Heureka! Wissenschaftler erforschen mit Hi die Geheimnisse der Schwarzen Löcher

Forscher der Universität Nottingham simulieren Schwarze Löcher mit einem winzigen Wirbel in einer Glasglocke aus superflüssigem Helium

Am Ende eines unscheinbaren Korridors an der University of Nottingham befindet sich eine Tür mit der einfachen Aufschrift: Black Hole Laboratory. Darin findet in einer großen High-Tech-Badewanne ein Experiment statt, das einen einzigartigen Einblick in die Gesetze der Physik bieten könnte, die in der Realität herrschen.

Das Labor wird von Prof. Silke Weinfurtner geleitet, einer Pionierin auf dem Gebiet der analogen Schwerkraft, deren Arbeit unheimliche Parallelen zwischen der Mathematik, die Fluidsysteme auf der Erde beschreibt, und einigen der extremsten und unzugänglichsten Umgebungen im Universum aufgezeigt hat.

„Wenn man an Schwarze Löcher denkt, lässt man sich leicht einschüchtern. Alle vorhergesagten Effekte rund um Schwarze Löcher erscheinen so bizarr, so seltsam, so anders“, sagt sie. „Dann hilft es, sich daran zu erinnern: ‚Moment mal, das passiert in meiner Badewanne.‘ Vielleicht ist es doch gar nicht so seltsam.‘“

Zuvor hat Weinfurtners Team den Badewannenaufbau genutzt, um die Hawking-Strahlung zu untersuchen, einen Prozess, bei dem Schwarze Löcher angeblich „verdampfen“ und schließlich verschwinden. Sie und ihre Kollegen arbeiten derzeit an einem fortschrittlicheren Simulator, der ihrer Meinung nach noch detailliertere Einblicke in das Verhalten von Schwarzen Löchern liefern wird.

„Alle diese Effekte sind ungemein schön und von grundlegender Bedeutung“, sagt sie. „Verdampft zum Beispiel ein Schwarzes Loch oder bleibt es einfach für die Ewigkeit dort?“

Die Grundidee besteht darin, dass der Flüssigkeitsfluss durch ein Abflussloch im mathematischen Sinne die Krümmung der Raumzeit selbst durch das extreme Gravitationsfeld eines Schwarzen Lochs nachahmt.

„Physik wiederholt sich an vielen Stellen. Es handelt sich um eine Reihe mathematischer Modelle, die sehr universell sind. Und wenn die Mathematik gleich ist, sollte auch die Physik gleich sein“, sagt Weinfurtner. „Für mich sind die Analoga ein Geschenk der Natur. Es gibt eine ganze Klasse von Systemen, die über die gleichen physikalischen Prozesse verfügen.“

Weinfurtner glaubt, dass die Parallelen zwischen den beiden Situationen genutzt werden können, um zu untersuchen, was passiert, wenn Gravitationsfelder und Quantenfelder interagieren. Dies war wohl die zentrale Aufgabe der Physik im letzten Jahrhundert. Gravitations- und Quantentheorien funktionieren einzeln gut – und dies reicht oft aus, um die Welt um uns herum zu beschreiben, da auf großen Skalen tendenziell die Schwerkraft dominiert, während auf atomaren Skalen Quanteneffekte vorherrschen.

Aber in Schwarzen Löchern, wo viel Masse in einem sehr kleinen Raumbereich zusammengepfercht ist, kollidieren diese Welten und es gibt keinen theoretischen Rahmen, der die beiden vereint.

„Wir haben ein großes Verständnis für beide Theorien, aber es erweist sich als äußerst schwierig, diese beiden Theorien zu kombinieren“, sagt Weinfurtner. „Die Idee ist, dass wir verstehen wollen, wie sich die Quantenphysik auf einer sogenannten gekrümmten Raum-Zeit-Geometrie verhält.“

Im neuen Aufbau wird das Schwarze Loch durch einen winzigen Wirbel in einer Glasglocke aus superflüssigem Helium dargestellt, das auf -271 °C abgekühlt ist. Bei dieser Temperatur beginnt Helium Quanteneffekte zu zeigen. Im Gegensatz zu Wasser, das sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten drehen kann, kann der Heliumwirbel nur bei bestimmten festen Werten wirbeln. Wellen, die über die Oberfläche des Heliums geschickt werden und von Lasern und einer hochauflösenden Kamera mit Nanometergenauigkeit verfolgt werden, stellen Strahlung dar, die sich einem Schwarzen Loch nähert.

Weinfurtner plant, mit dem Aufbau ein Phänomen namens Superradianz zu untersuchen, eine scheinbar paradoxe Vorhersage, dass Strahlung, die in die Nähe eines Schwarzen Lochs gelangt (ohne über den Ereignishorizont zu wandern), mit mehr Energie abgelenkt werden kann, als sie auf dem Schwarzen Loch hatte Durch diesen Prozess kann einem Schwarzen Loch Energie entzogen werden, wodurch sich seine Rotation allmählich verlangsamt.

Dieses Phänomen wurde theoretisch vorhergesagt, aber nie beobachtet. Und es ist möglich, sagt Weinfurtner, dass ein rotierendes Schwarzes Loch Quanteneffekte zeigen könnte, die denen von supraflüssigem Helium ähneln.

Der Simulator könnte auch verwendet werden, um Vorhersagen über Hawking-Strahlung und Gravitationswellensignale zu treffen, die von verschmelzenden Schwarzen Löchern durch das Universum gesendet werden und vom LIGO-Gravitationswellendetektor erfasst werden können.

Analoge Schwerkraftexperimente galten bis vor Kurzem als Randelement der Physik-Community, erfreuen sich aber mittlerweile wachsender Beliebtheit, so Weinfurtner. Der Helium-Schwarze-Loch-Simulator wurde durch einen Zuschuss von 5 Millionen Pfund finanziert, der von Teams an sieben führenden britischen Institutionen (einschließlich Weinfurtners) aufgeteilt wurde. Mitarbeiter der Universität Cambridge simulieren die ersten Augenblicke nach dem Urknall.

Kritiker des Ansatzes bezweifeln, dass Fluidsysteme trotz bemerkenswerter mathematischer Parallelen wirklich grundlegend neue Erkenntnisse über kosmologische Prozesse liefern können. Weinfurtner lässt sich davon nicht beeindrucken und stellt fest, dass die Gravitationswellenphysik bis zur Entdeckung des Durchbruchs Kritiker hatte und dass ihre Arbeit auch im Bereich der Supraflüssigkeiten von Wert sei.

„Viele Dinge waren in der Vergangenheit umstritten, was wir heute als selbstverständlich betrachten“, sagt sie.