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

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Quelle: Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut).

Die Physikalische Gesellschaft zu Berlin honoriert mit dem Preis Dr. Brambergers ausgezeichnete Dissertation mit dem Titel „Cosmological Singularity Resolution – Classical and Quantum Approaches“. Der mit 1.500 Euro dotierte Preis wird ihm am 18. November 2020 im Magnus-Haus in Berlin verliehen.

„Ich freue mich sehr über diese Anerkennung, denn sie würdigt meine Forschungsarbeit“, sagt Sebastian Bramberger, der am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut; AEI) in Potsdam promoviert hat. „An der theoretischen Kosmologie hat mich von Anfang an fasziniert, dass sie sich philosophischen Fragen mit mathematischen Mitteln nähert. Dabei hat mich die Rolle der Quantenmechanik bei der Entstehung des Universums besonders interessiert, und hier hatte ich das Privileg, mit ausgezeichneten Forscherinnen und Forschern zusammenzuarbeiten.“

Brambergers Doktorarbeit befasst sich mit dem wohl größten Rätsel der Kosmologie – dem Urknall. Will man den Ursprung des Universums untersuchen, so steht man vor dem Problem, zwei bislang nicht miteinander vereinbare Theorien gleichzeitig anwenden zu müssen: Die Quantentheorie und Einsteins allgemeine Relativitätstheorie. Denn am Anfang war nach den gängigen Vorstellungen das gesamte Universum auf einen winzigen Punkt konzentriert, aus dem dann mit dem Urknall Materie, Raum und Zeit entstanden und das Universum begann, sich auszudehnen. Das Verhalten von Materie auf winzigen Abständen beschreibt die Quantenmechanik, das der riesigen Massen jedoch die Relativitätstheorie. Beide sind nicht miteinander vereinbar, es kommt zu einer sogenannten „Singularität“, und die Theorie bricht zusammen. „Es ist unklar, wie man diese Singularität überwinden kann. Häufig wird angenommen, dass eine radikal neue Physik notwendig sein wird, um auf diesem Gebiet Fortschritte zu erzielen“, sagt Dr. Jean-Luc Lehners, in dessen Arbeitsgruppe „Theoretische Kosmologie“ Bramberger seine Dissertation angefertigt hat. „Sebastian Bramberger hingegen stellt verschiedene Ansätze vor, die mit kleinstmöglichen Änderungen der bereits bekannten Physik auskommen, und dennoch das Potenzial haben, den Urknall zu erklären.“

„Herr Bramberger hat in seiner Arbeit mehrere bemerkenswerte Resultate erzielt“, erläutert Prof. Hermann Nicolai, emeritierter Direktor am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in Potsdam, der Bramberger ebenfalls betreut hat. „Er hat eine exakte mathematische Lösung der Einsteinschen Relativitätstheorie gefunden, die zeigt, wie sich das Universum auf ein Minimum zusammenziehen kann und sich dann unter Einfluss der Dunklen Energie wieder ausdehnt.“ Bramberger hat auch das Phänomen des Quantentunnelns neu formuliert. Er hat entdeckt, wie man Quantensprünge mathematisch kontinuierlicher beschreiben kann. Diese Methoden erlauben es, neue Lösungen zu finden, in denen das Universum rund um den Urknall herum tunnelt.

Auch die „ewige Inflationstheorie“, eine immer noch rätselhafte Beschreibung des frühen Universums, gemäß der sich ständig neue Universen bilden, hat Bramberger erforscht und sie mathematisch genauer beschrieben. Er hofft nun, im nächsten Schritt eine erste vollkommen quantenmechanische Behandlung der ewigen Inflationstheorie formulieren zu können.

Sebastian Bramberger (geb. 1991) hat an der McGill University in Montreal, Kanada, Physik und Mathematik studiert und dort 2015 den Bachelor of Science abgelegt. Anschließend kam er ans AEI, wo er 2019 in der Arbeitsgruppe „Theoretische Kosmologie“ und der Abteilung „Quantengravitation und Vereinheitlichte Theorien“ mit einem Stipendium der Studienstiftung des Deutschen Volkes promovierte. Seit Abschluss seiner Dissertation forscht er als Postdoktorand am AEI.

