Seit neuestem ist nun eine Arbeit von Stefan Hawking veröffentlicht und auch von anderen Wissenschaftler bestätigt worden, nachdem ein Schwarzes Loch nicht die Endstation für die Materie ist sondern sehr wohl wieder abgestrahlt wird.
Er beschreibt es folgendermaßen:
Die Quantenmechanik besagt, dass die Gesamtheit des Raumes mit Paaren "virtueller" Teilchen und Antiteilchen erfüllt ist, die sich ständig paarweise materialisieren, sich trennen und dann wieder zusammenkommen, um sich dann gegenseitig zu vernichten. Diese Teilchen werden virtuell genannt, weil sie sich im Gegensatz zu "realen" Teilchen nicht im Teilchendetektor direkt beobachten lassen. Man kann aber ihre indirekten Effekte messen, und ihre Existenz wurde durch eine kleine Verschiebung (die so genannte Lamb -Verschiebung) bestätigt, die sie im Lichtspektrum angeregter Wasserstoffatome hervorrufen.
In Gegenwart eines Schwarzen Loches kann nun ein Partner eines Paares virtueller Teilchen in das Loch fallen , so dass das andere Element ohne den Partner zurückbleibt, den es zur gegenseitigen Vernichtung braucht. Das im Stich gelassene Teilchen oder auch Antiteilchen kann seinen Partner ins Schwarze Loch folgen, aber es kann ebenso auch ins Unendliche entweichen. Dadurch wird der Eindruck erweckt, dass eine Strahlung vom Schwarzen Loch emittiert worden ist.
Dieser Prozess lässt sich aber auch so verstehen, dass der Partner des
Teilchenpaars, der ins Schwarze Loch fällt — nehmen wir an, das Antiteilchen —‚
in Wirklichkeit ein Teilchen ist, das sich in der Zeit rückwärts bewegt. So
lässt sich das in das Schwarze Loch fallende Antiteilchen als Teilchen ansehen,
das aus dem Schwarzen Loch hervorkommt, sich jedoch in der Zeit zurückbewegt.
Wenn das Teilchen den Punkt erreicht, an dem sich das Teilchen-Antiteilchen-Paar
ursprünglich materialisiert hat, wird es vom Gravitationsfeld gestreut, so dass
es sich nun vorwärts in der Zeit bewegt.
So ist es nach der Quantenmechanik einem Teilchen möglich, aus dem Innern eines
Schwarzen Loches zu entweichen — etwas, was die klassische Mechanik nicht
zulässt. Es sind jedoch viele andere Situationen in der Atom- und Kernphysik
bekannt, in denen es eine Art Barriere gibt, die nach klassischen Prinzipien für
Teilchen undurchdringlich ist, die sie aber dank quantenmechanischer Prinzipien
durchtunneln können.
Die Dicke der Barriere um ein Schwarzes Loch ist seiner Größe proportional. Das
heißt, dass nur sehr wenige Teilchen aus einem Schwarzen Loch von der Größe
entweichen können, die dem hypothetischen Loch in Cygnus X-I
zugeschrieben wird, dass aber Teilchen sehr rasch kleineren Schwarzen Löchern
entfliehen können. Eingehende Berechnungen zeigen, dass die emittierten Teilchen
ein thermisches Spektrum haben, das einer Temperatur entspricht, die rasch
zunimmt, wenn die Masse des Schwarzen Loches abnimmt. Für ein Schwarzes Loch mit
Sonnenmasse liegt die Temperatur nur ungefähr ein zehnmillionstel Grad über dem
absoluten Nullpunkt. Die mit dieser Temperatur aus dem Schwarzen Loch
austretende Strahlung würde von der allgemeinen Hintergrundstrahlung des
Universums völlig überdeckt werden. Andererseits würde ein Schwarzes Loch mit
einer Masse von nur einer Milliarde Tonnen, das heißt ein urzeitliches Schwarzes
Loch von etwa der Größe eines Protons, eine Temperatur von ungefähr 120
Milliarden Kelvin aufweisen, was einer Energie von rund zehn Millionen
Elektronenvolt entspricht. Bei dieser Temperatur wäre ein Schwarzes Loch in der
Lage, Elektron - Positron - Paare und Teilchen mit der Masse Null zu erschaffen,
zum Beispiel Photonen, Neutrinos und Gravitonen (die hypothetischen Träger der
Gravitationsenergie). Ein urzeitliches Schwarzes Loch würde Energie in einer
Größenordnung von 6000 Megawatt freisetzen, was dem Ausstoß von sechs großen
Kernkraftwerken entspricht.
