Physiker erschaffen im Labor eine 'Schwarzes-Loch-Bombe' – Durchbruch im Verständnis von Superstrahlung

Schwarze Löcher gehören zu den faszinierendsten und geheimnisvollsten Objekten im Universum. Mit ihrer enormen Masse und der damit verbundenen extrem starken Gravitation verzerren sie die Raumzeit auf spektakuläre Weise. Während lange Zeit viele ihrer Eigenschaften rein theoretisch waren, haben Physiker nun einen Experimentieransatz gefunden, mit dem sich ein Konzept namens „Schwarzes-Loch-Bombe“ erstmals im Labor nachbilden lässt. Dieses Experiment zielt darauf ab, eine der bemerkenswertesten Eigenschaften rotierender Schwarzer Löcher, die sogenannte Superstrahlung, zu veranschaulichen und erstmals praktisch zu demonstrieren. Ein solcher Fortschritt ermöglicht es nicht nur, schwarze Löcher aus der Ferne besser zu verstehen, sondern könnte langfristig auch völlig neue Wege in der Energieforschung eröffnen.

Die Idee hinter dem Konzept der Schwarzen-Loch-Bombe ist eng mit der Rotationsenergie eines Schwarzen Lochs verknüpft. Schwarze Löcher sind nicht statisch; sie können mit enormen Geschwindigkeiten rotieren und dadurch die Raumzeit in ihrer Umgebung verdrehen. In diesem Zusammenhang existiert eine Region um das Schwarze Loch herum, die sogenannte Ergosphäre. Innerhalb dieser Ergosphäre ist es für Objekte unmöglich, stillzustehen oder sich der Rotation zu entziehen, ohne sich mit überlichtschneller Geschwindigkeit zu bewegen, was nach den Gesetzen der Physik ausgeschlossen ist. Der Physiker Roger Penrose entdeckte, dass in diesem Bereich Teilchen sogenannte negative Energien annehmen können.

Dies führt dazu, dass ein Teilchen sich in zwei aufspalten kann, wobei eine Hälfte negative Energie trägt und in das Schwarze Loch fällt, während die andere Hälfte mit erhöhter positiver Energie entkommt. Die Rotationsenergie des Schwarzen Lochs wird so teilweise abgegeben. Aufbauend auf Penroses Arbeit und dem Prinzip der Energieextraktion entwickelte sich die Vorstellung, dass dieses Phänomen nicht ausschließlich bei Schwarzen Löchern auftritt. Der sowjetische Physiker Yakov Zel’dovich zeigte bereits Anfang der 1970er Jahre, dass auch andere rotierende, achsensymmetrische Körper, etwa ein Metallzylinder, elektromagnetische Strahlung unter bestimmten Bedingungen verstärken können. Sein Erkenntnis war, dass bei einer Rotationsgeschwindigkeit, die schneller als die Phasengeschwindigkeit der einfallenden Strahlung ist, die Absorption sich umkehrt und statt Energie entzogen wird, die Wellen verstärkt werden.

Dies tritt als Superstrahlung (superradiance) in Erscheinung. Eine weitere bahnbrechende Idee war das Konzept, diese Strahlung in einem „Spiegelkonstrukt“ zu reflektieren, wodurch sich die Energie immer weiter erhöht und schließlich eine explosive Verstärkung möglich ist. Aus dieser Idee entstand der Begriff „Schwarzes-Loch-Bombe“. Bis vor kurzem blieben diese theoretischen Überlegungen jedoch weitgehend unbeobachtet und unverifiziert, da sich Schwarze Löcher im Weltraum befinden und ihr direkter experimenteller Zugriff nahezu unmöglich ist. Nun gelang es einem Forscherteam um Hendrik Ulbricht von der Universität Southampton, die fundamentalen Prinzipien der Schwarzen-Loch-Bombe im Labor mit einem rotierenden Metallzylinder nachzubilden.

Dabei kombinierten sie elektromagnetische Felder aus handelsüblichen Bauteilen mit einem rotierenden Zylinder und erzeugten so ein System, das die Bedingungen für Superstrahlung erfüllt. Der experimentelle Aufbau ist auf den ersten Blick überraschend simpel gestaltet. Ein Metallzylinder wird rotierend angetrieben, um eine hohe Winkelgeschwindigkeit zu erreichen. Um ihn herum sind Spulen, Kondensatoren und Widerstände angeordnet, die ein magnetisches Feld erzeugen und elektromagnetische Wellen bestrahlen. Gleichzeitig fungieren die Bauteile als Spiegel, indem sie die Wellen reflektieren, sodass sie immer wieder auf den Zylinder zurückgeworfen werden.

