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Dieses Standbild aus einer NASA-Simulation zeigt das Leuchten zweier supermassereicher schwarzer Löcher, die sich vor einer Kollision spiralförmig aufeinander zubewegen (Bildnachweis: NASA’s Goddard Space Flight Center)

Eine der tiefgreifendsten Botschaften, die Stephen Hawking der Menschheit hinterlassen hat, ist, dass nichts ewig währt – und endlich könnten Wissenschaftler bereit sein, dies zu beweisen.

Dieser Gedanke wurde durch Hawkings wohl wichtigste Arbeit vermittelt: die Hypothese, dass schwarze Löcher Wärmestrahlung „entweichen“, dabei verdampfen und ihre Existenz mit einer letzten Explosion beenden. Diese Strahlung wurde schließlich nach dem großen Wissenschaftler als „Hawking-Strahlung“ bekannt. Bis heute ist dieses Konzept jedoch unentdeckt und rein hypothetisch geblieben. Doch nun glauben einige Wissenschaftler, einen Weg gefunden zu haben, um dies endlich zu ändern; vielleicht sind wir bald auf dem Weg, die Hawking-Strahlung als Tatsache zu bestätigen.

Das Team vermutet, dass bei der katastrophalen Kollision und Verschmelzung größerer schwarzer Löcher winzige und heiße „Häppchen“ schwarzer Löcher in den Weltraum geschleudert werden könnten – und das könnte der Schlüssel sein.

Wichtig ist, dass Hawking gesagt hat, je kleiner das schwarze Loch ist, desto schneller wird es Hawking-Strahlung abgeben. So würden supermassive Schwarze Löcher mit der millionen- oder milliardenfachen Masse der Sonne theoretisch länger als die vorhergesagte Lebensdauer des Kosmos brauchen, um vollständig „auszutreten“. Mit anderen Worten: Wie könnten wir ein solches immens lang anhaltendes Leck überhaupt entdecken? Nun, vielleicht können wir es nicht – aber wenn es um diese asteroidengroßen schwarzen Lochhäppchen geht, die auf Italienisch „Bocconcini di Buchi Neri“ genannt werden, haben wir vielleicht Glück.

Winzige Schwarze Löcher wie diese könnten in einer Zeitspanne verdampfen und explodieren, die für den Menschen tatsächlich beobachtbar ist. Außerdem sollte das Ende der Lebenszeit dieser schwarzen Löcher durch ein charakteristisches Signal gekennzeichnet sein, so das Team, das ihre Deflation und ihren Tod durch das Austreten von Hawking-Strahlung anzeigt.

„Hawking sagte voraus, dass Schwarze Löcher verdampfen, indem sie Teilchen aussenden“, sagte Francesco Sannino, einer der Wissenschaftler hinter diesem Vorschlag und theoretischer Physiker an der Universität von Süddänemark, gegenüber kosmischeweiten.de. „Wir haben uns vorgenommen, dies zu untersuchen und die Auswirkungen auf die Beobachtung der Produktion vieler schwarzer Lochhäppchen oder ‚Bocconcini di Buchi Neri‘, von denen wir uns vorstellen, dass sie bei einem katastrophalen Ereignis wie der Verschmelzung zweier astrophysikalischer schwarzer Löcher entstehen.“

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Morsel Schwarze Löcher können nicht ruhig bleiben

Der Ursprung der Hawking-Strahlung geht auf einen 1974 von Stephen Hawking verfassten Brief mit dem Titel „Black hole explosions?“ zurück, der in Nature veröffentlicht wurde. Der Brief entstand, als Hawking die Auswirkungen der Quantenphysik auf den Formalismus der schwarzen Löcher betrachtete, Phänomene, die sich aus Albert Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie ergeben. Dies war deshalb interessant, weil die Quantentheorie und die allgemeine Relativitätstheorie zwei Theorien sind, die sich einer Vereinheitlichung notorisch widersetzen, selbst heute noch.

Hawking-Strahlung ist seit 50 Jahren beunruhigend und unentdeckt geblieben, und zwar aus zwei Gründen: Erstens senden die meisten Schwarzen Löcher diese Wärmestrahlung möglicherweise gar nicht aus, und zweitens ist sie, falls doch, möglicherweise nicht nachweisbar. Außerdem sind Schwarze Löcher im Allgemeinen sehr seltsame Objekte, die sich nur schwer erforschen lassen.

„Das Verblüffende ist, dass die Temperatur von Schwarzen Löchern umgekehrt proportional zu ihrer Masse ist. Das heißt, je massereicher sie sind, desto kälter sind sie, und je weniger massereich sie sind, desto heißer sind sie“, so Sannino.

Selbst in den leersten Regionen des Weltraums herrschen Temperaturen von etwa minus 270 Grad Celsius (minus 454 Grad Fahrenheit). Das liegt an einem gleichmäßigen Strahlungsfeld, das kurz nach dem Urknall entstanden ist und „kosmischer Mikrowellenhintergrund“ oder „CMB“ genannt wird. Dieses Feld wird oft auch als „kosmisches Fossil“ bezeichnet, weil es so uralt ist. Außerdem sollte nach dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik keine Wärme von einem kälteren Körper zu einem heißeren Körper fließen können.