Mit der Teilchenemission verliert das Schwarze Loch stetig an Masse und Größe.
Dadurch finden immer mehr Teilchen die Möglichkeit, den Potentialwall zu
durchtunneln, so dass die Emission ständig an Intensität zunimmt, bis sich das
Schwarze Loch gänzlich verstrahlt hat. Auf lange Sicht wird sich jedes Schwarze
Loch im Universum auf diese Weise verflüchtigen. Bei großen Schwarzen Löchern
wird dieser Prozess sehr viel Zeit in Anspruch nehmen: Ein Schwarzes Loch von
der Masse der Sonne wird eine Lebensdauer von rund 1066 Jahren haben.
Dagegen müsste sich ein urzeitliches Schwarzes Loch in den vierzehn Milliarden
Jahren seit dem Urknall, dem Anfang des uns bekannten Universums, fast
vollständig verflüchtigt haben. Solche Schwarzen Löcher müssten heute harte
Gammastrahlen mit einer Energie von ungefähr 100 Millionen Elektronenvolt
emittieren.
Nach Berechnungen, die von Don N. Page, damals am California Institute of
Technology, und von Hawking vorgenommen wurden und die auf Messungen des
kosmischen Gammastrahlenhintergrunds durch den Satelliten SAS-2 beruhten, muss
die durchschnittliche Dichte urzeitlicher Schwarzer Löcher im Universum bei
weniger als rund zweihundert pro Kubiklichtjahr liegen. Die lokale Dichte
in unserer Galaxis könnte einmillionmal so groß sein wie diese Zahl, wenn sich
urzeitliche Schwarze Löcher im «Hab» von Galaxien konzentrierten
— der dünnen Wolke in
rascher Bewegung befindlicher Sterne, in die jede Galaxis eingebettet ist
—‚ statt gleichförmig
über das ganze Universum verstreut zu sein. Daraus würde folgen, dass das der
Erde nächstgelegene Schwarze Loch wahrscheinlich mindestens so weit entfernt ist
wie der Planet Pluto.
Das letzte Stadium der Verflüchtigung eines Schwarzen Loches würde sich so rasch
vollziehen, dass es in eine gewaltige Explosion münden würde. Das Ausmaß der
Explosion hinge von der Zahl der verschiedenen vorhandenen Familien von
Elementarteilchen ab. Wenn alle Teilchen, wie heute weithin angenommen, aus
vielleicht sechs verschiedenen Arten von Quarks bestehen, würde die
abschließende Explosion ein Energieäquivalent von ungefähr zehn Millionen
Wasserstoffbomben von je einer Megatonne aufweisen. Andererseits hat R. Hagedorn
von der Europäischen Organisation für Kernforschung (CERN) eine andere Theorie
vorgeschlagen, der zufolge es eine unendliche Zahl von Elementarteilchen mit
immer größerer und größerer Masse gibt. Während das Schwarze Loch immer kleiner
und heißer würde, würde es eine immer größere Zahl von verschiedenen
Teilchenarten emittieren und schließlich in einer Explosion enden, die
hunderttausend mal mächtiger wäre als diejenige, die nach der Quarkhypothese zu
erwarten wäre. Infolgedessen würde die Beobachtung der Explosion eines Schwarzen
Loches sehr wichtige Informationen über die Physik von Elementarteilchen liefern
—
Informationen, die möglicherweise auf keinem anderen Wege zu beschaffen sind.
