Astronomietagebuch – Teil 9: Schwarze Löcher und Hawking-Strahlung

Nachdem es in den letzten Wochen um die Grundlagen des Universums ging, ist es heute an der Zeit, mal ein ziemlich spezielles Thema aufzugreifen. Wir begeben uns in das Zentrum unserer Galaxie und betrachten Schwarze Löcher.

Symbolbild.
Symbolbild.

Über schwarze Löcher wurde wohl schon alles gesagt, ich glaube jedes Kind mit einem gewissen Interesse an schwarzen Löchern kann ungefähr erklären, was darin passiert. Aus diesem Grund halten wir die Einleitung relativ kurz:

Wenn Massereiche Sterne am Ende ihres Lebens kollabieren, nimmt der Strahlungsdruck im Inneren des Sterns ab. Dieser Druck (der durch die Kernfusion im Inneren entsteht), wirkt als Gegenkraft zur Gravitation. Verschwindet dieser Druck, so siegt die Gravitation der Stern fällt in sich zusammen. Viele Sterne ejakulieren in diesem Moment noch einen letzten Rest Materie ins Universum, der innere Kern bleibt allerdings in sich zusammengefallen. Ein Ort mit enormer Gravitation. Gravitation, die so gewaltig ist, dass nicht mal Licht ihr entkommen kann. Man spricht von einem schwarzen Loch.

Einer der größten Irrglauben im Zusammenhang mit schwarzen Löchern ist ja noch immer der, dass es ähnlich einem großen Staubsauger funktioniert und jede Materie einsaugt, mit der es in Berührung kommt. Dabei sagt der Name ja eigentlich schon, was genau passiert. Ein normales Loch saugt auch nichts an, denn um in ein Loch zu fallen, muss man so nah ran gehen wie es möglich ist und dann noch einen Schritt weiter. Und nicht anders verhält es sich mit den schwarzen Löchern im Weltall. Es gibt eine (mehr oder weniger) klar definierte Grenze, die man überschreiten muss, um in das „Loch“ zu „fallen“. Diese Grenze ist als „Ereignishorizont“ bekannt und alles was diesen Horizont überschreitet, bleibt im schwarzen Loch gefangen. Was im inneren eines schwarzen Lochs passiert, wissen wir nicht genau. Es gibt verschiedene Hypothesen, aber im Großen und Ganzen stellen wir uns dort eine Form von Singularität vor – also einen einzigen Punkt der durch die Gravitation unendlich klein und unendlich dicht ist. Laut Einstein würde dadurch im Inneren die Krümmung der Raumzeit unendlich werden. Folgt man den Postulaten der Quantenphysik, so treten nahe der Singularität chaotische Fluktuationen der Raumzeit auf, aber was genau im inneren der Löcher passiert, wird sich wohl erst lüften, wenn wir die Theorie der Quantengravitation aufstellen können.

Vor ein weiteres Problem stellt uns das Informationsparadoxon.

In der Quantenmechanik gilt allgemein, dass jeder Vorgang reversibel ist. Auf unsere Alltagswelt bezogen, heißt das folgendes: Wenn ich einen Holzscheit verbrenne, sollte es mir – zumindest theoretisch – möglich sein, aus der Asche, dem verbrannten Wasser, dem CO2 und allen weiteren Bestandteilen den ursprünglichen Holzscheit im Original wiederherstellen zu können. Das ist möglich, weil gewisse Informationen (und Achtung, im Gegensatz zur Esoterik ist der Begriff „Information“ hier genau definiert), wie z.B. Masse, elektrische Ladung oder Spin nicht verloren gehen können.
Wenn Materie in ein schwarzes Loch fällt, ist deren Information allerdings verloren, weil nach derzeitigem Kenntnisstand die Materie in einem schwarzen Loch verloren ist, also nicht mehr entkommen kann. Das wäre allerdings eine eklatante Verletzung der Fundamente der Quantenphysik, was entweder bedeutet, dass unsere Vorstellung von schwarzen Löchern falsch ist, oder unsere Vorstellung der gesamten Quantenphysik.