„Schwarze Löcher, die schwerer sind als ein paar Sonnenmassen, sind stabil, weil sie kälter sind als das CMB“, sagte Sannino. „Daher wird erwartet, dass nur kleinere Schwarze Löcher Hawking-Strahlung aussenden, die möglicherweise beobachtet werden könnte.“

Simulierte Ansicht eines Schwarzen Lochs vor der Großen Magellanschen Wolke. (Bildnachweis: Alain R. | Wikimedia Commons)Der Autor der Studie, Giacomo Cacciapaglia vom französischen Nationalen Zentrum für Wissenschaftliche Forschung, erklärte gegenüber kosmischeweiten.de, dass die überwiegende Mehrheit der Schwarzen Löcher im heutigen Universum astrophysikalischen Ursprungs ist, mit Massen, die ein paar Mal größer sind als die der Sonne, und dass sie keine beobachtbare Hawking-Strahlung aussenden können.

„Nur schwarze Löcher, die leichter als der Mond sind, können Hawking-Strahlung aussenden. Wir vermuten, dass diese Art von schwarzen Löchern bei einer Verschmelzung von schwarzen Löchern entstehen und ausgestoßen werden und gleich nach ihrer Entstehung zu strahlen beginnen“, so Cacciapaglia weiter. „Schwarze Lochhäppchen würden in der Nähe einer Schwarze-Loch-Verschmelzung in großer Zahl entstehen.“

Diese schwarzen Löcher sind jedoch zu klein, um Effekte zu erzeugen, die es erlauben, sie direkt abzubilden, wie es das Event Horizon Telescope für supermassive schwarze Löcher getan hat, indem es sich auf das glühende Material, das sie umgibt, konzentriert.

Das Team vermutet, dass es eine einzigartige Signatur gibt, die auf die Existenz dieser Morsel Black Holes hinweisen könnte. Es handelt sich dabei um eine starke Explosion hochenergetischer Strahlung, die als Gammastrahlenausbruch bezeichnet wird und in der gleichen Himmelsregion auftritt, in der eine Verschmelzung von Schwarzen Löchern entdeckt wurde.

Ein ungewöhnlich heller Gammastrahlenausbruch kommt aus der Region um eine Verschmelzung eines Schwarzen Lochs (Bildnachweis: NASA/Swift/Cruz deWilde)

Die Forscher sagten, dass diese schwarzen Bocconcini di Buchi Neri-Löcher die Hawking-Strahlung immer schneller abstrahlen würden, wenn sie an Masse verlieren, was ihren explosiven Untergang beschleunigen würde. Schwarze Löcher mit einer Masse von etwa 20.000 Tonnen würden schätzungsweise 16 Jahre brauchen, um zu verdampfen, während Beispiele von schwarzen Löchern mit einer Masse von mindestens 100.000 Kilotonnen möglicherweise Hunderte von Jahren dauern würden.

Die Verdampfung und Zerstörung der Morsels würde Photonen erzeugen, die den Energiebereich von Billionen Elektronenvolt (TeV) überschreiten. Um eine Vorstellung davon zu bekommen, wie energiereich das ist, sagte Sannino, dass der Large Hadron Collider (LHC) des CERN in Europa, der größte Teilchenbeschleuniger der Welt, Protonen mit einer Gesamtenergie von 13,6 TeV frontal aufeinanderprallen lässt.

Die Forscher haben jedoch eine Idee, wie man diese kleinen schwarzen Löcher beim Verdampfen aufspüren kann. Erstens könnte die Verschmelzung von Schwarzen Löchern durch die Emission von Gravitationswellen nachgewiesen werden, d. h. durch winzige, von Einstein vorhergesagte Wellen in der Raumzeit, die bei der Kollision der Objekte ausgesendet werden.

Astronomen könnten diese Verschmelzungen dann mit Gammastrahlenteleskopen wie dem High-Altitude Water Cherenkov gamma-ray Observatory verfolgen, das Photonen mit Energien zwischen 100 Gigaelektronenvolt (GeV) und 100 TeV aufspüren kann.

Das Team räumt ein, dass noch ein langer Weg vor uns liegt, bevor die Existenz von Morsel Black Holes bestätigt werden kann, und somit auch ein langer Weg, bevor wir die Hawking-Strahlung ein für alle Mal bestätigen können.

„Da es sich um eine neue Idee handelt, gibt es noch viel zu tun. Wir planen, die Hawking-Strahlung bei hohen Energien jenseits der TeV-Skala, wo unser Wissen über die Teilchenphysik unsicherer wird, besser zu modellieren, und dies wird experimentelle Kollaborationen bei der Suche nach diesen einzigartigen Signaturen in ihren Datensätzen einschließen“, schloss Cacciapaglia. „Langfristig planen wir, die Produktion von Morsels während katastrophaler astrophysikalischer Ereignisse wie der Verschmelzung von Schwarzen Löchern im Detail zu untersuchen.“

Die Forschungsarbeit des Teams ist als Preprint auf dem Repository arXiv verfügbar.