Die Explosion eines Schwarzen Loches würde möglicherweise einen massiven
Ausbruch energiereicher Gammastrahlen hervorbringen. Zwar könnten sie durch
Gammastrahlendetektoren in Satelliten oder an Ballons beobachtet werden, doch
wäre es sehr schwierig, Detektoren, die groß genug sind, um mit einiger
Wahrscheinlichkeit eine genügend große Zahl von Gammaquanten aus einer Explosion
aufzufangen, in solche Höhen zu bringen. Eine leichtere und wesentlich billigere
Möglichkeit besteht darin, die obere Erdatmosphäre als Detektor zu benutzen. Ein
in die Atmosphäre eintauchender energiereicher Gammastrahl wird einen Schauer
von Elektron - Positron -Paaren erzeugen, die die Atmosphäre ursprünglich
rascher durchqueren würden, als das Licht es vermag (denn dieses wird durch die
Wechselwirkung mit Luftmolekülen abgebremst). So erzeugen die Elektronen und
Positronen eine Art Überschallknall oder eine Stoßwelle im elektromagnetischen
Feld. Eine solche Stoßwelle, Čerenkov -Strahlung genannt, könnten wir von der
Erde aus als Lichtblitz (-chen) wahrnehmen.
Ein vorläufiges Experiment von Neu A. Porter und Trevor C. Weekes vom University
College in Dublin deutet daraufhin, dass es weniger als zwei Explosionen von
Schwarzen Löchern pro Kubiklichtjahr und Jahrhundert in unserer Galaxisregion
gibt, wenn Schwarze Löcher tatsächlich so explodieren, wie es Hagedorns Theorie
vorhersagt. Daraus wäre zu schließen, dass die Dichte der urzeitlichen Schwarzen
Löcher unter 100 Millionen pro Kubiklichtjahr liegt. Es müsste möglich sein, die
Feinheit solcher Beobachtungen erheblich zu vergrößern. Auch wenn sie keine
positiven Anhaltspunkte für urzeitliche Schwarze Löcher liefern sollten, wären
sie sehr wertvoll. Sie würden nämlich der Dichte solcher Schwarzen Löcher eine
niedrige Obergrenze setzen und darauf schließen lassen, dass das Universum in
seiner Frühphase sehr glatt und frei von Turbulenzen gewesen sein muss.
Der Urknall ähnelt der Explosion eines Schwarzen Loches, nur dass er in
unvergleichlich größerem Maßstab stattfand. Daraus schöpfen Wissenschaftler eine
große Hoffnung: Wenn man versteht, wie Schwarze Löcher Teilchen erzeugen, so
wird man vielleicht auch verstehen können, wie der Urknall alle Dinge im
Universum geschaffen hat. In einem Schwarzen Loch stürzt die Materie in sich
zusammen und ist für immer verloren, gleichzeitig aber wird an ihrer Stelle neue
Materie hervorgebracht. Infolgedessen ist denkbar, dass es eine noch frühere
Phase des Universums gab, in der die Materie zusammenstürzte, um dann im Urknall
wiedererschaffen zu werden.
Wenn die zu einem Schwarzen Loch kollabierende Materie eine elektrische
Gesamtladung besitzt, wird das resultierende Schwarze Loch die gleiche Ladung
aufweisen. Das Schwarze Loch wird also tendenziell diejenigen Partner der
virtuellen Teilchen-Antiteilchen-Paare anziehen, die die entgegen gesetzte
Ladung tragen, und die Partner mit gleicher Ladung abstoßen. Das Schwarze Loch
wird deshalb vorzugsweise Teilchen emittieren, deren Ladung das gleiche
Vorzeichen hat wie seine eigene, und deshalb rasch seine Ladung verlieren. In
ähnlicher Weise wird, wenn die kollabierende Materie einen Gesamtdrehimpuls hat,
das resultierende Schwarze Loch rotieren und vorzugsweise Teilchen emittieren,
die ihm seinen Drehimpuls entziehen. Das Schwarze Loch «erinnert sich» an die
elektrische Ladung, den Drehimpuls und die Masse der kollabierten Materie,
während es alles andere «vergisst», weil diese drei Größen mit fern wirkenden
Feldern gekoppelt sind: im Falle der Ladung mit dem elektromagnetischen Feld und
im Falle des Drehimpulses und der Masse mit dem Gravitationsfeld.
