Weder Materie noch Licht können ein Schwarzes Loch wieder verlassen, wenn sie diesem einmal zu nahe gekommen sind. So lautet die gängige Vorstellung. Umso mehr überraschte Stephen Hawking vor 40 Jahren, als er verkündete, dass Schwarze Löcher vielleicht doch nicht so vollkommen schwarz sind wie gemeinhin geglaubt. Eine winzige Menge an Strahlung müsste in der Lage sein, der Anziehungskraft zu entkommen, berechnete der Physiker [1]. Das wiederum könnte bedeuten, dass sogar Informationen aus dem Innern des Schwarzen Lochs nach außen dringen – verschlüsselt in der entweichenden Strahlung.

Diese nach dem Physiker benannte Hawkingstrahlung ergibt sich unmittelbar aus einer grundlegenden Erkenntnis der Quantenphysik: Für einen winzigen Augenblick können Energiefluktuationen auftreten. Auch im scheinbar leeren Raum entstehen dadurch laufend Paare aus einem Teilchen sowie dem entsprechenden Antiteilchen, die sich sofort wieder gegenseitig vernichten. Taucht ein solches Teilchen gemeinsam mit seinem Pendant aus Antimaterie allerdings nahe an einem Ereignishorizont auf – der Grenze zwischen einem Schwarzen Loch und dem gewöhnlichen Weltraum –, passiert etwas Bemerkenswertes: Das Teilchen-Antiteilchen-Paar trennt sich, und während einer der Partner in das Schwarze Loch fällt, kann der andere entkommen – die Hawkingstrahlung entsteht.

Auf die Existenz dieser Strahlung lässt sich zwar schließen, wenn man Effekte der Quantentheorie mit solchen aus der allgemeinen Relativitätstheorie kombiniert. Bislang haben Astrophysiker sie allerdings noch nicht direkt nachweisen können. Um Hawkings Theorie dennoch zu überprüfen, versucht man im Labor einen Ereignishorizont zu simulieren und auf diese Weise auch Hawkingstrahlung nachzubilden. Diesem Ziel sind Wissenschaftler nun näher gerückt als je zuvor, wie ein in der Zeitschrift "Nature Physics" [2] vorgestelltes Analogon zu einem Schwarzen Loch belegt.

Ein "stummes" Schwarzes Loch im Labor

Jeff Steinhauer von der Technischen Universität Israel in Haifa entwickelte dazu ein Modellsystem für Schwarze Löcher, indem er etliche Rubidiumatome auf weniger als ein milliardstel Grad über dem absoluten Nullpunkt abkühlte. Bei solchen Temperaturen liegen die Atome dicht an dicht und verhalten sich wie ein einziges flüssiges Quantenobjekt, wodurch sie sich leicht kontrollieren lassen. In diesem als Bose-Einstein-Kondensat bekannten Materiezustand lässt sich nun eine Art "stummes Loch" für Schallwellen erzeugen, die aus Quantenfluktuationen hervorgehen.

Mit Hilfe von Laserlicht sorgte Steinhauer anschließend dafür, dass die Quantenflüssigkeit schneller als mit Schallgeschwindigkeit strömt. Analog zu einem Schwimmer, der gegen einen starken Strom ankämpft, werden nun Schallwellen, die sich entgegen der Fließrichtung bewegen, "eingefangen". Das Kondensat wird damit zum akustischen Gegenstück eines gravitativen Ereignishorizonts.

Im Laborversuch imitieren nun Paare von Schallwellen die Teilchen-Antiteilchen-Paare im Vakuum des Weltraums. Und diejenigen, die sich rittlings auf dem akustischen Ereignishorizont bilden, rufen die künstliche Hawkingstrahlung hervor. Damit sich diese Schallwellen mit Detektoren nachweisen lassen, müssen sie allerdings verstärkt werden. Dazu erzeugt Steinhauer einen zweiten akustischen Ereignishorizont innerhalb des ersten und stellt das Bose-Einstein-Kondensat derart ein, dass Schallwellen diesen zweiten Ereignishorizont nicht durchqueren können und zurückgeworfen werden. Da die Schallwellen wiederholt auf den äußeren Horizont treffen, erzeugen sie weitere Schallwellenpaare und verstärken die künstliche Hawkingstrahlung so über die Nachweisgrenze.

Ist das ein wirklich passendes Modell?

Fünf Jahre hat Steinhauer sein Modellsystem optimiert. Ob es die Hawkingstrahlung getreu nachbildet, sei aber noch unklar, wenden einige Wissenschaftler ein. So lasse sich wegen der Verstärkung im künstlichen Schwarzen Loch beispielsweise lediglich eine Frequenz der Strahlung detektieren. Und damit bliebe unsicher, inwieweit diese mit der für die echte Hawkingstrahlung vorhergesagten Intensitätsverteilung über verschiedene Frequenzen übereinstimmt.

In einem Bose-Einstein-Kondensat lässt sich eine Art "stummes Loch" für Schallwellen erzeugen.

Steinhauer arbeitet derzeit daran, sein künstliches Schwarzes Loch auch ohne verstärkte Schallwellen als Analogon nutzen zu können. Gelingt das, ließe sich mit seiner "Hawkingstrahlung" vielleicht auch das so genannte Informationsparadoxon bei Schwarzen Löchern erforschen. Denn bislang ist unklar, ob Informationen, die in ein Schwarzes Loch fallen, für immer verschwinden.

Das Modellsystem könnte auch dazu beitragen, eine Quantentheorie der Gravitation zu entwickeln – denn anders als die anderen drei Grundkräfte lässt sich die Schwerkraft bisher nicht problemlos im Rahmen der Quantenphysik beschreiben. Die Hawkingstrahlung fußt aber sowohl auf der Quantenmechanik als auch auf der allgemeinen Relativitätstheorie und liefert damit womöglich Hinweise darauf, wie sich die beiden Theorien vereinen lassen. Und ein künstliches Schwarzes Loch gewährt womöglich erste Einblicke, wie man dieses Unterfangen umsetzen könnte.

Daniele Faccio von der Heriot-Watt University in Edinburgh nennt die Studie den "vielleicht belastbarsten und eindeutigsten Beweis", dass Labormodelle die Phänomene an der Schnittstelle zwischen der allgemeinen Relativitätstheorie und der Quantenmechanik nachbilden können. 2010 berichteten der Experimentalphysiker und seine Kollegen, ein Analogon zur Hawkingstrahlung nachgewiesen zu haben [3]. Doch das Team gab inzwischen bekannt, dass es sich dabei um ein anderes Phänomen handelte.

Nah genug am Schwarzen Loch?

Ted Jacobson von der University of Maryland in College Park hatte bereits 1999 angeregt, dass sich die Strahlung im Labor imitieren ließe [4]. Anhand der akustischen Pendants neue Erkenntnisse über Schwarze Löcher zu gewinnen, meint der Physiker, sei derzeit noch "weit hergeholt". Für Jacobson liegt der Nutzen des Experiments dann auch vielmehr darin, die Physik von ultrakalten Atomen zu erforschen.

Doch selbst wenn die Schallwellen momentan noch nicht perfekt mit dem Original übereinstimmen. "Bisher kam niemand dem Ziel so nahe", findet William Unruh von der University of British Columbia in Vancouver. "Ich halte es für ein sehr spannendes und interessantes Experiment", so der theoretische Physiker.

Dieser Artikel erschien unter dem Titel "Hawking radiation mimicked in the lab" in Nature 10.1038/nature.2014.16131, 2014.