Nachweis der „Hawking-Strahlung“ von Schwarzen Löchern mit modernen Teleskopen

1974 behauptete Stephen Hawking, dass Schwarze Löcher sowohl Teilchen aussenden als auch absorbieren sollten. Diese sogenannte „Hawking-Strahlung“ konnte bisher nicht beobachtet werden, doch nun hat eine Forschergruppe aus Europa herausgefunden, dass die Hawking-Strahlung mit vorhandenen Teleskopen beobachtbar sein sollte, die in der Lage sind, Lichtteilchen mit sehr hoher Energie zu erfassen.

Wenn zwei massereiche Schwarze Löcher kollidieren und verschmelzen oder wenn ein Neutronenstern und ein Schwarzes Loch dies tun, senden sie Gravitationswellen aus, Wellen im Gefüge der Raumzeit, die sich nach außen ausbreiten. Einige dieser Wellen überfluten die Erde Millionen oder Milliarden Jahre später. Diese Wellen wurden 1916 von Einstein vorhergesagt und zuerst direkt beobachtet von den LIGO-Detektoren im Jahr 2016. Dutzende Gravitationswellen aus Verschmelzungen schwarzer Löcher wurden entdeckt seit.

Diese Verschmelzungen stoßen auch eine Reihe von „Schwarzen Lochstückchen“ aus, kleinere Schwarze Löcher mit Massen in der Größenordnung eines Asteroiden, die in dem resultierenden extrem starken Gravitationsfeld um die Verschmelzung herum aufgrund sogenannter „nichtlinearer“ Hochgeschwindigkeitseffekte der Allgemeinen Relativitätstheorie entstehen. Diese Nichtlinearitäten entstehen aufgrund der inhärent komplexen Lösungen von Einsteins Gleichungen, da gekrümmte Raumzeit und Massen aufeinander Rückkopplungen haben und sowohl auf neue Raumzeit und Massen reagieren als auch diese erzeugen.

Diese Komplexität erzeugt auch Gammastrahlenausbrüche von extrem energiereichen Photonen. Diese Ausbrüche haben ähnliche Eigenschaften, mit einer Zeitverzögerung von der Verschmelzung in der Größenordnung ihrer Verdampfungszeit. Ein Teilchen mit einer Masse von 20 Kilotonnen hat eine Verdampfungslebensdauer von 16 Jahren, aber diese Zahl kann sich drastisch ändern, da die Verdampfungszeit proportional zur dritten Kubikmeter-Masse ist.

Schwerere Teilchen erzeugen zunächst ein stetiges Gammastrahlenausbruchsignal, das durch reduzierte Teilchenenergien gekennzeichnet ist, die proportional zur Hawking-Temperatur sind. Die Hawking-Temperatur ist umgekehrt proportional zur Masse eines Schwarzen Lochs.

Das Forschungsteam zeigte durch numerische Berechnungen mit einem Open-Source-Code namens Schwarzer Falke die die Hawking-Verdampfungsspektren für jede beliebige Verteilung von Schwarzen Löchern berechnet, dass die Hawking-Strahlung der Schwarzen-Loch-Stücke Gammastrahlenausbrüche erzeugt, die einen unverwechselbaren Fingerabdruck haben. Die Arbeit ist veröffentlicht auf der arXiv Preprint-Server.

Die Erkennung solcher Ereignisse, die mehrere Signale haben – Gravitationswellen, elektromagnetische Strahlung, Neutrino-Emissionen– wird in der astrophysikalischen Gemeinschaft als Multimessenger-Astronomie bezeichnet und ist Teil der Beobachtungsprogramme der Gravitationswellendetektoren LIGO in den USA, VIRGO in Italien und des Gravitationswellenteleskops KAGRA in Japan.

Sichtbare Signale von der Verdampfung schwarzer Löcher enthalten immer Photonen oberhalb des TeV-Bereichs (eine Billion Elektronenvolt, etwa 0,2 Mikrojoule; der Large Hadron Collider des CERN in Europa, der größte Teilchenbeschleuniger der Welt, lässt beispielsweise Protonen frontal mit einer Gesamtenergie von 13,6 TeV kollidieren). Dies biete eine „goldene Gelegenheit“, schreibt die Gruppe, für sogenannte Tscherenkow-Teleskope mit hoher atmosphärischer Energie, diese Hawking-Strahlung zu erfassen.

Diese Tscherenkow-Teleskope sind erdgebundene Antennenschüsseln, die sehr energiereiche Photonen (Gammastrahlen) im Energiebereich von 50 GeV (Milliarden Elektronenvolt) bis 50 TeV erfassen können. Diese Antennen erreichen dies, indem sie Tscherenkow-Strahlungsblitze erfassen, die entstehen, wenn die Gammastrahlen durch die Erdatmosphäre strömen und sich schneller als die gewöhnliche Wellengeschwindigkeit von Licht in der Luft.

Man sollte bedenken, dass sich Licht in Luft etwas langsamer bewegt als im Vakuum, da Luft einen Brechungsindex hat, der etwas größer als eins ist. Die Hawking-Gammastrahlung, die durch die Atmosphäre strömt, überschreitet diesen Wert und erzeugt Tscherenkow-Strahlung (auch Bremsstrahlung genannt). Das blaue Licht, das man in den Wasserlachen um die Reaktionsstäbe in einem Kernreaktor sieht, ist ein Beispiel für Tscherenkow-Strahlung.

Mittlerweile gibt es vier Teleskope, die diese Kaskaden von Tscherenkow-Strahlung erfassen können: das High Energy Stereoscopic System (HESS) in Namibia, das Major Atmospheric Gamma Imaging Cherenkov Telescopes (MAGIC) auf einer der Kanarischen Inseln, das First G-APD Cherenkov Telescope (FACT), ebenfalls auf der kanarischen Insel La Palma, und das Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System (VERITAS) in Arizona. Obwohl jedes dieser Teleskope eine andere Technologie verwendet, können sie alle Tscherenkow-Photonen im Energiebereich von GeV bis TeV erfassen.

Die Entdeckung einer solchen Hawking-Strahlung würde auch Licht (ähem …) auf die Produktion von Teilchenbrocken in Schwarzen Löchern werfen, sowie auf die Produktion von Teilchen bei Energien, die höher sind als die, die auf der Erde erreicht werden können, und könnte Hinweise auf neue physikalische Phänomene liefern, wie etwa Supersymmetrie, zusätzliche Dimensionen oder die Existenz von zusammengesetzten Teilchen auf Grundlage der starken Kraft.

„Es war eine Überraschung, dass die Strahlung von Schwarzloch-Bruchstücken über die Erfassungskapazitäten der derzeitigen Tscherenkow-Teleskope auf der Erde hinausgehen kann“, sagte Giacomo Cacciapaglia, Hauptautor der Studie von der Université Lyon Claude Bernard 1 in Lyon, Frankreich. Er wies darauf hin, dass die direkte Erfassung der Hawking-Strahlung von Schwarzloch-Bruchstücken der erste Beweis für das Quantenverhalten von Schwarzlöchern wäre. Er sagte: „Wenn das vorgeschlagene Signal beobachtet wird, müssen wir das derzeitige Wissen über die Natur von Schwarzlöchern“ und der Entstehung von Bruchstücken in Frage stellen.

Cacciapaglia sagte, sie hätten vor, Kollegen aus experimentellen Gruppen zu kontaktieren und dann die gesammelten Daten für die Suche nach der von ihnen vorgeschlagenen Hawking-Strahlung zu verwenden.

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