Experimente von Robert H. Dicke von der
Princeton University und Wiadimir Braginskij von der Moskauer Staatsuniversität
deuten darauf hin, dass kein fern wirkendes Feld mit der Quanteneigenschaft
verknüpft ist, die als Baryonenzahl bezeichnet wird. (Baryonen sind eine Familie
von Teilchen, zu denen das Proton und das Neutron gehören.) Deshalb würde ein
Schwarzes Loch, das seine Existenz dem Zusammensturz einer Ansammlung von
Baryonen verdankte, seine Baryonenzahl «vergessen» und gleiche Mengen von
Baryonen und Antibaryonen abstrahlen. Durch sein Verschwinden würde das Schwarze
Loch deshalb gegen eines der heiligsten Gesetze der Teilchenphysik verstoßen,
das Gesetz der Baryonenerhaltung.
Obwohl Bekensteins Hypothese, dass Schwarze Löcher eine endliche Entropie haben,
nur schlüssig ist, wenn Schwarze Löcher thermische Strahlung abgeben, erscheint
es zunächst als reines Wunder, dass aus der eingehenden
quantenmechanischen
Berechnung der
Teilchenentstehung eine Emission mit thermischem Spektrum hervorgeht. Des
Rätsels Lösung ist, dass die emittierten Teilchen, wenn sie aus dem Schwarzen
Loch heraustunneln, aus einer Region kommen, von der ein außen befindlicher
Beobachter nichts weiß als ihre Masse, ihren Drehimpuls und ihre elektrische
Ladung. Alle Kombinationen oder Konfigurationen emittierter Teilchen, die die
gleiche Energie, den gleichen Drehimpuls und die gleiche elektrische Ladung
haben, sind also gleich wahrscheinlich. Tatsächlich könnte das Schwarze Loch
einen Fernsehapparat oder Prousts Werke in zehn Lederbänden emittieren, doch die
Zahl der Teilchenkonfigurationen, die diesen exotischen Möglichkeiten
entspricht, ist verschwindend klein. Die bei weitem größte Zahl von
Konfigurationen entspricht einer Emission mit einem Spektrum, das fast thermisch
ist.
Die Emission aus Schwarzen Löchern hat einen zusätzlichen Grad von Ungewissheit
oder Unvorhersagbarkeit, über den hinaus, der normalerweise mit der
Quantenmechanik verknüpft ist. In der klassischen Mechanik kann man bei
Messungen des Ortes und der Geschwindigkeit beide Ergebnisse vorhersagen. Das
Unbestimmtheitsprinzip in der Quantenmechanik besagt, dass nur über eine dieser
Messungen eine Aussage gemacht werden kann. Der Beobachter kann entweder das den
Ort oder das die Zeit betreffende Messergebnis vorhersagen, nicht aber beide. Er
muss sich in seiner Vorhersage für die eine oder die andere Kombination von Ort
und Geschwindigkeit entscheiden, so dass seine Fähigkeit zu definitiven
Vorhersagen praktisch halbiert ist. Bei Schwarzen Löchern ist die Situation noch
schlimmer. Da die von einem Schwarzen Loch emittierten Teilchen aus einer Region
stammen, über die der Beobachter nur sehr begrenzte Kenntnisse besitzt, kann er
definitiv weder Ort noch Geschwindigkeit eines Teilchens noch irgendeine
Kombination der beiden vorhersagen. Alles, was er vorhersagen kann, ist die
Wahrscheinlichkeit, dass bestimmte Teilchen emittiert werden. So hat es den
Anschein, als habe Einstein sich gleich doppelt geirrt, als er sagte: «Der liebe
Gott würfelt nicht. »
Die Teilchenemission aus Schwarzen Löchern scheint den
Schluss nahe zu legen, dass Gott nicht nur manchmal würfelt, sondern die Würfel
auch gelegentlich an einen Ort wirft, wo man sie nicht sehen kann.
