Eine Illustration zeigt ein Schwarzes Loch in einem wogenden Suprafluid (Bildnachweis: Robert Lea)
Dank immenser Gravitationskräfte sind die Regionen um Schwarze Löcher gewaltige und turbulente Umgebungen, die von einer Physik angetrieben werden, die nirgendwo sonst im Universum zu finden ist. Schwarze Löcher sind sogar so einflussreich, dass sie, wenn sie sich drehen, die Struktur des Weltraums mit sich reißen. Mit anderen Worten: In der Nähe eines Schwarzen Lochs steht nichts still. Überhaupt nichts.
Schwarze Löcher können natürlich nicht auf die Erde gezogen werden, so dass diese Effekte im Labor untersucht werden können – aber ein Forscherteam unter der Leitung von Wissenschaftlern der Universität Nottingham hat das Nächstbeste getan. Die Forscher haben zum ersten Mal einen wirbelnden „Quantenwirbel“ in einem auf ultrakalte Temperaturen abgekühlten Helium-Superfluid erzeugt. Dieser Apparat ahmt im Wesentlichen ein schwarzes Loch direkt auf unserem Planeten nach.
Das liegt daran, dass der Quantentornado winzige Wellen auf der Oberfläche des Suprafluids erzeugt hat, einem Material, das in der Lage ist, reibungslos zu fließen (oder eine unglaublich niedrige Viskosität aufzuweisen) und andere exotische Verhaltensweisen zu zeigen, die bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt beobachtet werden. Dieses Verhalten ähnelt den Bedingungen, die in der Nähe rotierender schwarzer Löcher herrschen.
„Die Verwendung von supraflüssigem Helium hat es uns ermöglicht, winzige Oberflächenwellen detaillierter und genauer zu untersuchen als bei unseren früheren Experimenten in Wasser“, sagte Patrik Svancara, Teamleiter und Forscher an der Universität Nottingham, in einer Erklärung. „Da die Viskosität von supraflüssigem Helium extrem gering ist, konnten wir ihre Wechselwirkung mit dem supraflüssigen Tornado genauestens untersuchen und die Ergebnisse mit unseren eigenen theoretischen Projektionen vergleichen.“
(Links) der vom Team verwendete Versuchsaufbau (Rechts) der vom Team erzeugte Quantentornado in supraflüssigem Helium (Bildnachweis: Leonardo Solidoro)
Inhaltsübersicht
Wirbelnde Raumzeit-Tornados
Um zu verstehen, wie ein supraflüssiger Wirbel einem schwarzen Loch ähneln kann, ist es wichtig, sich daran zu erinnern, was Einsteins allgemeine Relativitätstheorie von 1915 über schwarze Löcher aussagt. Die allgemeine Relativitätstheorie besagt, dass Raum und Zeit eine Einheit bilden, die Raumzeit genannt wird, und dass die Schwerkraft entsteht, wenn Objekte mit Masse eine Krümmung der Raumzeit verursachen.
Schwarze Löcher sind eigentlich keine Objekte, sondern Regionen der Raumzeit, die durch eine unendlich dichte und kompakte Masse entstehen – eine zentrale Singularität, in der die Gesetze der Physik zusammenbrechen. Die äußere Grenze dieser Raumzeitregionen wird als Ereignishorizont bezeichnet und stellt den Punkt dar, an dem nicht einmal das Licht schnell genug ist, um die Fluchtgeschwindigkeit des Schwarzen Lochs zu erreichen.
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Schwarze Löcher haben nur drei bekannte Eigenschaften: Elektrische Ladung, Masse und Drehimpuls, oder „Spin“. Ein rotierendes Schwarzes Loch oder ein „Kerr-Schwarzes Loch“ mit Drehimpuls zieht auch die Struktur der Raumzeit in Richtung seiner Rotation mit sich, ein Effekt, der als „Frame Dragging“ oder Lense-Thirring-Effekt bekannt ist, nach den Wissenschaftlern, die ihn zuerst vorgeschlagen haben.
Wenn man bedenkt, wie der Lense-Thirring-Effekt die Materie um ein Kerr-Schwarzes Loch in ständige Bewegung versetzt, ist es nur logisch, dass ein Wirbel in einer Flüssigkeit oder vielleicht ein Tornado in der Atmosphäre einer solchen Region der Raumzeit sehr ähnlich ist. Das Entscheidende an dem vom Team simulierten Wirbel des Schwarzen Lochs ist jedoch, dass er nicht in irgendeiner Flüssigkeit vorkommt. Er wurde in einem auf den absoluten Nullpunkt abgekühlten Superfluid erzeugt.
Eine Illustration zeigt ein rotierendes schwarzes Loch, das die Struktur der Raumzeit mit sich reißt. (Bildnachweis: Robert Lea)
Zur Durchführung des Experiments konstruierte das Team ein maßgeschneidertes Kältesystem, das mehrere Liter Helium aufnehmen und auf Temperaturen unter minus 456 Grad Fahrenheit (minus 271 Grad Celsius) abkühlen kann. Das sind etwa 3 bis 4 Grad über dem absoluten Nullpunkt, was minus 459,76 Grad Fahrenheit (minus 273,15 Grad Celsius) entspricht. Der absolute Nullpunkt ist theoretisch die kälteste mögliche Temperatur. Am absoluten Nullpunkt würde jede atomare Bewegung zum Stillstand kommen.
Bei den im Experiment erreichten Temperaturen entwickelt flüssiges Helium Quanteneigenschaften, die normalerweise die Bildung riesiger Wirbel behindern würden. Dieses System zeigte, dass dies nicht wirklich umgangen werden kann; das Team baute schließlich einen Quanten-Tornado in der ultrakalten Flüssigkeit aus einer Vielzahl kleinerer Teile.
„Supraflüssiges Helium enthält winzige Objekte, sogenannte Quantenwirbel, die dazu neigen, sich voneinander zu entfernen“, so Svancara weiter. „In unserem Aufbau ist es uns gelungen, Zehntausende dieser Quanten in einem kompakten Objekt einzuschließen, das einem kleinen Tornado ähnelt, und so eine Wirbelströmung mit rekordverdächtiger Stärke im Bereich der Quantenflüssigkeiten zu erreichen.“
Svancara und Kollegen fanden faszinierende Parallelen zwischen dem Quantentornado und der Art und Weise, wie die Schwerkraft von Schwarzen Löchern die Raumzeit beeinflusst. Das Team hofft, dass das Experiment eine Möglichkeit eröffnet, die Quantenphysik in der gekrümmten Raumzeit im Allgemeinen und sogar in der gekrümmten Raumzeit des Schwarzen Lochs zu simulieren.
„Als wir in unserem ersten analogen Experiment im Jahr 2017 zum ersten Mal eindeutige Signaturen der Physik Schwarzer Löcher beobachteten, war dies ein bahnbrechender Moment für das Verständnis einiger der bizarren Phänomene, deren Untersuchung auf andere Weise oft schwierig, wenn nicht gar unmöglich ist“, erklärte Silke Weinfurtner, Leiterin des Black Hole Laboratory, in dem dieses Experiment entwickelt und durchgeführt wurde, in der Erklärung.
„Jetzt“, so Weinfurtner weiter, „haben wir diese Forschung mit unserem anspruchsvolleren Experiment auf die nächste Stufe gehoben, was uns schließlich dazu bringen könnte, vorherzusagen, wie sich Quantenfelder in gekrümmten Raumzeiten um astrophysikalische Schwarze Löcher verhalten.“
Die Forschungsergebnisse des Teams wurden am Mittwoch (20. März) in der Zeitschrift Nature veröffentlicht.
