sie wollen Elektronen, die miteinander verschränkt sind, durch diese Schaltung schicken, also eine Art Strom anlegen.

Indem sie nun während des Elektronenflusses in der Mitte des Leiters einen plötzlichen Widerstand einfügen, der den Fluss stark reduziert, schaffen sie eine künstliche Grenze mit einem Teil der verschränkten Elektronen vor und einem Teil dahinter. Laut den Berechnungen von Mertens sollte das dazu führen, dass die Elektronen eine Temperatur bekommen. Damit würden sie sich verhalten, wie es Hawking für Quantenpaare am Ereignishorizont eines Schwarzen Lochs vorhergesagt hat.

Nächster Schritt: Nachweis im Experiment

"Bislang haben wir das nur als theoretisches Modell entwickelt, jetzt arbeiten wir an einem praktischen Nachweis", sagt Lotte Mertens. Zusammen mit der Arbeitsgruppe von Joseph Dufouleur soll ein Experiment entwickelt werden, bei dem Mertens Berechnungen implementiert werden in einer Kette aus aktiven und passiven elektronischen Elementen. "Das ist unser nächster Schritt", sagt Mertens.

Links/Studien

Ein blauer leuchtender, kugelrunder Stern, im Vordergrund eine schwarze Kugel, die ein Schwarzes Loch darstellt.
Diese künstlerische Darstellung zeigt, wie das Doppelsternsystem VFTS 243 aussehen könnte, wenn wir es aus der Nähe beobachten würden. Das System, das sich im Tarantelnebel in der Großen Magellanschen Wolke befindet, besteht aus einem heißen, blauen Stern mit der 25-fachen Masse der Sonne und einem schwarzen Loch, das mindestens die neunfache Masse der Sonne hat. Die Größen der beiden binären Komponenten sind nicht maßstabsgetreu: in Wirklichkeit ist der blaue Stern etwa 200 000 Mal größer als das schwarze Loch. Bildrechte: ESO/L. Calçada