Schwarze Löcher gelten als Orte ohne Wiederkehr: Sie verschlingen Materie, Strahlung und Informationen, ohne das es ein Entkommen gibt – oder doch? Der britische Physiker Stephen Hawking postulierte einen Quanteneffekt, durch den Schwarze Löcher eine Strahlung abgeben und sogar zerstrahlen können. Doch was bedeutet das genau? Und wie kann man die Hawking-Strahlung beweisen?

Bisher ist die Existenz der Hawking-Strahlung zwar allgemein akzeptiert – experimentelle Beweise gibt es für dieses quantenphysikalische Phänomen an Schwarzen Löchern aber noch nicht. Allein durch astronomische Beobachtungen lässt sich dies nicht belegen. Deshalb arbeiten die Physikerin Lotte Mertens vom Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung (IFW) und ihre Kollegen an einer Methode, die Hawking-Strahlung im Labor nachzubilden – mit ersten vielversprechenden Ergebnissen.

„Wenn der Radius einer Kugel von der gleichen Dichte wie die Sonne den der Sonne in einem Verhältnis von 500 zu 1 überstiege, hätte ein Körper, der auf sie zu fiele, eine höhere Geschwindigkeit als die des Lichts erlangt. Folglich würde alles von einem solchen Körper abgegebene Licht zu ihm zurückkehren“, schreibt John Michell vom Queens College in Cambridge im Jahr 1783 in einem Brief an die Royal Society in London.

Michell und der „Dunkle Stern“

Der englische Naturforscher und Geistliche ist gegen Ende des 18. Jahrhunderts ein gefragter Mann im britischen Wissenschaftsbetrieb. Wie viele andere Forscher seiner Zeit hat Michell ein breitgefächertes Interessenspektrum: Er entwickelt eine Theorie zur Entstehung von Erdbeben, entdeckt das Gesetz des inversen Quadrats für den Magnetismus und ist ein Meister in der Herstellung von Teleskopen. Am meisten aber interessiert sich Michell für die eigenartige, anscheinend allgegenwärtige Kraft, deren Beschreibung rund 100 Jahre zuvor die Physik revolutioniert hat: die Gravitation.

Michell ist besessen von der Anziehungskraft. Er erfindet eine Vorrichtung zur Messung der Gravitationskonstanten, der fundamentalen Größe im Newtonschen Gravitationsgesetz, und führt Unregelmäßigkeiten in der Helligkeit mancher Sterne auf Doppelsternsysteme zurück, also auf Sterne, die sich unter dem Einfluss wechselseitiger Gravitation gegenseitig umkreisen. Doch die Idee eines „Dunklen Sterns“ – eines Objekts, das, wie in Michells Brief beschrieben, so schwer ist, dass sich selbst das Licht seiner Anziehungskraft ergeben muss – ist für seine Zeitgenossen noch unvorstellbar.

Unendlich dicht und schwer

Inzwischen weiß man, dass Schwarze Löcher, wie man diese extremen Objekte des Universums heute nennt, weit mehr sind als bloße Fantasie. „John Michell war definitiv ein Vorreiter auf diesem Gebiet“, sagt Lotte Mertens vom Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung (IFW) in Dresden. „Seine Arbeit sollte in der Geschichte der Physik mehr Erwähnung finden.“ Die Niederländerin forscht an Schwarzen Löchern, wenn auch aus einer bemerkenswerten Perspektive – denn eigentlich ist sie als Quantenmechanikerin in der Welt der Atome, Quarks und Elektronen zuhause.

„Ich arbeite gerne an Schwarzen Löchern, denn die extreme Physik und die vielen ungelösten Probleme, die sie umgeben, faszinieren mich sehr“. Schwarze Löcher, sagt Mertens, regten zum Träumen an. Die rätselhaften Objekte entstehen, wenn sich eine sehr große Masse auf einen sehr kleinen Raum zusammenzieht. Dies kann etwa im Zusammenhang von Supernovae geschehen. Ist der in einer solchen Sternexplosion kollabierende Stern massereich genug, entsteht aus ihm ein Schwarzes Loch.

Ein solches Schwarzes Loch, so die Relativitätstheorie, verformt die Raumzeit so stark, dass ihre Krümmung am Mittelpunkt des schwarzen Lochs unendlich groß ist – das bedeutet unendliche Dichte und unendliche Gravitationskraft: Hier, in der sogenannten Singularität, versagt die klassische Physik.

