News: Am Horizont
Ulf Leonhardt und seinen Kollegen von der University of St Andrews in Schottland erzeugten in einem Glasfaserkabel einen künstlichen Ereignishorizont und wiesen daran erstmals optische Effekte nach, die auch bei Schwarzen Löchern auftreten sollten.
© NASA/ESA and Greg Bacon, STScI / Artist's View of a Black Hole in a Globular Cluster / CC BY 4.0 CC BY (Ausschnitt)
Die Masse eines Schwarzen Lochs ist auf einen Punkt zusammengequetscht – unsere Erde müsste man etwa in einen Fingerhut pressen, um ein solch kompaktes Objekt zu erschaffen. Damit besitzen sie eine enorme Anziehungskraft und nichts – nicht einmal Licht – kann entkommen, wenn es denn einmal eine gewisse Schwelle übertreten hat: den so genannten Ereignishorizont. Das macht es aber auch sehr unwahrscheinlich, diese Grenze und ihre Eigenschaften jemals direkt beobachten zu können. Und so suchen Wissenschaftler händeringend nach handlichen Modellen dieses Phänomens.
Das Experiment von Leonhardt und seinem Team ist inspiriert durch eine simple Überlegung: Die Physik um ein Schwarzes Loch ähnelt einem Fluss, der sich auf einen Wasserfall – die Singularität – zubewegt. Je näher er dem Abgrund kommt, desto schneller fließt das Wasser in ihm. Schwimmen nun Fische darin gegen den Strom, so kommen sie ab einem bestimmten Punkt nicht mehr gegen die Strömung an – genau dort, wo sie langsamer sind als die Fließgeschwindigkeit.
Reißende Strömung
Nimmt man nun an, die Fische seien Lichtwellen und die Fließgeschwindigkeit entspräche der Anziehungskraft des Schwarzen Lochs, dann kommt jener Punkt dem Ereignishorizont gleich – hinter dieser Grenze sind Fisch beziehungsweise Licht für immer in der Strömung gefangen. Stellt man sich andersherum vor, dass der Fluss in einen See fließt, dann nimmt die Geschwindigkeit des Wassers allmählich ab. Fische, die vom See in den Fluss schwimmen wollen, scheitern ebenfalls an dem Punkt, an dem das umgebende Nass schneller ist als sie selbst. Ein Analogon für ein so genanntes Weißes Loch – ein Objekt, in das nichts eindringen kann.
Die Forscher schickten zunächst ultrakurze Laserpulse in ein 1,5 Meter langes Glasfaserkabel. Jeder Puls verändert die optischen Eigenschaften der Faser und simuliert dadurch eine Art fließendes Medium. Tatsächlich wird allerdings keine Materie vom Fleck bewegt. Zudem entsandten sie infrarotes Licht, also kontinuierliche Wellen, in den Lichtleiter und damit in eine reißende Strömung.
An der hinteren Flanke der Pulse bildet sich der Theorie nach nun der Horizont eines Weißen Lochs aus, während sich an der vorderen derjenige eines Schwarzen Lochs auftut. Dort nämlich, wo die lokale Geschwindigkeit der Strömung die der Welle übersteigt. Am Weißen Loch sollte das einfallende Infrarotlicht nun gestaucht werden und damit hinterher zu kürzeren Wellenlängen verschoben sein. Tatsächlich konnten die Wissenschaftler eine solche Blauverschiebung im Spektrum nachweisen.
Anhand von theoretischen Berechnungen schließen Leonhardt und sein Team, dass sich mit ihrem Modell möglicherweise sogar Quantenereignisse am Ereignishorizont nachweisen lassen. Darunter fiele insbesondere die geheimnisvolle Hawking-Strahlung, die vielleicht von Schwarzen Löchern ausgeht. Der britische Physiker Stephen Hawking hatte diese Hypothese bereits Mitte der 1970er Jahre vorgeschlagen.
Vollkommen ungefährlich
Denn laut der Quantentheorie entstehen überall im Raum fortwährend Paare aus Teilchen und entsprechendem Antiteilchen, um kurz darauf wieder gemeinsam zu zerstrahlen. Bildet sich ein solches Pärchen zufällig in der Nähe des Ereignishorizonts, könnte eines der Teilchen auf Nimmerwiedersehen im Schlund verschwinden, während das andere entkommt. Gesetzt den Fall die Energie der beiden Partikel stammte aus dem Schwarzen Loch, wäre es also doch möglich, ihm wieder etwas abzugewinnen.
