Quelle: IFW Dresden 11. November 2022.

11. November 2022 – Schwarze Löcher sind die extremsten Objekte im Universum. Sie vereinen so viel Masse auf so wenig Raum, dass sich nichts – nicht einmal Licht – ihrer Anziehungskraft entziehen kann. Das Verständnis Schwarzer Löcher ist der Schlüssel zur Enträtselung der grundlegendsten Gesetze, die den gesamten Kosmos bestimmen, weil sie ein Zusammenspiel von zwei der am besten untersuchten Theorien der Physik darstellen: Der allgemeinen Relativitätstheorie, die die Schwerkraft als Ergebnis der Verformung der Raumzeit durch massive Objekte beschreibt, und der Quantentheorie, die die Physik der kleinsten Größeneinheiten beschreibt. Um Schwarze Löcher vollständig zu beschreiben, müssten wir diese beiden Theorien zusammenfügen und eine Theorie der Quantengravitation entwickeln.

Um diesem Ziel näher zu kommen, sollten wir unser Augenmerk auf das richten, was aus Schwarzen Löchern entweicht, anstatt uns mit all dem zu befassen, was von ihnen verschluckt wird. Der sogenannte Ereignishorizont ist eine nicht überwindbare Zone, die jedes Schwarze Loch umgibt und aus der es kein Entrinnen gibt. Der britische Physiker Stephen Hawking entdeckte jedoch 1974, dass jedes Schwarze Loch aufgrund kleiner Quantenfluktuationen um seinen Horizont herum eine geringe Wärmestrahlung aussenden muss. Diese Strahlung ist bisher jedoch nie direkt nachgewiesen worden. Die Menge der Hawking-Strahlung, die von jedem Schwarzen Loch ausgeht, ist so gering, dass sie mit der heutigen Technologie nicht von der Strahlung aller anderen kosmischen Objekte unterschieden werden kann.

Alternativ könnten wir versuchen, den Mechanismus, der der Entstehung der Hawking-Strahlung zugrunde liegt, direkt hier auf der Erde zu untersuchen. Das haben sich Forschende des IFW Dresden und der Universität Amsterdam zur Aufgabe gemacht. Die Antwort auf die Frage, ob das grundsätzlich gelingen kann, ist ein begeistertes: „Ja, das funktioniert tatsächlich. Wir wollten die wirkungsvollen Werkzeuge der Physik der kondensierten Materie nutzen, um die unerreichbare Physik dieser unglaublichen Objekte zu ergründen: Schwarze Löcher“, sagt Lotte Mertens, die seit Januar 2021 im Rahmen ihrer binationalen Promotion am IFW Dresden zum Thema forscht.
Dazu untersuchte sie ein Modell, das auf einer eindimensionalen Kette von Atomen basiert, in der Elektronen von einem Atomplatz zum nächsten „hüpfen“ können. Die durch das Schwarze Loch verursachte Verformung der Raumzeit wird nachgeahmt, indem eingestellt wird, wie leicht die Elektronen zwischen den einzelnen Stellen springen sollen. Mit der richtigen Einstellung der Sprungwahrscheinlichkeit entlang der Kette verhält sich ein Elektron, das sich von einem Ende der Kette zum anderen bewegt, genau wie ein Stück Materie, das sich dem Horizont eines Schwarzen Lochs nähert. Und analog zur Hawking-Strahlung zeigt das Modellsystem Ausschläge, die sich genau so verhalten, als ob sie eine Temperatur hätten. Trotz des Fehlens der tatsächlichen Schwerkraft im Modellsystem gibt die Untersuchung dieses synthetischen Horizonts wichtige Aufschlüsse über die Physik der originalen Schwarzen Löcher. „Hawking-Strahlung tritt nur dann auf, wenn das Modellsystem zu Beginn keine räumliche Variation der Sprungwahrscheinlichkeiten aufweist und eine homogene Raumzeit imitiert, bevor es in ein System mit einem synthetischen Schwarzen Loch umgewandelt wird“, erklärt Mertens. „Das Auftreten von Hawking-Strahlung erfordert also eine Veränderung der Raumzeitverkrümmung.“

Die vorhergesagte Hawking-Strahlung setzt voraus, dass ein Teil der Kette jenseits des synthetischen Horizonts existiert. Dies bedeutet, dass die Existenz der Wärmestrahlung eng mit der quantenmechanischen Eigenschaft der Verschränkung zwischen Objekten auf beiden Seiten des Horizonts verbunden ist. Die Forschenden fanden außerdem heraus, dass eine Hawking-Temperatur nur dann auftritt, wenn man eine ganz bestimmte räumliche Variation des Hüpfens einstellt. Dies könnte sogar Auswirkungen auf die allgemeine Relativitätstheorie haben: Wenn die Analogie gilt, gibt es demnach nur in bestimmten Gravitationssituationen ein thermisches Spektrum.

„Da unser Modell so einfach ist, kann es in einer Reihe von Versuchsaufbauten eingesetzt werden“, freut sich Lotte Mertens. Die Methodik zeigt, dass spezifische, schwer fassbare Phänomene des Universums durch genau konstruierte Materialsysteme beobachtet werden können. Die Erforschung Schwarzer Löcher mit Hilfe moderner Materialforschung im Labor bringt uns dem Verständnis des Zusammenspiels von Gravitation und Quantenmechanik einen Schritt näher.

Originalpublikation:
Lotte Mertens, Ali G. Moghaddam, Dmitry Chernyavsky, Corentin Morice, Jeroen van den Brink, and Jasper van Wezel, ‘Thermalization by a synthetic horizon’ Phys. Rev. Research 4, 043084
URL: Phys. Rev. Research 4, 043084 (2022) – Thermalization by a synthetic horizon (aps.org)
https://journals.aps.org/prresearch/abstract/10.1103/PhysRevResearch.4.043084,
https://arxiv.org/abs/2206.08041, pdf: https://arxiv.org/pdf/2206.08041.

