Schwarze Löcher sollen nicht völlig schwarz sein. Nach Stephen Hawking geben sie eine extrem schwache Wärmestrahlung ab. Direkt messen konnte sie bislang niemand. Forschende bilden den Effekt deshalb mit Licht in einer Glasfaser nach. Ihr Experiment zeigt etwas Überraschendes: Die Strahlung behält ihre typische Wärmeverteilung, obwohl sich kein klarer Ereignishorizont mehr festlegen lässt.
Schwarze Löcher gelten als Orte ohne Wiederkehr. Wer ihren Ereignishorizont überschreitet, kann nicht mehr entkommen – nicht einmal Licht. Nach einer berühmten Berechnung von Stephen Hawking sind Schwarze Löcher trotzdem nicht vollständig schwarz. Quanteneffekte sollen dafür sorgen, dass sie eine schwache Strahlung abgeben.
Für echte Schwarze Löcher im All ist diese Hawking-Strahlung viel zu schwach, um sie direkt zu beobachten. Forschende bauen deshalb sogenannte Analogmodelle. Sie erzeugen im Labor Systeme, in denen sich Wellen ähnlich verhalten wie Licht an einem Schwarzen Loch.
Ein aktuelles Experiment nutzt dafür eine spezielle Glasfaser und extrem kurze Laserpulse. Das Ergebnis ist bemerkenswert: Die gemessene Hawking-artige Strahlung zeigt weiterhin eine annähernd thermische Verteilung. Das gilt, obwohl der künstliche Ereignishorizont durch die Materialeigenschaften der Faser unscharf wird. Die Arbeit ist im Fachjournal Nature erschienen.
Inhaltsverzeichnis
- Warum Schwarze Löcher strahlen sollen
- Eine Glasfaser übernimmt die Rolle des Schwarzen Lochs
- Die Glasfaser macht den Horizont unscharf
- Trotzdem bleibt die Strahlung thermisch
- Entscheidend könnte der gesamte Laserpuls sein
- Thermische Strahlung ist noch kein Beweis
- Die Strahlung entstand nicht von selbst
- Auch die Messung beeinflusst das System
- Der nächste Schritt führt zum einzelnen Photon
Warum Schwarze Löcher strahlen sollen
Stephen Hawking zeigte 1974, dass sich Quantenphysik und Gravitation an einem Schwarzen Loch auf ungewöhnliche Weise verbinden.
Vereinfacht lässt sich der Vorgang so beschreiben: In der Nähe des Ereignishorizonts entstehen miteinander verbundene Teilchenzustände. Ein Teil fällt in das Schwarze Loch, der andere kann nach außen gelangen. Für einen Beobachter sieht es so aus, als sende das Schwarze Loch Strahlung aus.
Dabei verliert es Energie und damit auch Masse. Über sehr lange Zeiträume könnte ein Schwarzes Loch auf diese Weise verdampfen.
Das Problem: Bei bekannten Schwarzen Löchern wäre die Hawking-Strahlung extrem kalt. Andere Strahlungsquellen im Weltall überdecken sie deutlich. Ein direkter Nachweis ist deshalb bislang nicht gelungen.
Eine Glasfaser übernimmt die Rolle des Schwarzen Lochs
Im Labor erzeugen Forschende kein echtes Schwarzes Loch. Sie bilden nur bestimmte Eigenschaften nach. Im aktuellen Versuch schickte das Team einen starken, sehr kurzen Laserpuls durch eine photonische Kristallfaser. Der Puls verändert für einen winzigen Moment den Brechungsindex des Glases. Das bedeutet: Licht breitet sich in diesem Bereich etwas anders aus als in der übrigen Faser.
Diese Veränderung wandert zusammen mit dem Laserpuls durch das Material. Ein zweiter, schwächerer Lichtpuls dient als Sonde. Er trifft auf die bewegte Zone und kann sie unter bestimmten Bedingungen nicht mehr überholen. Damit entsteht eine optische Grenze, die sich mathematisch ähnlich verhält wie der Ereignishorizont eines Schwarzen Lochs.
Das Team beobachtete dabei, wie sich ein Teil des infraroten Probelichts in andere Frequenzbereiche verschob. Ein zugehöriges Signal erschien im ultravioletten Bereich. Dieses Paar entspricht im Modell der Hawking-Strahlung und ihrem Partner.
Die Glasfaser macht den Horizont unscharf
In einem einfachen Modell lässt sich der künstliche Ereignishorizont klar bestimmen. Er liegt dort, wo sich der Laserpuls und das Probelicht mit derselben Geschwindigkeit bewegen. Die untersuchte Glasfaser ist jedoch stark dispersiv. Das bedeutet: Licht unterschiedlicher Wellenlängen bewegt sich darin unterschiedlich schnell.
Dadurch entsteht ein Problem. Verschiedene Farbanteile des Lichts nehmen die bewegte Brechungsindexänderung unterschiedlich wahr. Für einige Frequenzen liegt die entscheidende Grenze an einer anderen Stelle als für andere.
Es gibt deshalb nicht mehr den einen, scharf definierten Horizont, der für alle beteiligten Lichtwellen gleichermaßen gilt. Das macht das Experiment besonders. Denn in der ursprünglichen Hawking-Theorie ist die Temperatur der Strahlung eng mit den Bedingungen direkt am Ereignishorizont verknüpft.
