Die Aktionsfläche schwarzer Löcher nimmt mit der Zeit nicht ab. Eine neue Analyse von Gravitationswellen bestätigt die Entdeckung von 2015.
Die Aktionsfläche eines Schwarzen Lochs, in die Materie und Strahlung hineingesaugt werden, kann mit der Zeit nicht kleiner werden. Das ist die Theorie von Stephen Hawking, die eine neue MIT-Studie gerade bestätigt hat. Die Analyse wurde durch die Untersuchung der Gravitationswellen durchgeführt, die vor 1,3 Milliarden Jahren von zwei riesigen schwarzen Löchern erzeugt wurden, die sich spiralförmig umeinander drehten, und wurde in Physical Review D veröffentlicht. Die Studie basiert auf den Ergebnissen einer Studie des MIT. Im Vergleich zu einer anderen Theorie, die vorhersagt, dass ein schwarzes Loch langfristig bis zur Verdampfung schrumpft, wäre dies jedoch ein Paradoxon.
Stephen Hawkings Theorie der schwarzen Löcher
1971 hatte Hawking aus Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie das Theorem abgeleitet, dass die Fläche eines schwarzen Lochs mit der Zeit nicht abnimmt. Für Physiker steht diese Regel in engem Zusammenhang mit dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik, der besagt, dass die Zeit in eine bestimmte Richtung fließt, d. h. dass die Entropie oder Unordnung eines geschlossenen Systems immer zunehmen muss. Da die Entropie eines Schwarzen Lochs proportional zu seiner Fläche ist, müssen beide ständig zunehmen.
Die neue Studie bestätigt Hawkings Theorie
Die Bestätigung des Flächengesetzes durch die Forscher scheint der neuen Untersuchung zufolge darauf hinzudeuten, dass die Eigenschaften Schwarzer Löcher wichtige Hinweise auf die verborgenen Gesetze sind, die das Universum bestimmen. Seltsamerweise scheint das Flächengesetz einem anderen von dem berühmten Physiker bewiesenen Theorem zu widersprechen: dass Schwarze Löcher auf einer extrem langen Zeitskala verdampfen sollten. Der nächste Schritt wäre daher, die Quelle des Widerspruchs zwischen den beiden Theorien zu verstehen, ein Ergebnis, das neue physikalische Erkenntnisse bringen könnte.
Die Oberfläche eines Schwarzen Lochs wird durch eine kugelförmige Grenze definiert, die als Ereignishorizont bekannt ist: Jenseits dieses Punktes kann nichts, nicht einmal Licht, der starken Anziehungskraft entkommen. Nach Hawkings Interpretation der allgemeinen Relativitätstheorie kann sich die Oberfläche eines Schwarzen Lochs nicht verkleinern, da sie mit seiner Masse zunimmt und kein Objekt, das in das Loch geschossen wird, entkommen kann. Die Oberfläche eines Schwarzen Lochs schrumpft jedoch, wenn es rotiert. Die Forscher fragten sich daher, ob es möglich wäre, ein Objekt so stark in das Schwarze Loch zu schießen, dass es sich dreht und seine Fläche schrumpft.
Um diese Theorie zu überprüfen, analysierten die Forscher Gravitationswellen oder Wellen im Gefüge der Raumzeit, die vor 1,3 Milliarden Jahren von zwei großen Schwarzen Löchern erzeugt wurden, als sie sich mit hoher Geschwindigkeit aufeinander zu bewegten. Dies waren die ersten Wellen, die 2015 vom Advanced Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) entdeckt wurden, einem Laserstrahl, der in zwei vier Kilometer lange Bahnen aufgeteilt ist und in der Lage ist, kleinste Verzerrungen der Raumzeit zu erkennen. Durch die Aufteilung des Signals in zwei Hälften, vor und nach der Verschmelzung der schwarzen Löcher, berechneten die Forscher die Masse und den Spin sowohl der ursprünglichen als auch der kombinierten schwarzen Löcher. Anhand dieser Zahlen konnten sie die Fläche jedes Schwarzen Lochs vor und nach der Kollision berechnen.
Die Fläche des neu entstandenen Schwarzen Lochs war größer als die der beiden ursprünglichen, was Hawkings Flächengesetz um 95 Prozent bestätigte. Den Forschern zufolge entsprechen ihre Ergebnisse ziemlich genau dem, was sie erwartet hatten. Das eigentliche Rätsel bleibt der Versuch, die allgemeine Relativitätstheorie mit der Quantenmechanik zu verbinden. Das liegt daran, dass Schwarze Löcher nach der allgemeinen Relativitätstheorie nicht schrumpfen können, nach der Quantenmechanik aber schon. Hinter dem Oberflächengesetz hatte der britische Physiker auch ein Konzept entwickelt, das als Hawking-Strahlung bekannt ist und besagt, dass an den Rändern schwarzer Löcher durch seltsame Quanteneffekte ein Nebel von Teilchen ausgestoßen wird. Dieses Phänomen führt dazu, dass schwarze Löcher schrumpfen und schließlich über einen Zeitraum, der das Alter des Universums um ein Vielfaches übersteigt, verdampfen. Diese Verdampfung kann über einen so langen Zeitraum erfolgen, dass sie nicht gegen das kurzfristige Flächengesetz verstößt.
In der Zwischenzeit hat eine japanische Studie einen Sturm schwarzer Löcher analysiert, der möglicherweise etwas über die Entstehung der Galaxie erklären kann.
Stefania Bernardini