In den 1970er Jahren versuchte der Physiker Stephen Hawking, eine scheinbar einfache Frage zu beantworten:Haben Schwarze Löcher eine Temperatur? Seine Analyse führte zu dem Konzept, das heute seinen Namen trägt:Hawking-Strahlung. Hawking zeigte nicht nur, dass Schwarze Löcher Energie ausstrahlen, er zeigte auch, dass sie unglaublich langsam schrumpfen und schließlich in einem Blitz von Gammastrahlen explodieren.
Was ist Hawking-Strahlung?
Die Idee der Hawking-Strahlung basiert auf der Tatsache, dass leerer Raum nicht wirklich leer ist. Dies ist vielleicht ein schwer zu fassender Begriff. Obwohl der leere Raum keine Masse, keine Teilchen oder Energiequanten enthält, existieren die Quantenfelder, die sie definieren, immer noch im Vakuum des Raums.
Die übliche Erklärung ist, dass diese Felder, weil sie keine Nullenergie haben müssen, Paare von „virtuellen Teilchen“ erzeugen können, normalerweise ein Teilchen-Antiteilchen-Paar, die sich schnell gegenseitig vernichten. Aber in der Nähe eines Schwarzen Lochs, so die Erklärung, ist es möglich, dass eines dieser Teilchen im Inneren des Schwarzen Lochs verschwindet und für immer verloren ist, während das andere als Hawking-Strahlung entweicht.
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Diese Erklärung, obwohl allgemein verwendet, ist nicht ganz vollständig. Hawking-Strahlung ist eigentlich das Ergebnis davon, wie die Schwerkraft die Raumzeit beeinflusst, wie von der Allgemeinen Relativitätstheorie beschrieben.
Die Quantenfelder im leeren Raum gehorchen der Heisenbergschen Unbestimmtheitsrelation, was bedeutet, dass die Gewissheit, mit der wir ihre Energie kennen können, oder der Zeitpunkt, zu dem ihnen eine bestimmte Energie zugeordnet werden kann, begrenzt ist. Da ein Gravitationsfeld die Raumzeit krümmt und den lokalen Zeitablauf beeinflusst, bedeutet dies, dass Bereiche der Raumzeit mit unterschiedlichen Gravitationskrümmungen sich nicht auf die Energie der Quantenfelder einigen können. Es ist dieser Unterschied in der Energie des Vakuums an verschiedenen Orten im Gravitationsfeld eines Schwarzen Lochs, der sogenannte „virtuelle Teilchen“ erzeugt.
Können wir Hawking-Strahlung nachweisen?
Hawking gelang es, seine ursprüngliche Frage zu beantworten, ob ein Schwarzes Loch eine Temperatur hat. Das tun sie, aber diese Temperaturen sind extrem gering. Darüber hinaus zeigte Hawking, dass die von einem Schwarzen Loch freigesetzte Energiemenge umgekehrt proportional zu seiner Masse ist. Seltsamerweise gilt:Je höher die Masse des Schwarzen Lochs, desto kleiner seine Energiefreisetzung und Temperatur.
Ein Schwarzes Loch mit einer Sonnenmasse (eine Sonnenmasse entspricht der Masse unserer Sonne) könnte eine Temperatur von etwa 10-8 K haben, während ein Schwarzes Loch mit einer Million Sonnenmassen etwa 10-14 K haben würde. Diese Temperaturen, die nur geringfügig über dem „absoluten Nullpunkt“ liegen, sind winzig im Vergleich zur Temperatur des kosmischen Mikrowellenhintergrunds (CMB) – der Reliktstrahlung des Urknalls, die den gesamten Weltraum durchdringt.
Es scheint auch, dass das Universum keine schwarzen Löcher produzieren kann, die kleiner als etwa 2,5 Sonnenmassen sind, also ist das Auffinden wirklich kleiner und daher heißer schwarzer Löcher keine Option. Es ist daher wahrscheinlich, dass es praktisch unmöglich ist, Hawking-Strahlung zu erkennen.
Es gibt jedoch eine Möglichkeit. Einige Astronomen gehen von der Existenz „primordialer schwarzer Löcher“ aus. Diese könnten sich aufgrund von Dichteschwankungen im frühen Universum gebildet haben und einen Teil der mysteriösen Dunklen Materie ausmachen, die Astronomen immer noch entgeht. Entscheidend ist, dass primordiale Schwarze Löcher nicht durch ihre Größe eingeschränkt sind, sodass die Möglichkeit besteht, dass Schwarze Löcher mit geringer Masse existieren. Diese könnten ausreichend Hawking-Strahlung aussenden, um entdeckt zu werden, und könnten sich, da ihre Lebensdauer im Vergleich zu größeren Schwarzen Löchern kurz ist, während ihrer Todesmomente in einem Blitz von Gammastrahlen offenbaren.
Leben Schwarze Löcher ewig?
Eine der Schlussfolgerungen aus Hawkings Arbeit war, dass Schwarze Löcher nicht ewig leben. Sie verdunsten schließlich auf sehr langsame und banale Weise. Die Freisetzung von Hawking-Strahlung verringert allmählich die Masse des Schwarzen Lochs. Schwarze Löcher, die nicht aktiv neues Material ansaugen, werden also langsam schrumpfen und schließlich verschwinden.
Die Zeitskalen für diese Verdunstung sind immens. Zum Beispiel würde ein Schwarzes Loch mit einer Sonnenmasse 1064 Jahre brauchen, um vollständig zu verdampfen, während das Alter des Universums nur etwa 1010 Jahre beträgt.
Was ist das Informationsparadoxon des Schwarzen Lochs?
Die Verdampfung von Masse aus einem Schwarzen Loch aufgrund von Hawking-Strahlung führt zu einem beunruhigenden Problem, das als „Informationsparadoxon“ bekannt ist. Eines der Kernprinzipien der Quantenmechanik besagt, dass „Informationen“ nicht zerstört werden können. Das bedeutet, dass wir zum Beispiel, wenn wir vollständige Informationen über ein Teilchensystem haben, die Zukunft und die vergangenen Zustände dieses Systems vorhersagen können.
Die Informationen von Teilchen, die den Ereignishorizont eines Schwarzen Lochs überqueren, sind für uns für immer „verloren“, weil sie niemals zurückkehren können. Das ist kein Problem, wenn die Informationen innerhalb des Schwarzen Lochs intakt bleiben. Das Problem ist, dass das Schwarze Loch durch die Hawking-Strahlung Masse verliert, diese Information aber nicht an den zugänglichen Teil des Universums zurückgibt.
Schließlich verschwindet das Schwarze Loch ganz und mit ihm die Information, die es geschluckt hat, und verstößt damit gegen die Regeln der Quantenmechanik. Die Suche nach einer Lösung für dieses Paradoxon hat zu interessanter neuer Physik geführt, aber letztendlich könnte eine vollständige Theorie der „Quantengravitation“ erforderlich sein, die frustrierenderweise eines der ungelösten Probleme der Physik bleibt.
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- Dieser Artikel erschien zuerst in Ausgabe 373 des BBC Science Focus Magazine – Erfahren Sie hier, wie Sie sich anmelden können