Die Kombination aus Rotation und Reflektion sorgt dafür, dass die elektromagnetische Strahlung verstärkt wird – der Effekt der Superstrahlung tritt auf. Die Forscher verzeichneten in ihrem Experiment eine exponentielle Zunahme der Spannung in ihrem System, was genau den theoretischen Vorhersagen von Zel’dovich entspricht. Dies stellt die erste Labordemonstration einer elektromagnetischen Schwarzen-Loch-Bombe dar. Trotz des dramatischen Namens handelt es sich dabei natürlich nicht um eine gefährliche Waffe; die Energieausbeute liegt näher an der eines Tastendrucks auf einer mechanischen Computer-Tastatur. Dennoch ist der wissenschaftliche Wert immens, da die grundlegenden Prinzipien real und nachvollziehbar sichtbar gemacht wurden.

Ein weiteres Ziel der Forscher war es, festzustellen, ob Superstrahlung auch aus dem Vakuum heraus entstehen kann, also ohne die künstlichen elektromagnetischen Felder des Experiments. Das Vakuum auf Quantenskala ist bekanntlich nicht vollkommen leer, sondern es entstehen ständig flüchtige Paare von Teilchen und Antiteilchen, die sich gegenseitig vernichten – sogenannte Vakuumfluktuationen. Theoretisch kann diese Fluktuationsstrahlung durch Superstrahlung verstärkt werden, was zu einer spontanen Erzeugung von Wellen führen würde. Aufgrund der Temperaturbedingung des Experiments konnten die Wissenschaftler diese Effekte jedoch noch nicht direkt nachweisen, da thermische Geräusche die Messung überlagerten. Dennoch konnten sie elektromagnetische Wellen durch gezielte Rotation des Zylinders ohne externe elektromagnetische Zuführung erzeugen und damit wichtige Hinweise für zukünftige Untersuchungen erzielen.

Wissenschaftlich ist das Experiment von großer Bedeutung. Es macht mögliche Wechselwirkungen zwischen Schwarzen Löchern und ultraleichten Teilchen wie Axionen oder hypothetischen speziellen Photonen greifbar. Da diese Teilchen mögliche Kandidaten für Dunkle Materie sind, könnten Schwarze Löcher durch Superstrahlungsprozesse als riesige Detektoren solcher exotischer Teilchen fungieren – ein Ansatz, der in der Astrophysik zunehmend an Bedeutung gewinnt. Das Laborexperiment hingegen ermöglicht es, solche Effekte unter kontrollierten Bedingungen zu prüfen und damit unsere Verständnis von fundamentalen Wechselwirkungen im Universum zu erweitern. Das Experiment verdeutlicht auch, wie einfach und elegant physikalische Prinzipien sein können.

Hendrik Ulbricht selbst betonte, dass viele Physiker glaubten, für grundlegende Erkenntnisse seien ausschließlich aufwendige Großprojekte wie Teilchenbeschleuniger geeignet. Dieses Experiment zeigt, dass man auch mit vergleichsweise einfachen Mitteln neue und wegweisende Einsichten gewinnen kann. Zudem inspiriert das Ergebnis scheinbar komplexe Theorien zum Handeln, auf eine physische und experimentelle Grundlage. Zukunftsvisionen der Forscher umfassen auch die Durchführung quantenmechanischer Varianten des Experiments, bei denen die Erzeugung und Verstärkung elektromagnetischer Strahlung tatsächlich aus Vakuumfluktuationen nachgewiesen werden könnte. Dies würde nicht nur physikalische Grenzen des bisher Vorstellbaren erweitern, sondern eventuell den Weg zu neuen, kaum erschöpflichen Energiequellen ebnen.

Die Vorstellung, Energie gewissermaßen aus dem Nichts zu gewinnen, mag kühne Zukunftsmusik sein, doch die aktuelle Demonstration ist ein Schritt in Richtung dieses ambitionierten Ziels. Zusammengefasst steht die erfolgreiche experimentelle Nachbildung der Schwarzen-Loch-Bombe im Labor für einen wichtigen Meilenstein in der Physik. Sie überträgt das uralte, abstrakte Konzept der Superstrahlung in eine konkrete, messbare Realität – ein Erfolg, der sowohl Physiker als auch Wissenschaftsinteressierte fasziniert. Die Erforschung solcher Effekte könnte langfristig fundamentale Fragen zu Schwarzen Löchern, Quantenphänomenen und Energiegewinnung klären, und vielleicht schon bald Türen öffnen zu Technologien, die heute noch undenkbar sind.