Die moderne Theorie Schwarzer Löcher geht im Wesentlichen auf eine Person zurück, deren Name passender nicht sein könnte: Karl Schwarzschild. Schwarzschild zeigt schon früh eine außerordentliche Begabung für Astronomie und Physik. Bereits mit 16 veröffentlicht er Abhandlungen über Planetenbahnen und Doppelsterne, mit 23 promoviert er an der Ludwig-Maximilians-Universität München, 1909 wird er mit 36 Jahren Direktor des Astrophysikalischen Observatoriums in Potsdam, dem heutigen Leibniz-Institut für Astrophysik.

Schwarzschild und der Ereignishorizont

Der erste Weltkrieg, für den sich Schwarzschild – wie viele jüdischstämmige Deutsche – freiwillig meldet, zeichnet ihn sehr: 1916 kommt er als Invalide, schwer entstellt von der Autoimmunkrankheit Pemphigus Vulgaris, auch Blasensucht genannt, von der Front zurück. Doch trotz seines Leidens soll das Jahr sein Annus Mirabilis werden, sein Wunderjahr. Im Winter 1916 veröffentlicht Schwarzschild zwei wegweisende Schriften zum Gravitationsfeld, in denen die Physik Schwarzer Löcher erstmals mathematisch exakt in die allgemeine Relativitätstheorie eingebettet wird.

In seinen Arbeiten prägt Schwarzschild unter anderem den Begriff des Ereignishorizonts eines schwarzen Lochs. Der Ereignishorizont ist dabei die Grenze, ab der nichts mehr zurückkehren kann – nicht einmal das Licht. Die Astrophysikerin Lotte Mertens erklärt: „Aus diesem Grund würde ein Beobachter außerhalb des Schwarzen Lochs niemals sehen, wie ein Objekt den Ereignishorizont überschreitet, denn um einen Gegenstand zu sehen, müsste uns sein Licht erreichen können“.

Den Erfolg seiner Arbeiten erlebt Schwarzschild allerdings nicht mehr – er stirbt noch im Jahr seiner Heimkehr an das Astrophysikalischen Observatorium in Potsdam. Nach Schwarzschilds Tod wird seine Theorie zusehends ausgebaut und verfeinert: Die US-Physiker Robert Oppenheimer und Robert Serber weisen im Jahr 1939 in Modellrechnungen die Existenz schwarzer Löcher nach.

Kerr, der dunkle Schatten und Cygnus X-1

1963 berechnet der neuseeländische Mathematiker Roy Kerr die Mechanik rotierender schwarzer Löcher und ergänzt damit die nur für nicht-rotierende Schwarze Löcher geltende Schwarzschild-Metrik. Seine sogenannte Kerr-Metrik beschreibt auf Basis der Einsteinschen Feldgleichungen die Krümmung der Raumzeit um ein rotierendes Schwarzes Loch. Aus ihr ergibt sich auch die Größe des dunklen Schattens, der die scheinbare Ausdehnung des Schwarzen Lochs repräsentiert, und der über den Ereignishorizont hinausreicht.

Im Jahr 1971 entdeckt der US-Astronom Charles Thomas Bolton das Objekt Cygnus X-1 im Sternbild Schwan, das sich als erstes beobachtetes Schwarzes Loch herausstellen soll. Auffällig an diesem Objekt ist zunächst nur die starke Röntgenstrahlung, die vom Umfeld des massereichen Sterns HDE 226868 auszugehen scheint. Auf Basis von dessen Spektralsignatur ermitteln Bolton und seine Kollegen, dass der Stern um einen unsichtbaren, aber rund 21 Sonnenmassen schweren Partner kreisen muss – ein stellares Schwarzes Loch.

Das erste Foto

Im Jahr 2019 gelingt es dem internationalen Team des Event-Horizon-Teleskopverbunds erstmals, ein Schwarzes Loch im Foto einzufangen. „Erst mit dem direkten Bild eines supermassereichen schwarzen Lochs im Kern der elliptischen Riesengalerie Messier 87 ist die Existenz von schwarzen Löchern allgemein als bewiesen anzusehen“, sagt Lotte Mertens. Im Mai 2022 folgt das erste Foto von Sagittarius A*, dem Schwarzen Loch im Zentrum unserer Milchstraße, im August 2022 gelingt es einem Astronomenteam, erstmals den schon von Albert Einstein beschrieben Photonenring des Schwarzen Lochs M87* sichtbar zu machen.

