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Erster Beweis für Hawking-Theorem

Gravitationswellen belegen Kernvorhersage zum Ereignishorizont Schwarzer Löcher

Schwarzes Loch
Der Physiker Stephen Hawking hat vor 50 Jahren ein Theorem zur Fläche des Ereignishorizonts Schwarzer Löcher aufgestellt. Jetzt wurde es betätigt. © keanu2/ Getty images

Nach 50 Jahren bewiesen: 1971 postulierte der britische Physiker Stephen Hawking, dass der Ereignishorizont eines Schwarzen Lochs nie schrumpfen kann. Jetzt liefern Gravitationswellen den ersten Beobachtungsbeweis für dieses Theorem. Denn der Vergleich der Wellenmuster vor und nach der Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher zeigt, dass der Ereignishorizont hinterher mehr als die Summe der beiden Vorgänger umfasst – genau das hatte Hawking vorhergesagt.

Der 2018 gestorbene Physiker Stephen Hawking hat unsere Sicht auf Schwarze Löcher geprägt wie kein anderer. Schon in den 1970er Jahren stellte er mehrere fundamentale Theorien zu diesen kosmischen Singularitäten auf, darunter die nach ihm benannte Hawking-Strahlung. Auch die Frage, wie der Ereignishorizont beschaffen ist und ob dahinter wirklich alle Information unwiederbringlich verloren ist, beschäftigte ihn sein Leben lang. Noch in seinem postum veröffentlichen letzten Fachartikel stellte er dazu Hypothesen auf.

Stephen Hawking
Stephen Hawking bei einem Vortrag im Jahr 2008. © NASA/ Paul Alers

Hawkings Theorem zum Ereignishorizont

Ein grundlegendes Theorem Hawkings wurde jetzt – nach 50 Jahren – erstmals durch Beobachtungen bestätigt. 1971 hatte der Physiker postuliert, dass der Ereignishorizont eines Schwarzen Lochs niemals kleiner werden kann. Wenn zwei Schwarze Löcher kollidieren, muss die Oberfläche des Ereignishorizonts beim resultierenden Objekts zudem größer sein als die der beiden Vorgänger-Ereignishorizonte.

Während Hawking diese Gesetzmäßigkeiten mathematisch-physikalisch schlüssig untermauern konnte, stand ein Beweis anhand von Beobachtungen jedoch noch aus. Lange Zeit gab es schlicht keine Möglichkeit, Schwarze Löcher direkt abzubilden oder zu vermessen. Das änderte sich erst mit dem ersten Nachweis von Gravitationswellen im Jahr 2016. Denn die subtilen Schwingungsmuster dieser Raumzeiterschütterungen bergen auch Informationen zu Größe, Masse und Verhalten der an der Kollision beteiligten Schwarzen Löcher.

Können Gravitationswellen dies belegen?

Für Hawking tat sich damit erstmals eine Möglichkeit auf, seinen Flächensatz zu beweisen. „Die Möglichkeit, Gravitationswellen zu detektieren, hat das Potenzial, die Astronomie zu revolutionieren“, kommentierte er im Februar 2016 – und wandte sich umgehend an den LIGO-Mitgründer Kip Thorne vom California Institute of Technology. Seine Frage: Könnte man anhand der Gravitationswellen die Größe des Ereignishorizonts ermitteln und so sein Theorem überprüfen?

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Doch Thorne musste seinem berühmten Kollegen zunächst eine Absage erteilen, denn damals waren die technischen Möglichkeiten der Detektoren und vor allem der Signalverarbeitung noch nicht weit genug, um genügend Details aus den Signalen herauszuholen.

Gravitationswellen
An den bei der Kollision Schwarzer Löchre freigesetzten Gravitationswellen lässt sich auch die Größe des Ereignishorizonts ablesen. © LIGO/ T. Pyle

Beobachtungen bestätigen Hawkings Vorhersagen

Inzwischen jedoch hat sich dies geändert: Maximiliano Isi vom LIGO-Labor am Massachusetts Institute of Technology (IT) und sein Team haben eine Technik entwickelt, die die dafür nötigen Frequenzen aus dem Gravitationswellen-Signal isolieren kann. Dadurch wird es möglich, die Fläche der Ereignishorizonte sowohl für die beiden Ausgangsobjekte wie für das resultierende Schwarze Loch zu ermitteln. Jetzt haben die Physiker diese Methode genutzt, um Hawkings Theorem mithilfe der 2015 detektierten Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher zu testen.

Das Ergebnis: Die Ereignishorizonte der beiden Schwarzen Löcher vor der Kollision haben zusammen ein Fläche von etwa 235.000 Quadratkilometern. Nach der Verschmelzung umfasste der Ereignishorizont des resultierenden Schwarzen Lochs eine Fläche von 367.000 Quadratkilometern. Der neue Ereignishorizont ist demnach wie von Hawking vorhergesagt größer als die Summe seiner beiden Vorgänger. Nach Angaben der Forscher liegt das Konfidenzintervall für ihre Messungen bei 95 Prozent.

„Das ist erst der Anfang…“

Damit bestätigen die Messungen erstmals, dass Hawking mit seinem Theorem richtig lag. „Unsere Daten zeigen mit hoher Sicherheit, dass sich die Fläche des Ereignishorizonts vergrößert hat – und dass Hawkings Flächen-Theorem damit erfüllt ist“, sagt Isi. Auch in diesem Punkt behalten die Vorhersagen des großen britischen Kosmologen demnach Recht – auch wenn Hawking dies in aktuellen Fall nicht mehr selbst miterleben konnte.

Isi und seine LIGO-Kollegen sehen ihre Aufgabe jedoch noch lange nicht als beendet an. Denn dies sei nur eine erste Bestätigung von Hawkings Flächensatz. „Es ist möglich, dass es dort draußen einen ganzen Zoo verschiedener kompakter Objekte gibt. Einige davon mögen den Gesetzen Einsteins und Hawkings folgen, während andere vielleicht ganz anderer Natur sind“, sagt Isi. „Daher reicht es nicht, dies nur einmal zu testen.“ Die Physiker planen daher, auch die Gravitationswellen weiterer Kollisionsereignisse näher unter die Lupe zu nehmen. (Physical Review Letters, 2021; doi: 10.1103/PhysRevLett.127.011103)

Quelle: Massachusetts Institute of Technology

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