Synthetische Schwarze Löcher strahlen wie echte

Von der Universität Amsterdam geleitete Forschungen haben gezeigt, dass schwer fassbare Strahlung von Schwarzen Löchern untersucht werden kann, indem man sie im Labor nachahmt.

Schwarze Löcher sind die extremsten Objekte im Universum und packen so viel Masse auf so wenig Raum, dass nichts – nicht einmal Licht – ihrer Anziehungskraft entkommen kann, sobald es nahe genug kommt.

Das Verständnis von Schwarzen Löchern ist der Schlüssel zur Entschlüsselung der grundlegendsten Gesetze, die den Kosmos regieren, da sie die Grenzen von zwei der am besten getesteten Theorien der Physik darstellen: der Allgemeinen Relativitätstheorie, die die Schwerkraft als Ergebnis der (großflächigen) Verkrümmung beschreibt der Raumzeit durch massive Objekte und die Theorie der Quantenmechanik, die die Physik auf kleinsten Längenskalen beschreibt. Um Schwarze Löcher vollständig zu beschreiben, müssten wir diese beiden Theorien zusammenfügen und eine Theorie der Quantengravitation bilden.

Strahlende Schwarze Löcher

Um dieses Ziel zu erreichen, sollten wir uns ansehen, was es schafft, schwarzen Löchern zu entkommen, und nicht, was verschluckt wird. Der Ereignishorizont ist eine immaterielle Grenze um jedes Schwarze Loch, über die hinaus es keinen Weg mehr gibt. Stephen Hawking entdeckte jedoch bekanntermaßen, dass jedes Schwarze Loch aufgrund kleiner Quantenfluktuationen um seinen Horizont eine kleine Menge Wärmestrahlung aussenden muss.

Leider wurde diese Strahlung nie direkt nachgewiesen. Die Menge an Hawking-Strahlung, die von jedem Schwarzen Loch ausgeht, wird als so gering vorhergesagt, dass es (mit der derzeitigen Technologie) unmöglich ist, sie unter der Strahlung aller anderen kosmischen Objekte zu erkennen.

Könnten wir alternativ den Mechanismus untersuchen, der der Entstehung von Hawking-Strahlung direkt hier auf der Erde zugrunde liegt? Das haben Forscher der Universität Amsterdam und des IFW Dresden untersucht. Und die Antwort ist ein spannendes „Ja“.

Schwarze Löcher im Labor

„Wir wollten die leistungsstarken Werkzeuge der Physik der kondensierten Materie nutzen, um die unerreichbare Physik dieser unglaublichen Objekte zu untersuchen: Schwarze Löcher“, sagt die Autorin Lotte Mertens.

Dazu untersuchten die Forscher ein Modell, das auf einer eindimensionalen Kette von Atomen basiert, in der Elektronen von einem Atomort zum nächsten „hüpfen“ können. Die Verzerrung der Raumzeit aufgrund des Vorhandenseins eines Schwarzen Lochs wird nachgeahmt, indem eingestellt wird, wie leicht Elektronen zwischen den einzelnen Orten hin- und herspringen können.

Mit der richtigen Variation der Sprungwahrscheinlichkeit entlang der Kette verhält sich ein Elektron, das sich von einem Ende der Kette zum anderen bewegt, genau wie ein Stück Materie, das sich dem Horizont eines Schwarzen Lochs nähert. Und analog zur Hawking-Strahlung hat das Modellsystem messbare thermische Anregungen in Gegenwart eines synthetischen Horizonts.

Lernen durch Analogie

Trotz des Mangels an tatsächlicher Gravitation im Modellsystem gibt die Berücksichtigung dieses synthetischen Horizonts wichtige Einblicke in die Physik von Schwarzen Löchern. Beispielsweise legt die Tatsache, dass die simulierte Hawking-Strahlung nur für eine bestimmte Wahl der räumlichen Variation der Sprungwahrscheinlichkeit thermisch ist (was bedeutet, dass das System eine feste Temperatur zu haben scheint), nahe, dass die echte Hawking-Strahlung in bestimmten Situationen auch nur rein thermisch sein kann .

Darüber hinaus tritt die Hawking-Strahlung nur auf, wenn das Modellsystem ohne räumliche Variation der Sprungwahrscheinlichkeiten beginnt und eine flache Raumzeit ohne Horizont nachahmt, bevor es in eines umgewandelt wird, das ein synthetisches Schwarzes Loch beherbergt. Die Entstehung von Hawking-Strahlung erfordert daher eine Änderung in der Verzerrung der Raumzeit oder eine Änderung in der Art und Weise, wie ein Beobachter, der nach der Strahlung sucht, diese Verzerrung wahrnimmt.

Schließlich erfordert die Hawking-Strahlung, dass ein Teil der Kette jenseits des synthetischen Horizonts existiert. Das bedeutet, dass die Existenz der Wärmestrahlung eng mit der quantenmechanischen Eigenschaft der Verschränkung zwischen Objekten auf beiden Seiten des Horizonts verbunden ist.

Da das Modell so einfach ist, kann es in einer Reihe von Versuchsanordnungen implementiert werden. Das können abstimmbare elektronische Systeme, Spinketten, ultrakalte Atome oder optische Experimente sein. Schwarze Löcher ins Labor zu bringen, kann uns dem Verständnis des Zusammenspiels von Gravitation und Quantenmechanik und auf unserem Weg zu einer Theorie der Quantengravitation einen Schritt näher bringen.

Die Studie wurde veröffentlicht in Physikalische Überprüfungsforschung.