Sperrige Dimensionen sind das große Problem der Astrophysik und Kosmologie. Schließlich ist es kaum möglich, am Rand eines Schwarzen Lochs herumzustochern, den Urknall nachzubauen oder die Raumzeit ein wenig zu verbiegen. So sind viele kosmologische Phänomene zwar theoretisch sehr gut beschrieben, ihre experimentelle Überprüfung gestaltet sich aber schwierig.

Forscher müssen sich etwas einfallen lassen – so wie Jeff Steinhauer von der Technischen Universität Israels in Haifa. In einem vor Kurzem im Fachmagazin "Nature Physics" erschienenen Artikel beschreibt er die Erzeugung und den Nachweis von Hawking-Strahlung im Labor – derjenigen Strahlung, die ein Schwarzes Loch eben doch nicht völlig schwarz sein lässt.

Dafür baute Steinhauer ein Schwarzes Loch nach, das mit lediglich 100 Mikrometer Länge und vier Mikrometer Breite selbst dann noch bequem auf einem Labortisch Platz hat, wenn man die komplette Versuchsapparatur mit einrechnet. Freilich handelt es sich nicht wirklich um ein echtes Schwarzes Loch. Statt aus den Überresten eines massereichen Sterns besteht es aus einer Flüssigkeit ultrakalter Atome, und statt Licht und Materie schluckt es Schall, ist also eher "still" und nicht "schwarz".

Trotzdem verhält es sich in einigen zentralen Aspekten genau wie ein echtes Schwarzes Loch und ist somit ein Analogon, ein Beispiel aus dem noch recht jungen Forschungsfeld der analogen Gravitation: Wissenschaftler erschaffen meist mit Hilfe von Festkörpersystemen eine Umgebung, die die gekrümmte Raumzeit nachahmt. So erhalten sie Einblicke in Vorgänge in unserem Universum, die sonst kaum möglich wären – wie eben in die Entstehung von Hawking-Strahlung.

Warum Schwarze Löcher nicht völlig schwarz sind

Dabei handelt es sich um ein mysteriöses Strahlungsphänomen, das laut Berechnungen von Stephen Hawking aus dem Jahr 1974 im Umfeld Schwarzer Löcher auftreten müsste – ob es das wirklich tut, ist allerdings immer noch unklar. Grundlage des Effekts sind winzige Energiefluktuationen im Vakuum, durch die spontan Teilchen-Antiteilchen-Paare aus dem Nichts entstehen können. Normalerweise vernichten sich solche Paare sofort wieder – nicht jedoch, wenn sie am Rand eines Schwarzen Lochs entstehen. Dann nämlich fällt mitunter eines der Teilchen in das Schwarze Loch hinein, während das andere entkommt. Im Ergebnis gibt das Schwarze Loch Wärmestrahlung ab. Der Haken dabei: Die Hawking-Strahlung ist so schwach, dass sie völlig in der Strahlung des kosmischen Mikrowellenhintergrunds untergeht; ein direkter Nachweis gilt als aussichtslos.

Ein Loch im Wasser
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(Ausschnitt)
 Bild vergrößernEin Loch im Wasser
Wasser bietet eine Möglichkeit, ein Schwarzes Loch im Labor nachzubauen. Wellen auf seiner Oberfläche stehen dabei zum Beispiel stellvertretend für die Ausbreitung von Strahlung.

1981 allerdings hatte der theoretische Physiker William Unruh eine zündende Idee. Er bemerkte, dass die Hawking-Strahlung an sich kein Phänomen aus Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie sei. Stattdessen ist sie ein Quanteneffekt, der in der Nähe einer stark gekrümmten Geometrie auftritt – wie eben am Rand eines Schwarzen Lochs, auch Ereignishorizont genannt, wo Raum und Zeit auf Grund der starken Anziehungskraft des Schwarzen Lochs extrem stark gekrümmt sind. Sollte es also gelingen, eine ähnliche Geometrie im Labor nachzuahmen, müsste auch dort eine Art Hawking-Strahlung entstehen.

Eine solche Geometrie schafft das "stille Loch" auf dem Labortisch. Es besteht aus einem Bose-Einstein-Kondensat, also aus ultrakalten Atomen, die sich wie eine Superflüssigkeit ohne innere Reibung verhalten. "Das fließende Kondensat ist wie das Feld der Schwerkraft", erklärt Jeff Steinhauer. Statt Licht schickte Steinhauer Schallwellen in dieses Feld und erzeugte mit Hilfe von Laserlicht einen akustischen Ereignishorizont: "Die Grenze des Laserlichts ist wie ein Wasserfall. Die Atome fließen diesen Wasserfall hinunter und werden so auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigt. Deshalb kann sich Schall nicht gegen diesen Strom ausbreiten." Steinhauer vergleicht die Situation mit einem Menschen, der in einem Fluss gegen den Strom schwimmt, aber nicht schnell genug ist: Er wird nicht vorankommen und sogar zurückgetrieben. Ganz ähnlich wie der Schwimmer kommen auch Schallwellen, die sich entgegen der Fließrichtung des Kondensats bewegen, nicht weiter und werden so im "stillen Loch" gefangen. "Das ist ähnlich, wie wenn Licht aus einem Schwarzen Loch nicht herauskommen kann."