Der Carl-Ramsauer-Preis wird zu Ehren des Experimentalphysikers Carl Ramsauer (1879-1955) von der Physikalischen Gesellschaft zu Berlin vergeben. Seit 2002 werden jährlich jeweils vier hervorragende Doktorarbeiten in Physik und angrenzenden Gebieten an den Berliner Universitäten und der Universität Potsdam ausgezeichnet.

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• Urknall

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

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.

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.

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.

Verwandte Seite:

• Eine weiterführende Information zur Hawking-Strahlung

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Ein Beitrag von Andreas Tramposch. Quelle: Spaceflight Now.

Bisher gab es zwei Theorien, welche die Eigenschaften des Weltalls beschreiben sollten: die allgemeine Relativitätstheorie und die Quantentheorie. Beide sind jedoch unvollständig und lassen einige Fragen unbeantwortet. Die Stringtheorie versucht die große (gravitationsbezogene) und kleine (atomare) Physik zu vereinigen.
Kritiker jedoch vorspotteten die Stringtheorie als Philosophie, die nicht getestet werden kann. Wie auch immer kann sich Richard Easther und sein Wissenschaftlerteam von der Yale Universität vorstellen, dass sich Beweise für die Stringtheorie mittels genauer Beobachtung und sorgfältiger Messung und Auswertung des Cosmic Microwave Background (CMB) (kosmische Hintergrundstrahlung) finden würden.

Die Stringtheorie offenbart sich nur bei extrem kurzen Distanzen und extrem hohen Energien. Die Planck-Konstante ist die theoretisch kürzesete Distanz, die gefunden werden kann. Mit einer Strecke von 10^-30 Meter ist zehn Billionen Billionen Mal größer als ein winziges Wasserstoffatom. Die größten Teilchenbeschleuniger erzeugen mit 10^-15 elektronischen Volt bei kollidierenden subatomaren Teilchen hohe Energien. Dieses Energielevel könnte die Quantentheorie offenbaren, aber ist immer noch um ganze ein Billiarden Mal geringer, als die Energie, die erforderlich ist um die Stringtheorie zu beweisen. Wissenschaftler erkennen, das sie weder diese extrem kurze Distanz noch die extrem hohe Energie aufbringen können um die Stringtheorie zu beweisen.

Wissenschaftler behaupten, dass die fundamentalen Kräfte des Weltalls, das sind die Gravitation (von der allgemeinen Relativitätstheorie definiert), Elektromagnetismus, schwache radioaktive und starke Nuklearkräfte (alle von der Quantentheorie definiert), bei dem extremen Energieausstoß beim Urknall vereinigt waren und die ganze Materie und Energie auf einem subatomaren Maßstab beschränkt war. Obwohl der Urknall beinahe 14 Milliarden Jahre vergangen ist, hat die kosmische Hintergrundstrahlung die ersten Momente der Zeit aufgenommen.

Die Wilkinson Microwave Anistropy Probe (WMAP) studierte die kosmische Hintergrundstrahlung und entdeckte feinste Temperaturunterschiede der Hintergrundstrahlung bei einer Temperatur von nur 2,73 Grad Celsius über dem absoluten Nullpunkt. Diese Einheitlichkeit ist Beweis für eine Periode in der sich die Expansion das Weltall nur 10^-33 Sekunden nach dem Urknall rapide beschleunigte. Während dieser Periode wuchs das Weltall von einem subatomaren in einen kosmischen Maßstab und vergrößerte sich um 100 Billionen Billionen Mal. Das Energiefeld, welches die Ausbreitung verursachte, bleibt wie alle Quantenfelder als Energieschwankungen erhalten. Diese Schwankungen, die wie Wellen an einem gefrorenen Teich in der kosmischen Hintergrundstrahlung ersichtlich sind, könnten den Beweis für die Stringtheorie beinhalten.

Professor Easther und seine Kollegen heben hervor, dass die Stringtheorie messbare Effekte in der kosmischen Hintergrundstrahlung in Form von einem feinen Muster aus heißen und kalten Punkten hinterlassen könnte. Die Stringtheorie ist so schwierig experimentell zu bestimmen, dass die einzige Chance daraus besteht sie mittels mühelosen Versuchen zu bestätigen.

Der Beitrag Beweise für Stringtheorie erschien zuerst auf Raumfahrer.net.