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Wie Schwarze Löcher leuchten

Tunneleffekt als Ursache / Teilchenpaare aus dem Nichts

Von Rainer Scharf

Schwarze Löcher sind extrem kompakte Objekte, die beim Kollaps von Sternen entstehen können oder noch vom Urknall her übriggeblieben sind. Alles, was einem Schwarzen Loch zu nahe kommt, wird von der Schwerkraft unaufhaltsam ins Innere des Loches gezogen. Selbst Licht kann ihm dann nicht mehr entweichen. Deshalb sollten diese seltsamen Objekte eigentlich von sich aus nicht leuchten können. Doch 1975 hatte Stephen Hawking berechnet, daß ein Schwarzes Loch aufgrund quantenmechanischer Effekte durchaus strahlen kann, wenn auch in der Regel nur extrem schwach. Jetzt haben Berechnungen von Physikern in den Vereinigten Staaten eine häufig benutzte anschauliche Erklärung für diese Hawking-Strahlung wissenschaftlich untermauert.

Die beiden Physiker Maulik Parikh von der Princeton University und Frank Wilczek vom Institute for Advanced Study in Princeton/New Jersey haben die Vorgänge untersucht, die dazu führen, daß am Rande eines Schwarzen Loches Licht- und Teilchenstrahlung entstehen ("Physical Review Letters", Bd. 85, S. 5042). Dabei spielt die Quantentheorie eine wesentliche Rolle. Zunächst erlaubt es Heisenbergs Unschärfebeziehung, daß gleichsam aus dem Nichts heraus Paare von Teilchen und Antiteilchen oder von Photonen entstehen, die nach kurzer Zeit wieder spurlos verschwinden.

Bildet sich solch ein Paar in unmittelbarer Nähe des Randes eines Schwarzen Loches, so kann es vorkommen, daß eines der beiden Teilchen oder Photonen, im Einklang mit der Quantentheorie, durch diesen Rand tunnelt. Unabhängig davon, ob das Teilchenpaar innerhalb oder außerhalb des Schwarzen Loches entstanden war - nach dem Tunnelprozeß sind die Teilchen für immer voneinander getrennt. Während das eine Teilchen im Schwarzen Loch unbeobachtbar bleibt, kann das andere als Teil der Hawking-Strahlung davonfliegen und - zumindest im Prinzip - beobachtet werden.

Bei dem Vorgang verringert sich die Energie des Schwarzen Loches um die abgegebene Strahlungsenergie. Damit nimmt auch die Masse des Loches ab, und es schrumpft, allerdings äußerst langsam. Die am Rand des Loches entstehende Strahlung hat zunächst eine verhältnismäßig hohe Energie und eine entsprechend kurze Wellenlänge. Bewegen sich die Teilchen dieser Strahlung davon, so werden sie durch die Schwerkraft des Loches stark abgebremst und verlieren dabei fast ihre gesamte Energie. Weit entfernt vom Loch ist die Strahlung deshalb sehr langwellig und kalt. Ihre Wellenlänge ist ungefähr so groß wie der Durchmesser des Loches. In dem Maße, wie das strahlende Loch schrumpft, wird die Strahlung immer kurzwelliger und heißer, bis das Loch schließlich nach unvorstellbar langer Zeit in einer Explosion verschwindet. So beträgt die Lebensdauer eines Schwarzen Loches von doppelter Sonnenmasse vermutlich 1067 Jahre, während das Universum nur rund 1010 Jahre alt ist.

Die Berechnungen Hawkings hatten gezeigt, daß die Lichtstrahlung eines Schwarzen Loches dieselbe ist wie die eines Planckschen schwarzen Strahlers. Abgesehen von ihrer Temperatur, hat sie keinerlei besondere Eigenschaften, die Rückschlüsse auf das strahlende Objekt zuließen. Doch Maulik und Wilczek zufolge sollte die Hawking-Strahlung charakteristische Abweichungen von der Planckschen Strahlung zeigen. Dies wäre ein erster Hinweis darauf, daß über die Hawking-Strahlung Informationen über das Innere eines Schwarzen Loches nach außen dringen können. Leider ist die Hawking-Strahlung allerdings derart schwach, daß man sie wohl nie direkt wird beobachten können. 

Frankfurter Allgemeine Zeitung, 31.01.2001, Nr. 26 / Seite N1

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