Und hier kommt der berühmteste Physiker seit Einstein ins Spiel:

Public Domain
Public Domain

Im Jahre 1975 veröffentlichte Stephen Hawking seine Arbeit zum Thema des Ereignishorizonts und stellt dabei die nach ihm benannte Theorie der sogenannten „Hawking-Strahlung“ auf, die beschreibt, dass schwarze Löcher schrumpfen können, indem sie thermische Energie abstrahlen.
Um zu verstehen wie diese Abstrahlung genau aussieht, muss man verstehen, dass das Vakuum kein vollkommen leerer Raum ist. In diesem Vakuum finden noch immer Fluktuationen statt, bei denen ein Teilen-Antiteilchen-Paar entsteht und sich sofort wieder vernichtet. Dabei trägt das Teilchen eine positive Energie, das Antiteilchen besitzt eine negative Energie. Diese virtuellen Teilchenpaare können überall entstehen, auch am Ereignishorizont eines Schwarzen Loches. Wenn das passiert, kann es sein, dass ein Teilchen in das schwarze Loch gezogen wird, während das andere ins Weltall entkommt. Das sieht dann ungefähr so aus

Symbolbild
Symbolbild. Maßstab ungefähr 1: 100000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000

Wenn jetzt das Antiteilchen mit der negativen Masse in das schwarze Loch fliegt, entzieht es diesem einen Teil seiner Energie – das schwarze Loch schrumpft also. Dieser Prozess findet umso schneller statt, je kleiner das schwarze Loch ist.

Hawking selbst war viele Jahre ein Verfechter der Theorie, dass die Information im schwarzen Loch endgültig verloren sei, änderte allerdings in den letzten Jahren schrittweise seine Ansichten, indem er einen anderen Mechanismus postulierte, bei dem er sich den Ideen einem seiner größten Kritiker bediente, Leonard Susskind – einem der Begründer der String-Theorie.

By Acmedogs (Own work) [CC BY-SA 3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)], via Wikimedia Commons
By Acmedogs (Own work) [CC BY-SA 3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)], via Wikimedia Commons

Susskind fand heraus, dass man alle Informationen, die zur Beschreibung eines dreidimensionalen Objektes nötig sind, auch in zwei Dimensionen speichern kann. Hawking und sein Team konstruierten mithilfe dieser Erkenntnis die Theorie, dass die Information nicht im schwarzen Loch verendet, sondern auf seiner Oberfläche – dem Ereignishorizont – gespeichert wird, wo die Hawking-Strahlung diese Information nach außen trägt. Leider ist diese Form der Information laut Hawking in einem chaotischen, also ziemlich nutzlosen Zustand.

Das Paper, das Hawking und sein Team veröffentlicht haben, trägt den Titel „Soft Hair on Black Holes“ und dessen Lektüre sowie anschließende Einordnung überlasse ich an dieser Stelle euch.


Allerdings habe ich zum Ende hin noch einen netten Fun-Fact:
Immer wenn Stephen Hawking neue Erkenntnisse veröffentlicht, treibt das riesigen Teams von Journalisten Schweißperlen auf die Stirn, weil sie versuchen müssen ein Thema zu verstehen, bei dem sie schon in der 9. Klasse komplett abgeschaltet haben – nämlich Physik.
Das führt gerne dazu, dass Wissenschaftler wie Hawking falsch zitiert werden. Während dieser nämlich eigentlich über seine neue Hypothese der Informationsspeicherung auf der Außenseite des Schwarzen Loches reden wollte, wurde er von den Medien nur mit den Worten zitiert: „Schwarze Löcher gibt es nicht“.

P.S.: Meine Paint-Skillz sind amazing, oder?

Kommentieren

Deine E-Mailadresse wird nicht veröffentlicht. Required fields are marked *

Du kannst folgende HTML Tags und Attribute verwenden: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <s> <strike> <strong>