Hawking-Strahlung jetzt nachgewiesen?

Seit einigen Jahren bemühen sich zahlreiche Forschergruppen künstliche Ereignishorizonte herzustellen, um die von Stephen Hawking prognostizierte Strahlung nachzuweisen. Bei einem Experiment haben Wissenschafter jetzt diese Hawking-Strahlung beobachtet.

Ein Beitrag von Hans J. Kemm. Quelle: The American Physical Society / IOPscience.

Mit der uns heute zur Verfügung stehenden Technik ist es nicht möglich die Hawking-Strahlung direkt an einem Schwarzen Loch zu messen; diese extremen Gebilde sind zu weit entfernt und die Strahlung ist viel zu schwach. Also besteht nur die Möglichkeit, in Experimenten den Nachweis zu führen. Der Autor des Berichtes über die Hawking-Strahlung (Raumfahrer.net berichtete) hatte bereits angekündigt, dass es Wissenschaftlern erstmals gelungen ist, in einem Modellsystem die wesentlichen Eigenschaften eines Schwarzen Lochs nachzustellen.

Die Grundvoraussetzung ist ein System, in dem es einen Ereignishorizont ähnlich dem eines Schwarzen Loches gibt. Das ist der Bereich, ab der die Gravitationskraft des Schwarzen Lochs so groß wird, dass auch Licht nicht mehr entweichen kann. Der Ereignishorizont bildet eine Grenze für Informationen und kausale Zusammenhänge, die sich aus der Struktur der Raumzeit und den Gesetzen der Physik, insbesondere in Bezug auf die Lichtgeschwindigkeit, ergibt.

In einem Laser-Experiment haben Wissenschaftler um Daniele Faccio zwei Lichtbündel von 850 nm Wellenlänge in ein nichtlineares Medium geführt, einen zwei Zentimeter langen Glasblock. Jeder Laserpuls erzeugte in diesem Medium ein infrarotes Lichtfilament, das sich durch das Glas bewegte und längs seiner Ausbreitungsrichtung ein Intensitätsprofil mit einem ausgeprägten Maximum hatte.

Eines dieser Bündel produzierte nach einer kurzen Wegstrecke eine Fehlerquelle auf die das zweite Laserlicht auf lief. Die gewollte Störung war so stark, dass sie für das nachfolgende Licht quasi wie eine extrem starke Krümmung aussah, ähnlich der Raumzeit nach der Allgemeinen Relativitätstheorie. Das Licht kam nicht über dieses Hindernis weiter.

physics.aps.org
Hawking-Strahlung mittels Laser
(Bild: physics.aps.org)

Der Lichtbrechungsindex wurde so verändert, dass mit jedem Puls zwei mobile Ereignishorizonte entstanden. Je stärker die Laserlichtintensität war, umso mehr erhöhte sich der Brechungsindex; ein Effekt der nichtlinearen Optik. Um störende Effekte zu entfernen, die Licht in diesem Bereich erzeugen, haben die Experten einen Frequenzbereich gefunden, in dem man praktisch alle andere Quellen als die Hawking-Strahlung ausschließen konnte.

Laserpulse in diesem speziellen Frequenzbereich erzeugten an der Vorder- und Rückseite vom Lichtbrechungsindex einen Bereich, an dem die Lichtwellen dieselbe Phasengeschwindigkeit hatten wie das Lichtfilament. Diese beiden Punkte stellten die Ereignishorizonte dar. Analog zu einem realen Schwarzen Loch konnten nun Photonenpaare entstehen, wobei ein Photon dem Horizont entkommen und eines dahinter gefangen bleiben sollte. Das am Fokalpunkt emittierte Licht analysierten die Forscher mit einer CCD-Kamera.

F. Belgiorno et al., Phys. Rev. Lett. 105, 203901 (2010), The American Physical Society
Hawking-Strahlung-Experiment
(Bild: F. Belgiorno et al., Phys. Rev. Lett. 105, 203901 (2010), The American Physical Society)

Das Bild zeigt die mutmaßliche Hawking-Strahlung um 850 nm. Ihre Bandbreite nimmt linear mit der Intensität der Laserpulse zu, durch die die Ereignishorizonte entstehen.

Dies Experiment hat aber nur gezeigt, dass die Hawking-Strahlung sich ausschließlich parallel zum Ereignishorizont bewegen kann, was bei einem realen Schwarzen Loch wohl kaum vorstellbar ist. Auch die paarweise Entstehung der Photonen müsste man noch genauer untersuchen. Möglicherweise sollten die Wissenschaftler Laserimpulse durch Glasfasern schicken, um dann Ereignishorizonte herzustellen. Thomas Philbin hatte diesen Weg bereits als Analogsystem zu Schwarzen Löchern vorgeschlagen.

Mit diesem Experiment scheinen zumindest der Physiker Faccio und seine Kollegen den Beweis erbracht zu haben, dass es die Hawking-Strahlung tatsächlich geben könnte. Ob dieser experimentelle Versuch allein aber ausreicht, um die Aussage von Stephen Hawking zu begründen, bleibt offen.

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