Wie Hawking-Strahlung zur Verdampfung von Schwarzen Löchern führt

Schwarze Löcher zählen zu den geheimnisvollsten und rätselhaftesten Objekten im Universum. Einst als theoretische Konsequenz der Allgemeinen Relativitätstheorie postuliert, haben sie im Laufe der Zeit unseren Blick auf Raum, Zeit und Materie grundlegend verändert. Trotz ihrer anziehenden Gravitation, die selbst Licht nicht entkommen lässt, sind Schwarze Löcher nicht zwangsläufig ewig. In den 1970er Jahren revolutionierte Stephen Hawking unser Verständnis, indem er zeigte, dass Schwarze Löcher eine Form von Strahlung aussenden, heute als Hawking-Strahlung bekannt, welche letztlich zur Verdampfung dieser Giganten führt. Doch wie genau funktioniert dieser Prozess, und warum führt ein so kompaktes und dichtes Objekt wie ein Schwarzes Loch zu einer kontinuierlichen Abgabe von Energie? Zunächst ist zu verstehen, dass Schwarze Löcher keine klassischen Objekte sind, die einfach nur Materie in sich aufnehmen und dort für immer behalten.

Sie besitzen eine sogenannte Ereignishorizont, eine Art Grenze im Raum, ab der nichts mehr entkommen kann. Von außen gesehen wirkt ein Schwarzes Loch wie ein Objekt mit extrem starker Anziehungskraft. Innerhalb des Ereignishorizonts ist jedoch die Raumzeit so stark gekrümmt, dass alle möglichen Wege in Richtung des Innenraums verlaufen. Doch gerade an dieser Grenze zwischen Innen- und Außenwelt spielen Quantenphänomene eine entscheidende Rolle. Im Vakuum des Weltalls, das auf den ersten Blick leer erscheint, herrscht durch die Quantenfeldtheorie rege Aktivität.

So entstehen und vernichten sich ständig virtuelle Teilchenpaare — Teilchen und Antiteilchen — innerhalb extrem kurzer Zeiträume. Diese Fluktuationen sind eine Folge der Unschärferelation von Heisenberg, die es verbietet, Energie und Zeit gleichzeitig mit unbegrenzter Genauigkeit zu bestimmen. Das Vakuum ist also keineswegs eine leere Leerstelle, sondern eher ein brodelndes Meer aus kurzlebigen Quanten-Erscheinungen. Das klassische Bild, das oft zur Erklärung von Hawking-Strahlung genutzt wird, beschreibt jenes Szenario, bei dem ein Teilchen eines solchen Paares über den Ereignishorizont hinaus entkommt, während das andere hineinfällt. Früher wurde geglaubt, dass sich dadurch die Energie des Schwarzen Lochs reduziere, weil das hineinfällende Teilchen "negative Energie" trägt und somit Masse abbaut.

Allerdings ist diese Vorstellung inzwischen überholt und wissenschaftlich nicht korrekt. Der eigentliche Mechanismus ist viel komplexer und eng mit der Krümmung der Raumzeit rund um Schwarze Löcher verbunden. Aufgrund der enormen Gravitation verändert sich das Zwei-Teilchen-Vakuumfluktuationsverhalten im Bereich des Ereignishorizonts im Vergleich zu weiter entfernten Bereichen. Unterschiedliche Beobachter – beispielsweise einer weit entfernt im Weltall und einer nahe dem Schwarzen Loch – messen verschiedene Energieniveaus im Vakuum. Diese Diskrepanz führt dazu, dass aus der Perspektive eines externen Beobachters reale Strahlung emittiert wird, die wir als Hawking-Strahlung wahrnehmen.

Hawking originaler Ansatz bestand darin, das Verhalten quantenmechanischer Felder im gekrümmten Raum zu untersuchen. Dabei zeigte er, dass Schwarze Löcher eine Temperatur besitzen, die umgekehrt proportional zur Masse des Schwarzen Lochs ist: Je kleiner das Schwarze Loch, desto höher die Temperatur. Diese Temperatur führt dazu, dass das Schwarze Loch Strahlung in Form von Photonen aussendet – vergleichbar mit einem warmen, schwarzen Körper, wie ihn die Thermodynamik beschreibt. Diese ausgesendete Strahlung trägt Energie ab, die ursprünglich aus der Gravitationsenergie und Masse des Schwarzen Lochs stammt. Dadurch verliert das Schwarze Loch allmählich Masse.

Über immense Zeiträume hinweg, die je nach Größe eines Schwarzen Lochs zwischen vielen Milliarden und mehr als hundert Milliarden Jahren liegen können, führt dieser Masseverlust dazu, dass das Schwarze Loch kleiner wird, schneller strahlt und schließlich vollständig verdampft. Ein weiterer wichtiger Punkt ist, dass die Strahlung nicht ausschließlich genau am Ereignishorizont entsteht. Stattdessen erstreckt sich die Entstehungsregion der Hawking-Strahlung über ein Gebiet, das 10 bis 20 Mal so groß ist wie der Radius des Ereignishorizonts. Die Raumzeit-Krümmung weiter außen spielt also eine wesentliche Rolle bei der Erzeugung der Strahlung. Diese Tatsache widerspricht dem weitverbreiteten einfachen Bild, dass die Strahlung direkt an der Grenze des Schwarzen Lochs „herausplatzt“.

Interessanterweise besteht Hawking-Strahlung hauptsächlich aus Photonen, also Lichtteilchen, und nicht zu gleichen Teilen aus Teilchen und Antiteilchen, wie es das populäre Paarbildungsszenario suggeriert. Massive Teilchen wie Elektronen oder Positronen tauchen erst auf, wenn das Schwarze Loch bereits sehr viel Masse verloren hat und seine Temperatur so gestiegen ist, dass ihre Erzeugung energetisch möglich wird. Bis dahin ist der Großteil der abgestrahlten Energie in Form elektromagnetischer Strahlung vorhanden. Die Konsequenzen von Hawking-Strahlung reichen über die reine Physik von Schwarzen Löchern hinaus. Sie öffnen Diskussionen über die Informationsparadoxien von Schwarzen Löchern, darüber, ob und wie Informationen, die in ein Schwarzes Loch fallen, in der abgestrahlten Energie erhalten bleiben.

Dies hat wichtige Auswirkungen auf die Grundlagen der Quantenmechanik, die Gravitationstheorie und mögliche Theorien zur Quantengravitation. Zusammengefasst entsteht die Hawking-Strahlung durch die quantenmechanische Wechselwirkung von Feldern in der stark gekrümmten Raumzeit nahe eines Schwarzen Lochs. Diese Strahlung entzieht dem Schwarzen Loch Energie, was sich in einem Masseverlust äußert. Über extrem lange Zeitspannen führt das dazu, dass sich das Schwarze Loch Stück für Stück auflöst beziehungsweise komplett verdampft. Dieses Phänomen veranschaulicht die tiefe Verbindung von Quantenphysik und Gravitation, für die bis heute noch nicht alle Fragen geklärt wurden.

Trotzdem bildet es die Grundlage für unser modernes Verständnis der Dynamik und Entwicklung von Schwarzen Löchern im Universum. Es zeigt eindrucksvoll, dass nichts, selbst die mächtigsten kosmischen Objekte, vollkommen dauerhaft sind.