Hawking-Strahlung

Die Suche nach der von Stephen Hawking theoretisch abgeleiteten Strahlung und die damit verbundene allmähliche Auflösung schwarzer Löcher, die durch einen Effekt der Quantentheorie entsteht, hat begonnen.

Ein Beitrag von Hans J. Kemm. Quelle: eigene Recherchen, Phys. Rev. Lett. 105, 203901 (2010). Vertont von Peter Rittinger.

StarChild Learning Center / NASA
Stephen Hawking (Bild: StarChild Learning Center / NASA)

Ein Professor für Physik hat auf einem Symposium einmal gesagt: Das Universum begann 10-43 s nach dem Big Bang und endet 1043 s nach ihm. Im Besonderen ging es dann in seiner Arbeit um einen begreifbaren Ablauf der Weltgeschichte.

Nach dem derzeitig allgemeinen Verständnis über das Ende des Universums werden sich die schon vorhandenen und die immer noch neu bildenden Schwarzen Löcher zu übergroßen Monstern entwickeln und alles vereinnahmen, was zur Zeit existiert. Wie das endgültige Ende dann aussieht ist bisher nur Spekulation und wann es eintritt ebenfalls. Große Theoretiker sprechen vom Big Crunch, Big Rip oder von der ewigen Expansion. Somit wäre in einer fernen Zukunft der gesamte vorhandene Raum leer bis auf die gewaltigen Schwarzen Löcher, da ja keine freie Materie mehr vorhanden ist und sich auch keine neue bilden kann.

Da kommt der englische Astrophysiker Stephen Hawking ins Spiel. Dieser exzellente Kosmologe stellte 1974 nach seinen Forschungen zu Schwarzen Löchern und zu den Vereinigungstheorien eine Überlegung in den Raum, welche die Lebensdauer eines Schwarzen Lochs betrifft. Nach seiner Vorstellung gelten in der Nähe von Ereignishorizonten die Gesetze der Quantenmechanik und es entstehen ständig virtuelle Teilchenpaare. Es kann nun nach statistischen Gesetzen vorkommen, dass einer der virtuellen Partner ins Gravitationsfeld gerät und unter den Ereignishorizont gezogen wird während sein Zwilling entkommt.

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Photonenpaar
(Bild: Raumfahrer.net)

Da sich die virtuellen Paare dann nicht mehr innerhalb der Unschärfe vernichten können sind sie real geworden. Um aber die von der Unschärferelation geborgte Energie zur Erzeugung des Paars auszugleichen, geschieht dies auf Kosten der Masse des Schwarzen Lochs, denn Masse und Energie sind ja laut Einstein äquivalent. Statistisch entkommen der Singularität gleich viele Teilchen und Antiteilchen die ihren Partner eingebüßt haben und werden real. Treffen zwei gegensätzliche Partner aufeinander vernichten sie sich in einem messbaren Strahlenblitz und werden zu realer Energie, die wie beschrieben, zu Lasten der Masse des Schwarzen Lochs geht.

Anhand weiterer Berechnungen wies Hawking nach, dass dieser Effekt umso stärker auftritt und sich umso mehr beschleunigt je kleiner das Schwarze Loch ist. Deshalb, so seine Schlussfolgerung, sind keine hypothetischen kleinen Schwarzen Löcher aus der Anfangszeit des Universums nachzuweisen, sie sind bereits in dem beschriebenen Prozess zerstrahlt.

F. Belgiorno et al., Phys. Rev. Lett. 105, 203901
Hawking-Strahlung (Bild: F. Belgiorno et al., Phys. Rev. Lett. 105, 203901)

Um den Beweis für seine Theorie zu führen, müsste man den stetigen Strom entkommender Photonen als Wärmestrahlung messen. Diese ist allerdings sehr gering, bei einem Schwarzen Loch von einigen Sonnenmassen liegt sie gerade ein Zehnmillionstel Kelvin über dem absoluten Nullpunkt.

Die Hawking-Strahlung ist direkt abhängig von der Masse des Schwarzen Lochs, und zwar umgekehrt proportional. Daraus folgt, dass Löcher mit großer Masse nur schwach strahlen und lediglich Photonen emittieren. Kleine Löcher dagegen können sogar Elektronen oder Positronen erzeugen, sie wären sehr heiß und sollten Röntgen- oder Gammastrahlung aussenden. Am Ende, wenn ihre Masse genügend klein ist, vergehen sie dann in einer gigantischen Explosion. Bis heute konnte die Verschlankung Schwarzer Löcher noch nicht nachgewiesen werden, aber bei einem über sehr lange Zeit expandierenden Kosmos könnten somit auch die Schwarzen Löcher zerfallen.

Seit einigen Jahren bemühen sich zahlreiche Forschergruppen, künstliche Ereignishorizonte herzustellen und die an ihnen entstehende Strahlung nachzuweisen.

Erste Näherungen zeichnen sich ab, diese werden in einem nächsten Artikel hier vorgestellt. Unabhängig davon bleibt nur die Frage, ob die jetzt erzielten Ergebnisse ausreichend sind um als experimenteller Nachweis zu gelten. Messen werden wir die Hawking-Strahlung vorläufig wohl noch nicht.

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