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• physikalische Grundlagenforschung
• Schwarze Löcher

Der Beitrag Synthetische Schwarze Löcher strahlen wie im Universum erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

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.

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.

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.

Verwandte Webseiten:

• Analogue gravity and ultrashort laser pulse filamentation
• Hawking radiation glimpsed in artificial black hole
• Hawking-Strahlung

Der Beitrag Hawking-Strahlung jetzt nachgewiesen? erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Ein Beitrag von rogerspinner. Quelle: KEK/NASA.

Das Team unter der Leitung von Professor Akira Yamamoto von der japanischen High Energy Accelerator Research Organization (KEK) versucht den Ursprung der kosmischen Antimaterie zu verstehen und einen Beweis für die Existenz der so genannten Hawking-Strahlung zu erbringen.

Das dazu verwendete Instrument, BESS-Polar, wurde am 13. 12. 2004 erfolgreich von der McMurdo Station in der Antarktis aus mit Hilfe eines Höhenballons gestartet. Um die Chancen zu erhöhen die gesuchte Hawking-Strahlung zu finden, hoffte das Team auf einen mindestens zehntägigen Flug, oder wenigstens eine Südpolumkreisung in einer Höhe, die über 99% der Atmosphäre liegt. Das Instrument kreiste in einer Höhe von rund 39 Kilometern um den Südpol und landete gestern, nach einem erfolgreichen Flug von acht Tagen und zwölf Stunden, wohlbehalten auf dem Ross Ice-Shelf.

BESS-Polar ist ein Projekt, an dem Wissenschaftler des japanischen KEK, der Universität Tokyo und dem japanischen Institute of Space and Astronautical Science zusammen mit der NASA und der Universität von Maryland beteiligt sind. BESS steht dabei für Balloon-borne Experiment with a Superconducting Spectrometer.

Aber was genau soll BESS-Polar eigentlich finden? Der Theorie von Professor Steven R. Hawking zufolge, können Schwarze Löcher durch die nach ihm benannte Hawking-Strahlung über einen sehr langen Zeitraum hinweg Masse verlieren. Dabei geht man von einem Vakuumzustand aus, in dem ständig virtuelle Teilchenpaare aus Materie und Antimaterie entstehen und wieder verschwinden. Nun passiert es, dass durch die starke Gravitationskraft des Schwarzen Loches diese Paare getrennt werden und ein Teilchen ins Schwarze Loch fällt, während das andere Teilchen ins All entkommt. Erstreckt sich dieser Prozess über viele Milliarden Jahre, so könnte dies bis hin zum Auflösen des Schwarzen Loches führen. Dieser Vorgang sähe dabei für einen Beobachter aus, als würde das Schwarze Loch zerstrahlen oder verdampfen.

Antimaterie besteht aus Partikeln, welche grundsätzlich gleich wie Materiepartikel sind, jedoch gegenteilige Charakteristiken aufweisen. Als Beispiel: Protonen besitzen eine positive Ladung, Antiprotonen eine negative. Antiprotonen die im Weltall entstanden sind, bombardieren die Erde in Form von kosmischen Strahlen, welche aus Elementarteilchen bestehen, die sich mit annähernder Lichtgeschwindigkeit fortbewegen. Wenn Materie und Antimaterie kollidieren, zerstören sie sich gegenseitig, dabei entsteht reine Energie.

Die Urknalltheorie besagt, dass zu Beginn des Universums, noch vor dem “Big Bang“, gleiche Mengen von Materie und Antimaterie existiert haben müssen. Irgendwie verschob sich dann kurz vor dem eigentlichen Knall das Gleichgewicht zu Gunsten der Materie, so entstand das Universum wie wir es heute kennen. Eines der Ziele von BESS-Polar ist es, festzustellen ob es Anzeichen für Antimaterievorkommen gibt, die den Big Bang überlebt haben. Das scheinbare Ungleichgewicht von Materie und Antimaterie ist ein fundamentaler Teil der Elementarteilchenphysik sowie der Astronomie.

Das Finden von Antiprotonpartikel in einer Menge und einem Energiebereich, die durch die Theorie vorausgesagt wurde, ist somit ein primäres Ziel der Mission und würde bei einer erfolgreichen Entdeckung wohl als zwingenden Beweis für Hawkings Theorie dienen.

Die nördlichen und südlichen Polarregionen sind laut Professor Yamamoto die besten Plätze um niederenergetische Antiprotonen zu finden. Das Magnetfeld der Erde schützt uns vor Antiprotonen und anderer kosmischen Strahlung aus dem Weltall. Das Magnetfeld lenkt die geladenen Teilchen dabei in Richtung der Pole ab und so ist dort die Konzentration niederenergetischer kosmischer Strahlung, die in die Atmosphäre eindringt sehr hoch.

Dies war der erste Flug von BESS-Polar. Wissenschaftler führten in der Vergangenheit bereits mit einer Vorgängerversion, die BESS hiess, eintägige Flüge im Norden Kanadas durch. Die Versuche fanden zwischen 1993 und 2002 statt. Dabei fing das Instrument Millionen von kosmischen Strahlen und einige tausend niederenergetische Antiprotonen ein.

Um bessere Analysen zu erhalten, sind nun jedoch wesentlich mehr Teilchen nötig. Es bleibt also zu hoffen, dass das laufende Projekt die gewünschten Erkenntnisse liefert und damit unser Wissen über das frühe Universum um ein weiteres Puzzlestück bereichert.

Weiterführende Websites:

Homepage des BESS-Polar-Projektes (engl.)

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