Hawking-Strahlung: Einfacherer Prozess entdeckt

Schwarze Löcher gehören zu den rätselhaftesten Objekten im Universum. Ihre Schwerkraft ist so stark, dass ab einem bestimmten Punkt – dem Ereignishorizont – nicht einmal mehr Licht entkommen kann. In den 1970er Jahren sagte der Physiker Stephen Hawking voraus, dass Schwarze Löcher dennoch Teilchen abstrahlen, die sogenannte Hawking-Strahlung. Diese Strahlung entsteht am Ereignishorizont, wo sich Teilchen-Antiteilchen-Paare bilden, die normalerweise sofort wieder zerstrahlen würden. Der Ereignishorizont trennt die Partner jedoch voneinander, sodass ein Teilchen nach außen dringen kann. Das Schwarze Loch verliert dadurch Masse und verdampft langsam.

Doch wie genau dieser Prozess abläuft, war bislang unklar. Ein Forschungsteam um den Physiker Ulf Leonhardt vom Weizmann-Institut in Israel hat nun ein sogenanntes Analogon eines Schwarzen Lochs im Labor erschaffen – diesmal mit Licht in Glasfaserkabeln. Indem sie die Kabel mit Lichtpulsen modulierten, erzeugten sie eine Situation, die mathematisch exakt einem Ereignishorizont entspricht. In diesem System untersuchten sie die Entstehung der Hawking-Strahlung und machten eine überraschende Entdeckung: Anders als bisher angenommen, entsteht die Strahlung nicht durch eine komplizierte Kaskade von Prozessen, sondern durch einen direkten, einfachen Wechselwirkungsterm. Das simulierte Gravitationsfeld koppelt direkt an die Teilchen.

Die Forscher konnten auch zeigen, wie die Hawking-Strahlung auf das Schwarze Loch zurückwirkt – auch hier fanden sie einen einfachen, direkten Mechanismus. Bislang sind die Ergebnisse nur für das optische Analogon bestätigt, doch die Wissenschaftler argumentieren, dass die echte Hawking-Strahlung auf dieselbe Weise entstehen könnte. Das wäre ein wichtiger Schritt zur Lösung des Informationsparadoxons: Die Gleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie sagen, dass Information in einem Schwarzen Loch verloren geht, während die Quantenmechanik besagt, dass Information nie verschwindet. Ein besseres Verständnis der Hawking-Strahlung könnte diesen Widerspruch auflösen. Die Studie wurde in der Fachzeitschrift "Physical Review Letters" veröffentlicht.