Nur leider ist die Strahlung so schwach, dass eine direkte Beobachtung nahezu ausgeschlossen ist. Hier könnten die künstlichen Schwarzen Löcher helfen, denn auch sie sollten nicht vollkommen schwarz sein. Spontan sollten an den nachgeahmten Ereignishorizonten Photonenpaare entstehen und damit ein Imitat der schwer fassbaren Hawking-Strahlung. Damit könnte der Nachweis also vielleicht endlich gelingen. Und zum Schluss noch eine gute Nachricht für alle Schwarzmaler: Trotz der frappierenden Ähnlichkeit zu ihren großen Brüdern, sind die Laborlöcher vollkommen ungefährlich – ist es doch nur ein bisschen Licht.
mp
Das Experiment von Leonhardt und seinem Team ist inspiriert durch eine simple Überlegung: Die Physik um ein Schwarzes Loch ähnelt einem Fluss, der sich auf einen Wasserfall – die Singularität – zubewegt. Je näher er dem Abgrund kommt, desto schneller fließt das Wasser in ihm. Schwimmen nun Fische darin gegen den Strom, so kommen sie ab einem bestimmten Punkt nicht mehr gegen die Strömung an – genau dort, wo sie langsamer sind als die Fließgeschwindigkeit.
Reißende Strömung
Nimmt man nun an, die Fische seien Lichtwellen und die Fließgeschwindigkeit entspräche der Anziehungskraft des Schwarzen Lochs, dann kommt jener Punkt dem Ereignishorizont gleich – hinter dieser Grenze sind Fisch beziehungsweise Licht für immer in der Strömung gefangen. Stellt man sich andersherum vor, dass der Fluss in einen See fließt, dann nimmt die Geschwindigkeit des Wassers allmählich ab. Fische, die vom See in den Fluss schwimmen wollen, scheitern ebenfalls an dem Punkt, an dem das umgebende Nass schneller ist als sie selbst. Ein Analogon für ein so genanntes Weißes Loch – ein Objekt, in das nichts eindringen kann.
Die Forscher schickten zunächst ultrakurze Laserpulse in ein 1,5 Meter langes Glasfaserkabel. Jeder Puls verändert die optischen Eigenschaften der Faser und simuliert dadurch eine Art fließendes Medium. Tatsächlich wird allerdings keine Materie vom Fleck bewegt. Zudem entsandten sie infrarotes Licht, also kontinuierliche Wellen, in den Lichtleiter und damit in eine reißende Strömung.
An der hinteren Flanke der Pulse bildet sich der Theorie nach nun der Horizont eines Weißen Lochs aus, während sich an der vorderen derjenige eines Schwarzen Lochs auftut. Dort nämlich, wo die lokale Geschwindigkeit der Strömung die der Welle übersteigt. Am Weißen Loch sollte das einfallende Infrarotlicht nun gestaucht werden und damit hinterher zu kürzeren Wellenlängen verschoben sein. Tatsächlich konnten die Wissenschaftler eine solche Blauverschiebung im Spektrum nachweisen.
Anhand von theoretischen Berechnungen schließen Leonhardt und sein Team, dass sich mit ihrem Modell möglicherweise sogar Quantenereignisse am Ereignishorizont nachweisen lassen. Darunter fiele insbesondere die geheimnisvolle Hawking-Strahlung, die vielleicht von Schwarzen Löchern ausgeht. Der britische Physiker Stephen Hawking hatte diese Hypothese bereits Mitte der 1970er Jahre vorgeschlagen.
Vollkommen ungefährlich
Denn laut der Quantentheorie entstehen überall im Raum fortwährend Paare aus Teilchen und entsprechendem Antiteilchen, um kurz darauf wieder gemeinsam zu zerstrahlen. Bildet sich ein solches Pärchen zufällig in der Nähe des Ereignishorizonts, könnte eines der Teilchen auf Nimmerwiedersehen im Schlund verschwinden, während das andere entkommt. Gesetzt den Fall die Energie der beiden Partikel stammte aus dem Schwarzen Loch, wäre es also doch möglich, ihm wieder etwas abzugewinnen.
Nur leider ist die Strahlung so schwach, dass eine direkte Beobachtung nahezu ausgeschlossen ist. Hier könnten die künstlichen Schwarzen Löcher helfen, denn auch sie sollten nicht vollkommen schwarz sein. Spontan sollten an den nachgeahmten Ereignishorizonten Photonenpaare entstehen und damit ein Imitat der schwer fassbaren Hawking-Strahlung. Damit könnte der Nachweis also vielleicht endlich gelingen. Und zum Schluss noch eine gute Nachricht für alle Schwarzmaler: Trotz der frappierenden Ähnlichkeit zu ihren großen Brüdern, sind die Laborlöcher vollkommen ungefährlich – ist es doch nur ein bisschen Licht.
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