Trotzdem bleibt die Strahlung thermisch
Trotz des unscharfen Horizonts fand das Team eine annähernd thermische Verteilung. „Thermisch“ bedeutet hier nicht, dass die Glasfaser heiß wird. Gemeint ist vielmehr, dass die erzeugten Photonen nach einem ähnlichen statistischen Muster verteilt sind wie Wärmestrahlung.
Genau dieses Muster gilt als typisches Merkmal der Hawking-Strahlung. Eigentlich hätte die starke Dispersion diese Verteilung deutlich verändern können. Stattdessen blieb sie weitgehend erhalten. Auch die Rückwirkung auf den starken Laserpuls zeigte eine dazu passende Verteilung. Die berechneten Temperaturen für beide Prozesse lagen sehr dicht beieinander.
Entscheidend könnte der gesamte Laserpuls sein
Im klassischen Bild bestimmt vor allem die unmittelbare Umgebung des Horizonts die Temperatur der Hawking-Strahlung. Das Glasfaserexperiment deutet auf einen anderen Zusammenhang hin. Im stark dispersiven System reicht es offenbar nicht, nur einen einzelnen Punkt zu betrachten. Entscheidend könnte vielmehr die gesamte Form des starken Laserpulses sein.
Der Puls besitzt keine einfache, scharf begrenzte Vorderkante. Seine Intensität steigt an, erreicht einen Höhepunkt und fällt wieder ab. Diese vollständige zeitliche Form beeinflusst, welche Frequenzen entstehen und wie stark sie ausgeprägt sind.
Die thermische Verteilung wäre dann nicht allein eine Eigenschaft eines klaren Horizonts. Sie könnte auch aus dem Zusammenspiel des gesamten Lichtpulses mit der Glasfaser hervorgehen.
Das ist die eigentliche Überraschung des Versuchs: Ein wesentliches Merkmal der Hawking-Strahlung bleibt erhalten, obwohl das klassische Bild des Ereignishorizonts nicht mehr eindeutig funktioniert.
Thermische Strahlung ist noch kein Beweis
Das Ergebnis hat allerdings eine zweite Seite. Wenn auch ein stark dispersives optisches System ein thermisches Spektrum erzeugt, lässt sich daraus nicht automatisch auf echte Hawking-Strahlung schließen. Eine Wärmeverteilung allein ist offenbar kein eindeutiger Beweis.
Auch die Gutachter der Studie machten auf dieses Problem aufmerksam. Andere nichtlineare Vorgänge in der Glasfaser könnten möglicherweise ähnliche Signale erzeugen oder das Ergebnis beeinflussen.
Das Experiment zeigt deshalb nicht, dass Stephen Hawkings Theorie für echte Schwarze Löcher bestätigt ist. Es zeigt zunächst, dass bestimmte mathematische und physikalische Eigenschaften der Theorie überraschend robust sind.
Die Strahlung entstand nicht von selbst
Eine weitere Einschränkung ist wichtig: Das Team beobachtete keine spontane Hawking-Strahlung. Der schwache Probelaser regte den Vorgang gezielt an. Es handelte sich daher um stimulierte Hawking-artige Strahlung. Der Versuch untersuchte vor allem klassische Lichtwellen und nicht die spontane Entstehung einzelner Quantenteilchen aus dem Vakuum.
Für den vollständigen Quanteneffekt müssten Forschende nachweisen, dass zusammengehörige Photonenpaare von selbst entstehen und miteinander verschränkt sind. Diesen Nachweis liefert das Experiment nicht.
Auch die Messung beeinflusst das System
Die Sonde ist nicht nur ein passiver Beobachter. Sie wirkt selbst auf den starken Laserpuls zurück. Das ist für die Messung problematisch. Einerseits muss das Probesignal stark genug sein, damit die Forschenden es überhaupt erfassen können. Andererseits darf es das System nicht so stark verändern, dass sich der untersuchte Effekt nicht mehr sauber vom Einfluss der Messung trennen lässt.
Das Team korrigierte bekannte Störeinflüsse und verglich die Ergebnisse mit einem theoretischen Modell. Die beobachteten Veränderungen passen grundsätzlich zu der erwarteten Rückwirkung der Hawking-artigen Strahlung. Vollständig ausschließen lassen sich andere optische Effekte jedoch nicht.
Besonders hilfreich wäre eine Messreihe mit unterschiedlich starken Probelasern. Sie könnte zeigen, welche Veränderungen tatsächlich zur Hawking-artigen Rückwirkung gehören. Solche Messungen dauerten im aktuellen Aufbau jedoch bis zu zwölf Stunden. In dieser Zeit drifteten einzelne Einstellungen des Experiments.
Der nächste Schritt führt zum einzelnen Photon
Eine weitere Forschungsgruppe ist bereits einen Schritt in Richtung Quantenphysik gegangen. Sie regte einen ähnlichen Prozess nicht mit einem gewöhnlichen Lichtpuls, sondern mit einzelnen Photonen an.
Auch dort entstand keine spontane Hawking-Strahlung. Das einzelne Photon löste den Vorgang gezielt aus. Dennoch zeigte das Experiment, dass sich der Effekt bis in den Bereich einzelner Lichtteilchen verfolgen lässt.
Der entscheidende nächste Schritt wäre nun der Nachweis von Quantenkorrelationen. Forschende müssten zeigen, dass Hawking-Photon und Partner gemeinsam entstehen und miteinander verschränkt sind. Erst dann wäre nicht nur die klassische Wellendynamik nachgebildet, sondern auch ein zentraler Bestandteil des von Hawking beschriebenen Quanteneffekts.