Der erste Nachweis scheint gelungen

Bildete sich am akustischen Ereignishorizont nun ein Paar von Schallwellen, wurde eine der Schallwellen im "stillen Loch" gefangen und bewegte sich in der Region, die im Kondensat durch das Laserlicht begrenzt wurde, hin und her. Dadurch wurden weitere Schallwellenpaare erzeugt und verstärkten die Strahlung so lange, bis die Messgeräte anschlugen: Es ist der erste direkte Nachweis von im Labor erzeugter Hawking-Strahlung überhaupt.

Schon einmal stand diese Behauptung im Raum: Im Jahr 2010 berichteten Wissenschaftler um Daniele Faccio, inzwischen an der Heriot-Watt University im schottischen Edinburgh, dass sie Hawking-Strahlung im Labor erzeugt hätten. Dazu verwendeten sie gepulstes Laserlicht, das innerhalb eines Glasblocks den Brechungsindex des Lichts veränderte und so einen

Ereignishorizont erzeugte, an dessen Rändern sich laut den Forschern Hawking-Strahlung beobachten ließ. Doch inzwischen haben die Forscher ihr Ergebnis zurückgezogen – auch wenn sie immer noch nicht genau wissen, welchen Effekt sie damals eigentlich beobachtet haben.

"Wir waren erstaunt, wie gut sich dieser Effekt beobachten ließ" (Silke Weinfurtner)

Auch bei Jeff Steinhauers Experiment gibt es einen Wermutstropfen: Die Verstärkung der Schallwellen, die schließlich den Nachweis der Hawking-Strahlung ermöglichte, war nur für eine einzige Schallfrequenz möglich. Daher gibt es noch einiges zu tun: "Im nächsten Schritt geht es darum, das gesamte Spektrum der Hawking-Strahlung nachzuweisen, nicht nur eine einzige Frequenz", so Steinhauer.

Ein Wassertank mit Ereignishorizont

Hinweise auf dieses Spektrum der Wärmestrahlung fanden Silke Weinfurtner von der britischen University of Nottingham und Kollegen bereits vor einigen Jahren: Sie bauten ein Schwarzes Loch in einer Badewanne nach – beziehungsweise in einem Wassertank, sechs Meter lang und einen halben Meter tief. Ein speziell geformtes Hindernis im Tank veränderte die Strömungsgeschwindigkeit des Wassers so, dass diese höher war als die Geschwindigkeit, mit der sich kleine Oberflächenwellen auf dem Wasser ausbreiteten.

"Wir haben diese Wasserwellen gegen einen effektiven weißen Horizont geschickt", erklärt Weinfurtner. "Im Gegensatz zu einem schwarzen Horizont, aus dem nichts entkommen kann, kann in einen weißen Horizont nichts eindringen, aber alles aus ihm entweichen."

Der Horizont in diesem Fall war das Hindernis, das die Oberflächenwellen nicht überschreiten konnten. "Wenn man Wasserwellen verschiedener Frequenzen zu diesem Horizont schickt, werden sie in zwei Wellen aufgeteilt", sagt Weinfurtner. "Hawking-Strahlung ist die Aufteilung der Energie auf diese beiden Wellen." Zwischen diesem Verhältnis und der Temperatur des weißen Horizonts besteht ein Zusammenhang. Und tatsächlich ähnelte das Intensitätsverhältnis dem eines extrem kalten Objekts mit einer Temperatur von Bruchteilen über dem absoluten Nullpunkt.

Überraschend gute Übereinstimmung

"Wir waren erstaunt, wie gut sich dieser Effekt beobachten ließ", gibt Weinfurtner zu. "Um die Analogie herzustellen, haben wir nämlich sehr viele Annäherungen gemacht." Denn natürlich spielen im Wasser Quantenprozesse keine Rolle: Die Hawking-Strahlung in Weinfurtners Experiment war angeregt und trat nicht spontan auf wie in der Nähe eines echten Schwarzen Lochs oder im "stillen Loch", das aus einem Bose-Einstein-Kondensat bestand.

Trotzdem funktionieren diese und andere Modellsysteme der analogen Gravitation gut – erstaunlich gut. Laut Weinfurtner liegt der Trick in den Annäherungen, die Physiker gerne verwenden, um ihre Systeme und die zu Grunde liegende Mathematik zu vereinfachen: "Wir nehmen an, dass sich bei der Ausbreitung von Oberflächenwellen der Wasserfluss selbst nicht ändert. Dann kann man nämlich die Navier-Stokes-Gleichungen, die den Wasserfluss beschreiben, vereinfachen. Und wenn ich diese vereinfachten Gleichungen herleite, schauen sie genauso aus wie die Gleichungen, die beschreiben, wie sich Teilchen in einer gekrümmten Raumzeit verhalten."

