Die Hawking-Strahlung beschreibt hypothetische Teilchen, die an der Grenze eines Schwarzen Lochs entstehen. Diese Strahlung impliziert, dass Schwarze Löcher Temperaturen haben, die umgekehrt proportional zu ihrer Masse sind.
Mit anderen Worten: Je kleiner ein Schwarzes Loch ist, desto heißer sollte es glühen.
Obwohl sie nie direkt beobachtet wurde, ist die Hawking-Strahlung eine Vorhersage, die durch kombinierte Modelle der allgemeinen Relativitätstheorie und der Quantenmechanik unterstützt wird. Sie ist nach dem bedeutenden Physiker Stephen Hawking benannt, der 1974 eine Abhandlung mit dem Titel Black hole explosions? veröffentlichte, in der er für ihre Existenz plädierte.
Wenn sie sich als wahr erweisen sollte, würde die Hawking-Strahlung bedeuten, dass Schwarze Löcher Energie abstrahlen und daher schrumpfen können, wobei die kleinsten dieser wahnsinnig dichten Objekte schnell in einer Hitzewolke explodieren (und die größten langsam über Billionen von Jahren in einer kalten Brise verdampfen).
Warum sollten Schwarze Löcher leuchten?
Wenn Materie in ein Schwarzes Loch eintritt, wird sie effektiv vom Rest des Universums abgeschottet. Dadurch wird auch ein gewisses Maß an Unordnung beseitigt; eine Eigenschaft, die Physiker als Entropie bezeichnen.
Da diese Entfernung von Materie das Universum weniger ungeordnet zurücklässt, wurde angenommen, dass sie den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik bricht.
Ein Physikstudent aus Princeston in den USA namens Jacob Bekenstein wies darauf hin, dass die Grenze, die den Raum umgibt, der am stärksten von der wahnsinnigen Schwerkraft eines Schwarzen Lochs betroffen ist – eine „Oberfläche“, die als Ereignishorizont bezeichnet wird – an Fläche zunehmen sollte, wenn Materie hineinfällt.
Er zeigte, dass diese Fläche das Maß an Entropie darstellt, das andernfalls verloren gehen würde, ein Vorschlag, der das Paradoxon lösen sollte.
Hawking war sich da nicht so sicher. Entropie ist eine andere Art, Wärmeenergie zu beschreiben, die notwendigerweise Strahlung aussendet. Wenn ein Ereignishorizont Entropie hat, müsste er irgendwie leuchten, was bedeuten würde, dass schwarze Löcher doch nicht so schwarz wären.
In seinem Bemühen, Bekensteins scheinbar absurden Vorschlag zu widerlegen, diskutierte Hawking ihn mit anderen Physikern und versuchte, mit Hilfe mathematischer Modelle zu zeigen, dass er nicht möglich war.
Stattdessen entdeckte er, dass Schwarze Löcher tatsächlich in kaltem Licht zu leuchten scheinen.
Wie erzeugen Schwarze Löcher Hawking-Strahlung?
Der physikalische Prozess, der hinter der Emission von Teilchen in der Nähe des Ereignishorizonts eines Schwarzen Lochs steht, ist ziemlich komplex und beruht auf einem soliden Verständnis der Mathematik der Quantenfeldtheorie.
Er wird allgemein als das Ergebnis von Zwillings-„virtuellen“ Teilchen beschrieben, die auf natürliche Weise aus dem Vakuum entstehen und durch die Schwerkraft getrennt werden. Normalerweise würden sie sich rekombinieren und auslöschen, aber in diesem Fall lässt die Trennung eine Hälfte jedes Paares als tatsächliche Strahlung entweichen.
In der Tat beschreibt Hawkings eigene populäre Erklärung der Mathematik flüchtige virtuelle Teilchen, die von extremer Schwerkraft betroffen sind, wobei eine Hälfte des Paares dem Schwarzen Loch Masse entzieht, da die extreme Schwerkraft das Teilchen mit negativer Energie versorgt.
Andere Physiker halten diese „lokalisierte“ Beschreibung von Teilchen, die sich über eine imaginäre Linie aufspalten, für etwas irreführend.
Während wir eine vollständige Theorie der Rolle der Schwerkraft in der Quantenmechanik bräuchten, um diese Wechselwirkung richtig abzubilden, zeigen Hawkings Schlussfolgerungen, wie der gekrümmte Raum die Mischung von Quanteneigenschaften in den Feldern in der Nähe eines Ereignishorizonts durcheinander bringen kann, bis zu dem Punkt, dass schwarze Löcher einige Eigenschaften „streuen“, während andere intakt bleiben. Es sind diese intakten Eigenschaften, die bestimmten Strahlungstemperaturen ähneln und ein schwarzes Loch schrumpfen lassen können.