Ein halbes Jahrhundert nach der Veröffentlichung von Schwarzschilds Arbeiten beginnen Physiker, die Theorie schwarzer Löcher um eine Komponente zu erweitern, die bereits einige Jahre zuvor unserer Vorstellung der Welt des ganz Kleinen revolutioniert hat: die Quantenmechanik.

Das Schwarze Loch im Licht der Quantenmechanik

Dass in der modernen Physik nichts ist, wie es scheint, wird in kaum einem Bereich deutlicher als in der Quantenmechanik. Schrödingers Katze, die bis zu ihrer Beobachtung gleichzeitig tot und lebendig zu sein scheint, oder die Heisenbergsche Unschärferelation, nach der man niemals Ort und Geschwindigkeit (oder genauer: den Impuls) eines Teilchens gleichzeitig beliebig genau bestimmen kann, erschüttern unser Grundverständnis der Welt.

Es ist daher wenig verwunderlich, dass quantenmechanische Erkenntnisse auch eine der Grundfesten der Theorie Schwarzer Löcher auf den Kopf zu stellen vermag: Entkommt wirklich nichts einem Schwarzen Loch? Ein Schwarzes Loch, so das Modell von Schwarzschild, saugt alles ein und lässt nichts wieder entweichen. Folglich steigt die Masse eines Schwarzen Lochs unaufhaltsam an und nimmt niemals ab.

Diese Grundannahme wird jedoch von einem Forscher herausgefordert, der auch außerhalb der wissenschaftlichen Community ein bekanntes Gesicht ist und dessen Leben sogar in einem Oscar-prämierten Film porträtiert wird: Stephen Hawking. Kaum ein Wissenschaftler der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts ist so sehr von der Frage nach dem, was die Welt im Innersten zusammenhält, fasziniert wie der 2018 verstorbene britische Physiker.

Teilchenpaare im Vakuum

Hawkings Forschung dreht sich um eine der Leitfragen der modernen Physik: Die Frage nach der Vereinbarkeit der Allgemeinen Relativitätstheorie und der Quantenmechanik, also die Vereinbarkeit der Welt des ganz Großen mit der Welt des ganz Kleinen. Schwarze Löcher sind für Hawking die idealen Objekte, um das Zusammenspiel der beiden Theorien zu erforschen.

Worum geht es Hawking? Nach der Quantenfeldtheorie existiert das aus der klassischen Physik bekannte Vakuum nicht, weil pausenlos Paare von Teilchen und Antiteilchen scheinbar aus dem Nichts entstehen und sich sofort wieder gegenseitig neutralisieren. Dieses Phänomen wird als Quantenfluktuation bezeichnet. „Überall im Universum werden also ständig Paare von Teilchen und Antiteilchen erzeugt und vernichtet“, erklärt die Physikerin Lotte Mertens vom Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung.

Die Hawking-Strahlung

Direkt messbar ist diese Quantenfluktuation nicht – zu schnell sind die Aufhebungseffekte, zu kurz ist die Lebensdauer der Teilchen. Doch in der Nähe des Ereignishorizonts kann die Quantenfluktuation nach Hawkings Theorien einen seltsamen Effekt verursachen: Taucht ein Teilchenpaar aus dem Nichts auf, kann es passieren, dass ein Teilchen den Ereignishorizont übertritt und für immer verschwindet. Das andere steht nun ohne Partner da. Dieses Ungleichgewicht kann als Strahlung aufgefasst werden, die das Schwarze Loch – paradoxerweise – ausstrahlt.

„Die Teilchen tragen so Energie aus dem Schwarzen Loch ab, was die Verdampfung des Schwarzen Lochs bedeuten würde“, erklärt Mertens. Nach Hawkings Theorie ist diese Strahlung umso stärker, je masseärmer das Schwarze Loch ist. Bei mikroskopisch kleinen Löchern sorgt diese Strahlung sogar dafür, dass sie komplett zerstrahlen. Gleichzeitig jedoch widerlegt diese Strahlung die Annahme, dass auch jegliche Information in einem Schwarzen Loch unwiederbringlich verschwindet. Denn die Teilchen der Hawking-Strahlung tragen Information über ihre ins Schwarze Loch gezogenen Anti-Partner – so Hawkings Theorie.

