Montagsvortrag: Die Akustik Schwarzer Löcher

Schwarze Löcher im Labor

04.04.2016
Referent: Dr. James Anglin, Universität Kaiserslautern

Die Akustik der Schwarzen Löcher

Ein auf den ersten Blick ungewöhnliches Thema wurde am vergangenen Montag im Astronomiemuseum der Sternwarte Sonneberg behandelt: "Die Akustik Schwarzer Löcher". Beim Begriff Schwarzes Loch denkt man ja gemeinhin an so etwas wie einen alles verschlingenden Strudel, aus dem es kein Entrinnen gibt, nicht einmal für Licht! Erst recht sollte dies dann auch für Schallwellen gehen, was also hat die Akustik mit Schwarzen Löchern zu tun?

Der Referent, der Kanadier Professor James Anglin, ein Physik-Theoretiker von der Technischen Universität Kaiserslautern, startete mit einer kurzen Einführung zum Thema Schwarze Löcher. So könne man anhand eines einfachen Steinwurfes nach oben sich recht schnell klarmachen, dass der Stein umso höher fliegt, je schneller man ihn nach oben wirft. Irgendwann ist die Startgeschwindigkeit so hoch, dass der Stein nicht mehr wiederkehrt, er hat die sogenannte Fluchtgeschwindigkeit erreicht.

Dr. James Anglin im Astronomiemuseum Sonneberg

Anglin machte dann klar, dass diese Geschwindigkeit von der Masse und dem Radius des Körpers abhängt, von dem aus der Stein geworfen wird, und lud zu einem Gedankenexperiment ein: Wenn man diesen Körper, die Erde zu Beispiel, bei gleichbleibender Masse immer weiter zusammenquetschen würde, dann wird die Fluchtgeschwindigkeit immer größer und erreicht irgendwann die Lichtgeschwindigkeit.

Um bei der Erde zu bleiben, würde man sie auf eine Kugel von 18 mm Durchmesser schrumpfen, dann könnte kein Licht mehr von ihr entweichen, wir hätten ein Schwarzes Loch erzeugt. Glücklicherweise geht das nicht so einfach, aber es gibt nachweislich solche exotischen Himmelskörper, die bei einem Durchmesser von nur einigen Kilometern etwas schwerer als unsere Sonne sind bis hin zu gigantisch großen Ungetümen, Millionen oder Milliarden mal so schwer wie die Sonne.

Das Entscheidende am Schwarzen Loch, so Anglin, sei der sogenannte Ereignishorizont. Das ist der Bereich, bis zu dem es noch gelingt, Signale nach außen zu schicken. Innerhalb dieses Horizonts jedoch gibt es dann keinen Weg mehr zurück, auch nicht für Licht. An dieser Schwelle kehrt sich die Bedeutung von Raum und Zeit um, ein hineinfallender Beobachter etwa würde im Strom der Zeit immer weiter Richtung Mittelpunkt des Schwarzen Loches gezogen werden.

Wie es "dort drinnen" aussieht, weiß freilich niemand, nicht einmal Anglin, und selbst wenn er eine solche Reise wagemutig unternehmen würde, könnte er davon nicht mehr berichten.

Doch am Ereignishorizont, ganz knapp über ihm, geschehen, glaubt man den Berechnungen des genialen Physikers Stephen Hawking, eigenartige Dinge. Teilchen-Antiteilchen-Paaren, die im Vakuum des Weltall überall und ständig spontan entstehen können - und sich auch gleich wieder vernichten - ist hier ein besonderes Schicksal beschieden.

So kann es vorkommen, dass ein Teilchen die Schwerkraft des Schwarzen Loches überwinden kann, während sein Partner, das Anti-Teilchen, durch den Horizont hindurch ins Schwarze Loch fällt. Dieser Vorgang aber geht zu Lasten der Masse, man spricht von einem Verdampfen des Schwarzen Loches durch die Hawking Strahlung.

Die Sache hat nur einen Haken: die Strahlung ist extrem schwach, man wird sie wohl nie nachweisen können, und so würde das verdampfen etwa unserer gedanklich auf Murmelgröße geschrumpften Erde etwa 10 hoch 39 Jahre dauern. Das ist mehr als eine Ewigkeit, selbst unser Kosmos ist gerade einmal etwas älter als 10 hoch 10 Jahre.

Angesichts dieser trüben Aussichten zauberte Anglin nun eine Alternative hervor, die Akustik. Von den Weiten des Weltalls ging es nun in den Mikrokosmos zu den Quantenteilchen. So könne man im Labor mit ziemlichem Aufwand extrem kalte Quantengase erzeugen, in denen die Schallgeschwindigkeit nur einige Millimeter pro Sekunde beträgt. Beschießt man ein solches Quantengas zum Beispiel punktuell mit Elektronen, so entsteht so etwas wie ein Loch, in dem dieses Quantengas sich schneller als seine Schallgeschwindigkeit bewegt. Und siehe da, auf diese geschickte Weise hat man eine Grenze zwischen Unterschall- und Überschallbereich geschaffen, die sich genauso wie ein Ereignishorizont von Schwarzen Löchern verhält.

Die spannende Frage sei nun, so Anglin, ob man mit solchen Laborexperimenten auch so etwas wie eine Hawking-Strahlung erzeugen kann. Immerhin gelinge dies schon theoretisch, Anglin zeigte eindrucksvolle Simulationen aus seiner Forschungsgruppe. Der zweifelsfreie experimentelle Nachweis stehe aber noch aus, weltweit arbeiten einige Forschergruppen daran.

Montagsvortrag im April

In der nachfolgenden Diskussion kam vor allem der berühmte Experimentalaufbau am Kernforschungszentrum CERN in Genf zur Sprache, durch dessen Betrieb verschiedene Forscher auch die Entstehung Schwarzer Löcher befürchtet hatten. Anglin beruhigte mit zwei Argumenten: zum einen würde ein kleines Schwarzes Loch, sollte es tatsächlich entstehen, wohl gleich wieder verdampfen wegen der Hawking-Strahlung - aber das ist bisher ja nur eine theoretische Aussage und noch nicht experimentell nachgewiesen - , zum anderen gibt es jeden Tag unzählige Kollisionen extrem energiereicher Teilchen aus dem Kosmos mit unserer Erdatmosphäre, die ständig Schwarze Löcher produzieren müssten - was ganz offensichtlich aber nicht der Fall ist.

Autor: Dr. Peter Kroll

Drucken