Aber auch andere Effekte und Phänomene wollen Forscher im Labor nachstellen. Silke Weinfurtner und ihre Kollegen interessieren sich beispielsweise derzeit für die kosmische Teilchenproduktion, von der Kosmologen annehmen, dass sie für die großräumigen Strukturen in unserem Universum verantwortlich ist. Demnach gab es kurz nach dem Urknall Quantenfluktuationen. Diese winzigen Dichteschwankungen sollen dann in der inflationären Phase, in der sich das Universum extrem schnell ausdehnte, vergrößert worden sein. Sie bildeten somit eine Art Gerüst, auf dem sich mit der Zeit Galaxien und Galaxienhaufen bildeten.

Silke Weinfurtner will dafür ein Bose-Einstein-Kondensat verwenden: "Wenn ich die Schallgeschwindigkeit im Kondensat ändere, kann ich darin Fluktuationen anregen. Man kann auch existierende Fluktuationen im Kondensat verstärken. Dieser Mechanismus ist äquivalent zu dem, wie in unserem Universum in der inflationären Phase Teilchen erzeugt wurden."

Galaxienentstehung im extremen Miniaturmaßstab

Diese winzigen Quantenfluktuationen nachzuweisen, dürfte allerdings nicht leicht werden, denn laut Weinfurtner gibt es in so einem Kondensat auch immer thermische Fluktuationen. Diese entstehen selbst dann, wenn Wissenschaftler ihre Bose-Einstein-Kondensate bis auf unter ein milliardstel Grad über dem absoluten Nullpunkt kühlen. Der letzte Bruchteil an Temperatur sorgt trotzdem für winzige thermische Schwankungen. Diese von den Quantenfluktuationen zu unterscheiden, ist schwierig, so Weinfurtner: "Wenn ich das expandierende Universum nachstellen möchte, habe ich das Problem, dass diese thermischen Fluktuationen auch verstärkt werden."

Gelingt das Experiment aber, eröffnen sich spannende Möglichkeiten: "Eine Frage in der Kosmologie ist, wie die Quantenfluktuationen kurz nach dem Urknall in den klassischen Bereich, also in Dichteschwankungen, übergehen konnten. Das kann man in dem Kondensat testen."

Nikodem Szpak von der Universität Duisburg-Essen hingegen gibt sich nicht nur mit unserem herkömmlichen Standarduniversum zufrieden. In einem vor Kurzem erschienenen Artikel beschreibt er, wie man viele verschiedenartige Universen mit unterschiedlichen Eigenschaften erzeugen könnte. Sein Vorschlag sieht vor, ultrakalte Atome in mit Laserlicht erzeugten optischen Gittern zu fangen. Die Atome darin können manchmal von einem Punkt des Gitters zu einem anderen hüpfen. Betrachtet man dieses Hüpfen nicht nur für einzelne Atome, sondern auf großen Skalen, gleicht es dem Verhalten von Teilchen in einer flachen Raumzeit. Das bedeutet auch: Verändert sich das optische Gitter – ist es also nicht mehr komplett gleichmäßig –, sollten sich die hüpfenden Atome so wie Teilchen in einer gekrümmten Raumzeit verhalten.

Gravitationswellen in Gittern ultrakalter Atome?

Indem das optische Gitter schrumpft oder wächst, sollte es sogar möglich sein, ein Universum nachzustellen, das expandiert oder sich zusammenzieht. Szpak hält es sogar für möglich, dass man mit einem solchen Versuchsaufbau analoge Gravitationswellen erzeugen könnte, also jene Wellen, die Einstein in der allgemeinen Relativitätstheorie beschrieben hat und die Wellen des Raums selbst darstellen. Gravitationswellen sollten bei der Entstehung von Schwarzen Löchern oder anderen extremen gravitativen Ereignissen im Universum entstehen, ihr direkter Nachweis ist aber bislang noch nicht gelungen.

Trotzdem können natürlich auch Szpaks Analogien nicht beschreiben, in welcher Art von Raumzeit wir uns wirklich befinden und ob sie tatsächlich so flach ist, wie Kosmologen derzeit annehmen. "Wir können auch nicht beweisen, dass Schwarze Löcher wirklich strahlen", fügt Silke Weinfurtner hinzu. Trotzdem ist sie optimistisch, schließlich bewegt sich die analoge Gravitation auf einem Gebiet, in dem guter experimenteller Rat oft teuer ist und die Physiker sich auf Theorie und Computersimulationen verlassen müssen. "Wir können diesem Feld eine experimentelle Komponente hinzufügen. Wir können lernen, was es heißt, solche Effekte wirklich zu sehen."