Es fehlt der experimentelle Beweis

Als theoretisches Konzept ist die Hawking-Strahlung heute weitestgehend anerkannt. Ein experimenteller Nachweis fehlt jedoch bisher. Schwarze Löcher sind zu weit entfernt, um sie genau beobachten zu können – selbst das erdnächste Exemplar liegt mehr als 1.500 Lichtjahre weit weg. Und selbst wenn sich ein Schwarzes Loch im Wohnzimmer befände: Die Hawking-Strahlung wäre viel zu schwach, um sie mit unseren Methoden messen zu können.

Doch Lotte Mertens ist der mysteriösen Strahlung auf der Spur…

Stephen Hawking sagte die Hawking-Strahlung Schwarzer Löcher schon vor fast 50 Jahren voraus – experimentell bewiesen sie aber bis heute nicht. Die Physikerin Lotte Mertens und ihr Team arbeiten am Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung an Experimenten zum Nachweis der Hawking-Strahlung – wenn auch über Umwege: Die Niederländerin erforscht keine tatsächlichen Schwarzen Löcher und keine tatsächliche Hawking-Strahlung.

„Wir arbeiten an analogen Schwarzen Löchern, das heißt, wir untersuchen Systeme, die keine schwarzen Löcher sind, aber einige Eigenschaften mit ihnen gemeinsam haben“, sagt sie. „Auch wenn das etwas weniger aufregend ist als die Messung der echten Hawking-Strahlung, so ermöglicht es uns doch, Auswirkungen auf die Hawking-Strahlung zu messen.“

Springende Elektronen und eine Wand

Wie funktionieren analoge schwarze Löcher? Für den im Jahr 2022 von Mertens und ihrem Team beschriebenen und simulierten Versuchsaufbau werden Atome in einer Kette angeordnet. Elektrische Impulse sorgen dafür, dass Elektronen zwischen den Atomen hin- und her hüpfen können. „Dafür benutzen wir verschiedene passive und aktive elektronische Bauelemente wie Widerstände oder Kondensatoren“, erklärt Mertens.

Wird nun der elektrische Widerstand erhöht, entsteht inmitten der Kette eine Art Wand, die auf die Elektronen einen ähnlichen Effekt haben wie der Ereignishorizont eines Schwarzen Lochs auf Materie: Zwar können Partikel hinter den Horizont gelangen, doch ein Zurück ist unmöglich. Innerhalb des von Mertens erdachten Versuchsaufbaus können die Forschenden nun die von Hawking postulierte Strahlung simulieren.

In der Quantenfeldtheorie können Elektronen verschränkt sein – die Zustände beider Partner sind dann unabhängig von Ort und Entfernung miteinander verknüpft. Diese Paare dienen als Analog zu den Teilchen-Antiteilchen-Paaren der Quantenfluktuation. Im Laborexperiment kann es dazu kommen, dass nur einer der beiden verschränkten Partner den Horizont überschreitet – der andere Partner wird als Wärmestrahlung von den Detektoren gemessen. „Durch die Feinabstimmung der Bauelemente können wir dann das in der Arbeit beschriebene Modell simulieren“ erklärt Mertens.

Möglicher Nachweis schon im nächsten Jahr

Noch ist das Experiment nur auf dem Papier einsatzbereit. An der praktischen Umsetzung aber arbeiten die Dresdner Forscherinnen und Forscher aber bereits auf Hochtouren. Schon im nächsten Jahr sollen die von Mertens berechneten Strahlungen im Labor nachgewiesen werden. Sie zeigt sich optimistisch: „Der Versuchsaufbau ist mit einigen Hürden versehen, aber wir freuen uns über jeden Fortschritt.“ Den Geheimnissen um die Hawking-Strahlung könnten Mertens und ihr Team mit einem gelungenen Experiment einen Schritt näherkommen.

Die Forschungen am Zusammenspiel zwischen Quantenmechanik und Gravitation sind damit aber noch längst nicht am Ende. „Es gibt viele spannende Fragen, auf die wir keine Antwort wissen. Von einer Theorie von Allem, also einer Theorie, die Gravitation und Quantenmechanik gleichermaßen erklären kann,“ so Mertens, „sind wir noch weit entfernt.“