Was haben Schwarze Löcher eigentlich mit dem Bestseller-Autor Stephen Hawking zu tun?

Der an Amyotropher Lateralsklerose erkrankte britische Astrophysiker Stephen Hawking leistete Pionierbeiträge zur Erforschung der Schwarzen Löcher. 1974 hat er die Hawking-Strahlung beschrieben. Die Hawking-Strahlung hat zur Folge, dass Schwarze Löcher durch Strahlung Energie verlieren und so mit der Zeit verfallen. Schwarze Löcher von geringer Ausdehnung würden dann schneller zerfallen als Schwarze Löcher mit einem größeren Schwarzschild- bzw Gravitationsradius. Die Hypothese der Hawking-Strahlung entstand, indem Hawking Modelle der Quantenmechanik und der Thermodynamik mit den aus der allgemeinen Relativitätstheorie stammenden Gleichungen für Schwarze Löcher kombinierte. Die allgemeine Relativitätstheorie beschreibt gut die mathematischen Eigenschaften der Gravitation im makrokosmischen Raum, die Quantenmechanik geht hingegen auf Eigenschaften der Teilchen des Mikrokosmos ein, thermodynamische Formeln vermitteln ein bisschen auf statistische Weise zwischen Mikrokosmos und Makrokosmos.

Besonders zur Untersuchung einer Singularität eignen sich nun Modelle des Mikrokosmos, da man bei der Analyse der Singularität immer kleinere Intervalle bzw. Abstände untersuchen will, für die die Gesetzmäßigkeiten des Makrokosmos nicht mehr gelten. Sind die Abstände kleiner als eine Planck-Länge, so gelten die Gesetze der Quantenmechanik. Bei so kleinen Abständen gilt die Heisenbergsche Unschärferelation und es gibt statistische Fluktuationen von dem Laien seltsamen und nur schwer verständlichen seienden Teilchen. Daher unterliegt wegen seiner Singularität auch jedes Schwarze Loch, so groß das Ausgangsobjekt auch immer gewesen sein mag, diesen Schwankungen des Mikrokosmos, so die bahnbrechende Hypothese von Stephen Hawking.

Im Mikrokosmos entstehen spontan virtuelle Photonen, nämlich Teilchenpaare, die aus Teilchen und Anti-Teilchen bestehen, die sich auch sofort wieder vernichten. Die Entstehungsenergie kommt aus dem Vakuum und bei der Vernichtung geht die Energie wieder an das Vakuum zurück. Diese virtuellen Teilchen werden dann zu realen Teilchen, wenn man sie trennt, so ihre Vernichtung verhindert, und sie damit Energie gewinnen lässt. Hawking zufolge ist nun auch ein Schwarzes Loch imstande, virtuelle Teilchenpaare zu trennen. Wie geht das? Hier kommt nun wieder der Übergang zu Ideen des Makrokosmos: Man spricht bei der Gravitation von einer Gezeitenwirkung. Unter Gezeiten sind hier Gravitationsunterschiede bei unterschiedlichen Distanzen von einem Gravitationskraft ausübenden Objekt zu verstehen. Bei einem schwarzen Loch ist in der Nähe des Ereignishorizonts die Gezeitenwirkung extrem groß - sie ist so groß, dass sich die Unterschiede selbst in der mikrokosmischen Distanz, die ein virtuelles Teilchenpaar voneinander trennt, auf eindeutige Weise bemerkbar machen. Ein virtuelles Teilchen verschwindet im Schwarzen Loch und das andere nicht. Das ins Schwarze Loch fallende Teilchen bekommt eine negative Energie und entzieht dem Schwarzen Loch Masse, entsprechend dem Masse-Energieäquivalent. Das andere Teilchen, nun ein Photon, gewinnt Energie und kann somit zu einem realen Teilchen werden. Die Energie kann als Strahlung gemessen werden. Daher rührt der Begriff Hawking-Strahlung zur Beschreibung dieser Hypothese. Es ist in der Tat eine Hypothese und keine bewiesene Theorie. Aber man verwendet die Hawking-Strahlung als Erklärungshilfe für eine ganze Reihe von nachgewiesenen Phänomenen. Gäbe es diese Hawking-Strahlung, so wäre es eine sehr schwache Strahlung für große Schwarze Löcher mit einem hohen Vielfachen der Sonnenmasse. Kleine Schwarze Löcher könnten hingegen sehr viel Energie abgeben und so auch Elektronen und Positronen erzeugen, sowie Röntgen- und Gammastrahlung aussenden.

Die Hawking-Strahlung unterwirft somit auch Schwarze Löcher dem Zahn der Zeit. Da das Schwarze Loch während der Entstehung der neuen Teilchen ständig an Masse verliert, würden also Schwarze Löcher allmählich immer kleiner werden. Sie verschwinden vielleicht. Man sagt auch, sie würden verdampfen. Man weiß aber noch nicht, wie nun genau das Ende eines Schwarzen Loches aussieht. Da gibt es weitere ungelöste Probleme, wie zum Beispiel das Informationsparadoxon.