Stilles Loch emittiert Hawkingstrahlung

Die Anziehungskraft eines Schwarzen Loches ist so groß, dass nicht einmal Licht seinem gravitativen Einfluss entkommen kann. Doch 1974 fand Stephen Hawking heraus, dass Schwarze Löcher dennoch Strahlung aussenden könnten. Bislang ließ sich diese sogenannte Hawkingstrahlung allerdings nicht experimentell nachweisen, da ihr Signal extrem schwach ist. Jeff Steinhauer vom israelischen Institute of Technology in Haifa machte diesbezüglich nun einen Fortschritt: Mithilfe eines Bose-Einstein-Kondensats erschuf er im Labor ein Analogon zu einem Schwarzen Loch, das statt Materie oder Licht keinen Schall entkommen lässt. Jenseits dieses Stillen Lochs konnte Steinhauer tatsächlich eine Art Hawkingstrahlung aus Schall nachweisen, wie er im Fachmagazin „Nature Physics“ berichtet.

Hawkingstrahlung soll vom Ereignishorizont eines Schwarzen Lochs ausgehen, wenn dort ein virtuelles – also nicht real existierendes – Teilchen-Antiteilchen-Paar entsteht. Solche Teilchenpaare gehen gemäß der Quantenelektrodynamik ständig aus dem Vakuum hervor, doch vernichten sich Materie und Antimaterie für gewöhnlich sofort wieder gegenseitig. In der Nähe des Ereignishorizonts aber ist es möglich, dass das Antiteilchen in das Schwarze Loch hineinstürzt, während das Materieteilchen entkommt und das Schwarze Loch so tatsächlich Strahlung abgibt. Könnten Astronomen diese Strahlung entdecken, wäre dies eine direkte Beobachtung eines Schwarzen Lochs. Doch selbst wenn sie existiert, wäre die Hawkingstrahlung viel zu schwach, um derzeit von Teleskopen aufgefangen zu werden. Um Schwarze Löcher überhaupt experimentell erforschen zu können, behelfen sich Physiker daher mit Analogien: Sie nutzen die Tatsache aus, dass bestimmte Systeme ähnlichen Gesetzen wie der Schwerkraft gehorchen.

Steinhauer nutzte für sein Experiment ultrakalte Rubidiumatome, die ein Bose-Einstein-Kondensat bilden. In diesem Materiezustand verhalten sich die Atome wie eine Flüssigkeit ohne jegliche Viskosität, also innere Reibung. Bewegen sich diese Atome nun mit Überschallgeschwindigkeit, können Schallwellen, die sich im Inneren des Kondensats befinden, diesem nicht mehr entkommen und sind somit wie in einem Schwarzen Loch gefangen. Um ein solches Modellsystem zu realisieren, bestrahlte Steinhauer das Bose-Einstein-Kondensat mit Laserlicht und beschleunigte so die Rubidiumatome in einem begrenzten Gebiet auf Überschallgeschwindigkeit. Infolgedessen bildete sich an der inneren und äußeren Grenze dieser schachtförmigen Region ein Analogon zum Ereignishorizont aus. Waren nun Schallwellen in diesem Stillen Loch gefangen, bewegten sie sich zwischen den beiden Grenzen hin und her und wurden so verstärkt. Dieser Verstärkungsmechanismus ermöglichte schließlich, die imitierte Hawkingstrahlung in Form von Phononen – Quasiteilchen des Schalls – außerhalb des Stillen Lochs nachzuweisen.

Neben dem Nachweis der Hawkingstrahlung in Form von Schall deutet das Experiment auf eine Möglichkeit hin, auch die Strahlung echter astrophysikalischer Schwarzer Löcher nachzuweisen. Denn unter gewissen Umständen – etwa wenn sie elektrisch geladen statt neutral sind – könnte es auch im Inneren von Schwarzen Löchern einen inneren Ereignishorizont geben. In diesem Fall könnte auch elektromagnetische Strahlung analog zu den Schallwellen zwischen den beiden Horizonten verstärkt werden und somit das Signal der Hawkingstrahlung genügend verstärken, um eine Entdeckung auf der Erde zu ermöglichen.