Aber es kann auch alles ganz anders sein!
Dazu folgendes Zitat aus Tanmay Vachaspati (Case Western
Reserve University, Cleveland) et al.: Physical Review D15, (21.06.2007 )
Schwarze Löcher oder Schwarze Sterne?
Den Ereignishorizont gibt es nicht, glauben amerikanische Forscher
Die komplizierten Formeln der Quantenmechanik haben Forscher um Tanmay
Vachaspati aus Cleveland im US-Budnesstaat Ohio zu einer überraschenden
Erkenntnis geführt: Es gibt keine Schwarzen Löcher, so das Ergebnis ihrer
Berechnungen. Ein Jahr lang hatten die Forscher versucht zu ergründen, was
passiert, wenn ein Schwarzes Loch geboren wird.
Bislang wurde angenommen, dass die Schwerkraft beim Kollaps eines schweren
Sterns irgendwann so stark zunimmt, dass ihr noch nicht einmal Licht entkommen
kann. Dieser Zeitpunkt markiert die Geburt eines Schwarzen Lochs. Den Punkt,
jenseits dessen kein Entrinnen mehr möglich ist, nennen Physiker den
Ereignishorizont.
Ein kleines Problem hatten Physiker allerdings mit Schwarzen Löchern: Jedes Mal,
wenn Materie oder Licht hinter dem Ereingishorizont verschwindet, geht
Information verloren. Das verbieten jedoch die Gesetze der Quantenmechanik. Der
Physiker Stephen Hawking hatte daher postuliert, dass die Information durch eine
Teilchenstrahlung doch wieder aus einem Schwarzen Loch hinaussickern kann. Diese
Hawking-Strahlung bildet sich durch die Wechselwirkung zwischen dem
Ereignishorizont und dem Quantenschaum, aus dem das Universum besteht.
Nach den neuen Überlegungen von Vachaspati und seinen Kollegen kann ein
Ereignishorizont aber gar nicht erst entstehen. Wenn ein Stern kollabiert, wird
ihrer Meinung nach eine Prä-Hawking-Strahlung ausgesandt, in der die Information
enthalten ist, die bei der Entstehung eines Schwarzen Loches verloren gehen
würde. Dadurch werde aber so viel Energie freigesetzt, dass die Materie des
kollabierenden Sterns sich nicht genug verdichtet, um zu einem Schwarzen Loch zu
werden. "Schwarze Löcher gibt es nicht", sagte Vachaspati dem
Wissenschaftsmagazin New Scientist. "Es gibt nur Sterne, die dabei sind, ein
Schwarzes Loch zu werden."
Die Objekte, die dabei entstehen, nennen die Forscher "schwarze Sterne". In den
Augen eines entfernten Beobachters würden sie sich kaum von Schwarzen Löchern
unterscheiden. Die Schwerkraft würde die Zeit so verzerren, dass ein Objekt
immer langsamer würde, wenn es sich der Stelle nähert, wo eigentlich der
Ereignishorizont sein müsste. Dadurch scheint es allmählich zu verschwinden -
weil es sich so langsam bewegt, sendet es nur noch sehr langwelliges Licht aus,
das man kaum auffangen könnte. Allerdings verschwindet das Objekt nicht völlig
aus dem Universum, und das Informationsparadoxon wäre gelöst. Es gibt jedoch
eine Ausnahme: Beim Urknall könnten sehr wohl Schwarze Löcher entstanden sein.