Schwarze Löcher im Labor?

CERN

Der riesige Magnet des ALICEExperiments am CERN wiegt mehr als der Eiffelturm in Paris. Sobald alle Detektoren in seinem Innern eingebaut sind, werden sich die gewaltigen Türen schließen, und die Suche nach den Schwarzen Löchern kann beginnen.

© muk.uni-frankfurt.de

Schwarze Löcher - das müssen nicht unbedingt alles verschlingende, gigantisch schwere astronomische Objekte sein. Theoretisch könnte es auch "mini black holes" im Labor geben, die genau das Gegenteil der astronomisch gemessenen Giganten darstellen. Das folgt aus Arbeiten der Gruppe von Prof. Dr. Horst Stöcker und Prof. Dr. Marcus Bleicher am Frankfurt Institute for Advanced Studies (FIAS) und am Institut für Theoretische Physik, über die sie in der neuen Ausgabe von Forschung Frankfurt berichten. Auftreten könnten die winzigen Schwarzen Löcher, wenn im kommenden Jahr der neue Teilchenbeschleuniger am Europäischen Großforschungszentrum für Kern- und Teilchenphysik CERN bei Genf in Betrieb genommen wird.

Erfolgreichsten Theorien des 20. Jahrhunderts

Für die theoretische Physik wäre die Entdeckung der sehr leichten Schwarzen Löcher von großer Bedeutung. Bisher ist es nicht gelungen, die beiden erfolgreichsten Theorien des 20. Jahrhunderts – die Quantentheorie und die Relativitätstheorie – in Einklang zu bringen. Für gewöhnlich ist das nicht störend, denn quantentheoretische Effekte machen sich im Mikrokosmos bemerkbar, während die allgemeine Relativitätstheorie bei der Beschreibung großer Massen im Makrokosmos der Sterne und Planetensysteme relevant ist. Zur Beschreibung Schwarzer Löcher, in denen sich große Massen auf engstem Raum zusammendrängen, braucht man jedoch eine Synthese beider Theorien. Die Physik Schwarzer Löcher im Quantenbereich ist somit der Schlüssel zum Verständnis des neuen Weltbilds der Elementarteilchenphysik für die Experimente am CERN. 2

Faszinierendste und mysteriöseste Objekte im Universum

Es war Karl Schwarzschild, einem in Frankfurt geborenen
Astrophysiker, dem es vor 90 Jahren erstmals gelang,
eine Lösung der allgemeinen Relativitätstheorie
Albert Einsteins zu berechnen. Damit bereitete er das
Fundament für das Studium der wohl faszinierendsten
und mysteriösesten Objekte im Universum, der Schwarzen
Löcher. Zu finden sind sie hauptsächlich im Zentrum
von Galaxien. Das zentrale Schwarze Loch unserer
Milchstraße, im Sternbild Schütze (Sagittarius) gelegen,
ist zirka drei Millionen Sonnenmassen schwer und
schleudert aufgrund seiner gigantischen Gravitationskraft
ganze Sonnensysteme mit ungeheurer Wucht und
enormen Geschwindigkeiten auf stark elliptischen Bahnen
um sich herum. Entstanden ist dieses Schwarze
Loch wahrscheinlich schon kurz nach dem Urknall aus
einer kleinen Fluktuation der Energiedichte. 1

"Relikt-Konverter"

Sollte es die vorhergesagten Mini Schwarzen Löcher geben, hat Prof. Horst Stöcker sich bereits ihre mögliche Anwendung als "Relikt-Konverter" zur Energiegewinnung nach Einsteins berühmter Formel E=mc2 bereits patentieren lassen. Der Konverter bestünde aus dem Relikt eines Schwarzen Lochs, das einen Strahl von niederenergetischen Hadronen (Protonen, Neutronen oder ganze Kerne) in Hawking-Strahlung umwandeln könnte. Dieser Prozess würde mit einer Umwandlungseffizienz von etwa 90 % ablaufen, da nur die produzierten Gravitonen und Neutrinos nicht in nutzbare Energie überführt werden könnten. Das heißt, falls die Erzeugung von stabilen Relikten am LHC gelingt, könnte der gesamte Energieverbrauch der Erde (zirka 1021 Joule) mit nur zehn Tonnen willkürlichen Materials in diesen Konvertern erzeugt werden! 2

Hawking-Strahlung

Entstehung von Hawking-Strahlung im Schwarzen Loch

Aus dem Teilchen-Antiteilchen-Paar fällt eines in das Mini Schwarze Loch, während das andere in die Unendlichkeit entweicht.

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Der bekannte britische Physiker Stephen Hawking hat vor drei Jahrzehnten vorhergesagt, dass Schwarze Löcher durch einen quantenmechanischen Vorgang zerfallen sollten, und zwar durch die Hawking-Strahlung. Dieser Zerstrahlungsprozess der mikroskopischen Schwarzen Löcher läuft mit der Hawking- Temperatur ab, die umso größer ist, je kleiner das Schwarze Loch ist. Für »mini black holes« läuft nach der Hawking Formel der Zerstrahlungsprozess also ungeheuer rasch ab.
Hawking-Strahlung entsteht aus Vakuumfluktuationen, bei denen ein Teilchen Antiteilchen-Paar gewissermaßen aus dem Nichts geschaffen wird. Fällt einer der Partner in das Schwarze Loch, kann der andere als Strahlung freigesetzt werden. 1