Der Sternenhimmel im April 2018

Schwarze Löcher und die Hawking-Strahlung

Aus aktuellem Anlass sei der Sternenhimmel in diesem Monat jenen kuriosen Objekten im Universum gewidmet, die wir gar nicht sehen können, und damit vor allem dem Physiker, der sich zeitlebens mit ihnen beschäftigt hat: Stephen Hawking (1942 - 2018).

Als Teenager habe ich die „Kurze Geschichte der Zeit“ nur so verschlungen und verbrachte meine Weihnachtsferien damals gedanklich an den entlegensten Orten des Universums. Es war jenes Buch, das Stephen Hawking 1988 ins Licht der Öffentlichkeit rückte und mit dem Schwarze Löcher auch jenseits von Kosmologenkreisen und Star-Trek-Clubs salonfähig wurden.

Hawking selbst hatte bereits 20 Jahre früher damit begonnen, sich mit diesen exotischen Objekten zu befassen. Schon einige Zeit zuvor hatten andere Forscher das Ende von Sternen, die schwerer als drei Sonnenmassen waren, berechnet. Wenn solche massereichen Sterne den Kernbrennstoff am Ende ihres Lebens aufgebraucht haben, können sie keine Energie mehr produzieren und mit ihrem Strahlungsdruck der eigenen Gravitation entgegenwirken. Der Stern fällt explosionsartig in sich zusammen, die Materie verdichtet sich immer weiter und folgt allein der Gravitation. Hinter einer bestimmten Grenze, dem Ereignishorizont (Schwarzschildradius), scheint sich alle Materie gewissermaßen in einem Punkt zu konzentrieren und die Gravitation unendlich anzuwachsen. Einem solchen exotischen Objekt kann eigentlich nichts mehr entkommen, nicht einmal Licht. Daher hat es seinen Namen „Schwarzes Loch“.

Gemeinsam mit seinem Kollegen Roger Penrose fand Hawking heraus, dass solche Singularitäten gar kein Sonderfall der allgemeinen Relativitätstheorie darstellen, wie früher angenommen, sondern dass sie ganz unwillkürlich entstehen, wann immer es im Universum zu einem Gravitationskollaps kommt. Die Diskussionen mit dem Physiker Jacob Bekenstein (1947 - 2015) über diese Schwerkraftwunder ließen Hawking aber noch einen Schritt weiter denken: Der Quantentheorie nach können im Vakuum - und ebenso am Rand eines Schwarzen Lochs - so genannte virtuelle Teilchen entstehen. Diese Teilchenpaare aus Materie und Antimaterie (zwei Photonen, zwei Neutrinos oder auch ein Elektron und ein Positron) löschen sich in der Regel sofort wieder gegenseitig aus. Entstehen solche Teilchenpaare nun direkt am Ereignishorizont, kann das Teilchen mit der negativen Energie ins Schwarze Loch gelangen und das andere entkommen, noch bevor sich beide gegenseitig vernichten können. Auf diese Weise sollte das Schwarze Loch mit der Zeit an Masse verlieren und dabei quasi verdampfen. Diese von Schwarzen Löchern abgegebene Strahlung wird seither als Hawking-Strahlung bezeichnet.

Damit besitzt ein Schwarzes Loch auch eine Temperatur, die invers von seiner Masse abhängt. Bei massereichen Schwarzen Löchern, wie sie im heutigen Universum vorkommen, also Sternleichen oder noch viel massereicheren in Kugelsternhaufen oder gar in den Zentren von Galaxien oder Quasaren, ist diese Temperatur jedoch extrem niedrig. Sie liegt weit unterhalb jener der kosmischen Hintergrundstrahlung und ist daher mit heutigen Beobachtungsmöglichkeiten nicht nachweisebar. Merklich anfangen zu verdampfen würden solche Schwarzen Löcher erst auf einer Zeitskala, die vergleichbar mit dem heutigen Alter des Universums ist. Bis sie ganz verschwunden wären, würde aber ein Zigfaches davon vergehen. Ganz zu Beginn des Universums, kurz nach dem Urknall, könnten sich aber primordiale Mini-Schwarze-Löcher gebildet haben, die recht bald wieder zerstrahlten.

Im Prinzip wäre es sogar möglich, dass an dem Teilchenbeschleuniger LHC (Large Hadron Collider) am CERN aufgrund der hohen erzeugten Energiedichten noch viel kleinere Schwarze Löcher entstehen, die allerdings sofort wieder zerstrahlen und sich deshalb anhand dieser charakteristischen Strahlungsausbrüche bemerkbar machen sollten. Nachgewiesen wurden sie bislang jedoch nicht.

Dass es Schwarze Löcher gibt, wissen wir heute aber trotzdem ziemlich sicher. So konnten Astrophysiker beispielsweise aus den Bahnen von Sternen im Zentrum unserer Galaxis auf die Masse schließen, die dort auf sehr engem Raum vereinigt sein muss. Demnach befindet sich im Kern der Milchstraße ein Schwarzes Loch mit 4,3 Millionen Sonnenmassen.

Auch in manchen Doppelsternsystemen, bei denen nur eine der beiden Komponenten sichtbar ist, macht sich ein Schwarzes Loch durch seine Schwerkraft bemerkbar. Und nicht zuletzt lieferten die Beobachtungen von Gravitationswellen von zwei miteinander kollidierenden Schwarzen Löchern in jüngster Zeit schlagkräftige Beweise.

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