Im Jahr 1974 machte Stephen Hawking eine seiner berühmtesten Vorhersagen: dass Schwarze Löcher schließlich vollständig verdunsten.
Nach Hawkings Theorie sind Schwarze Löcher nicht perfekt "schwarz", sondern emittieren tatsächlich Partikel. Hawking glaubte, dass diese Strahlung schließlich genug Energie und Masse von den Schwarzen Löchern ableiten könnte, um sie verschwinden zu lassen. Es wird allgemein angenommen, dass die Theorie wahr ist, aber sie wurde einst für nahezu unmöglich zu beweisen gehalten.
Zum ersten Mal haben Physiker diese schwer fassbare Hawking-Strahlung jedoch gezeigt - zumindest in einem Labor. Obwohl die Hawking-Strahlung zu schwach ist, um von unseren derzeitigen Instrumenten im Weltraum erfasst zu werden, haben Physiker diese Strahlung jetzt in einem Analogon des Schwarzen Lochs gesehen, das mit Schallwellen und einigen der kältesten, seltsamsten Materie im Universum erzeugt wurde.
Partikelpaare
Schwarze Löcher üben eine so unglaublich starke Gravitationskraft aus, dass selbst ein Photon, das sich mit Lichtgeschwindigkeit fortbewegt, nicht entkommen konnte. Während das Vakuum des Raums im Allgemeinen als leer betrachtet wird, diktiert die Unsicherheit der Quantenmechanik, dass ein Vakuum stattdessen voller virtueller Teilchen ist, die in Materie-Antimaterie-Paaren in die Existenz hinein- und aus ihr herausflitzen. (Antimaterieteilchen haben die gleiche Masse wie ihre Materiegegenstücke, jedoch entgegengesetzte elektrische Ladung.)
Normalerweise vernichten sich einander sofort, nachdem ein Paar virtueller Partikel erschienen ist. Neben einem Schwarzen Loch ziehen jedoch die extremen Schwerkraftkräfte die Partikel auseinander, wobei ein Partikel vom Schwarzen Loch absorbiert wird, während das andere in den Weltraum schießt. Das absorbierte Teilchen hat eine negative Energie, die die Energie und Masse des Schwarzen Lochs verringert. Schlucken Sie genug von diesen virtuellen Partikeln und das Schwarze Loch verdunstet schließlich. Das austretende Teilchen wird als Hawking-Strahlung bekannt.
Diese Strahlung ist schwach genug, dass wir sie derzeit nicht im Weltraum beobachten können, aber die Physiker haben sich sehr kreative Methoden ausgedacht, um sie in einem Labor zu messen.
Ein Wasserfall-Ereignishorizont
Der Physiker Jeff Steinhauer und seine Kollegen vom Technion - Israel Institute of Technology in Haifa verwendeten ein extrem kaltes Gas namens Bose-Einstein-Kondensat, um den Ereignishorizont eines Schwarzen Lochs zu modellieren, der unsichtbaren Grenze, hinter der nichts entkommen kann. In einem fließenden Strom dieses Gases platzierten sie eine Klippe und erzeugten einen "Wasserfall" aus Gas; Wenn das Gas über den Wasserfall strömte, wandelte es genug potentielle Energie in kinetische Energie um, um schneller als die Schallgeschwindigkeit zu fließen.
Anstelle von Materie und Antimaterieteilchen verwendeten die Forscher Phononenpaare oder Quantenschallwellen im Gasfluss. Das Phonon auf der langsamen Seite könnte sich gegen den Gasfluss vom Wasserfall weg bewegen, während das Phonon auf der schnellen Seite nicht durch das "Schwarze Loch" des Überschallgases gefangen werden könnte.
"Es ist, als ob Sie versuchen würden, gegen eine Strömung zu schwimmen, die schneller fließt als Sie schwimmen können", sagte Steinhauer gegenüber Live Science. "Sie würden das Gefühl haben, vorwärts zu gehen, aber Sie würden wirklich zurückgehen. Und das ist analog zu einem Photon in einem schwarzen Loch, das versucht, aus dem schwarzen Loch herauszukommen, aber von der Schwerkraft in die falsche Richtung gezogen wird."
Hawking sagte voraus, dass die Strahlung der emittierten Teilchen in einem kontinuierlichen Spektrum von Wellenlängen und Energien liegen würde. Er sagte auch, dass es durch eine einzelne Temperatur beschrieben werden könnte, die nur von der Masse des Schwarzen Lochs abhängt. Das kürzlich durchgeführte Experiment bestätigte diese beiden Vorhersagen im Schallschwarzen Loch.
"Diese Experimente sind eine Tour de Force", sagte Renaud Parentani, theoretischer Physiker am Laboratoire de Physique Théorique der Universität Paris-Sud, gegenüber Live Science. Parentani untersucht auch analoge Schwarze Löcher, jedoch aus einem theoretischen Blickwinkel; Er war nicht an der neuen Studie beteiligt. "Es ist ein sehr präzises Experiment. Von der experimentellen Seite aus ist Jeff im Moment wirklich der weltweit führende Experte für die Verwendung kalter Atome zur Untersuchung der Physik von Schwarzen Löchern."
Parentani betonte jedoch, dass diese Studie "ein Schritt in einem langen Prozess" sei. Insbesondere zeigte diese Studie nicht, dass die Phononenpaare auf Quantenebene korreliert sind, was ein weiterer wichtiger Aspekt von Hawkings Vorhersagen ist.
"Die Geschichte wird fortgesetzt", sagte Parentani. "Es ist überhaupt nicht das Ende."
