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Gravitationswellen bestätigen das Gesetz des Schwarzen Lochs von Stephen Hawking


Trotz ihrer mysteriösen Natur sollen Schwarze Löcher bestimmten einfachen Regeln folgen. Nun wurde eines der berühmtesten Schwarz-Loch-Gesetze, das vom Physiker Stephen Hawking vorhergesagt wurde, mit Gravitationswellen bestätigt.

Nach dem Theorem der Schwarzen Löcher, das Anfang der 1970er Jahre von Hawking entwickelt wurde, kann die Oberfläche von Schwarzen Löchern im Laufe der Zeit nicht abnehmen. Der Flächensatz fasziniert Physiker, weil er eine bekannte physikalische Regel widerspiegelt, dass Unordnung oder Entropie im Laufe der Zeit nicht abnehmen kann. Stattdessen nimmt die Entropie ständig zu (SN: 10.07.15).

Das ist „ein spannender Hinweis darauf, dass Schwarzlochgebiete etwas Fundamentales und Wichtiges sind“, sagt der Astrophysiker Will Farr von der Stony Brook University in New York und dem Flatiron Institute in New York City.

Die Oberfläche eines einsamen Schwarzen Lochs wird sich nicht ändern – schließlich kann nichts aus dem Inneren entweichen. Wenn Sie jedoch etwas in ein Schwarzes Loch werfen, nimmt es an Masse zu und vergrößert seine Oberfläche. Aber das einfallende Objekt könnte das Schwarze Loch auch drehen lassen, was die Oberfläche verkleinert. Das Flächengesetz besagt, dass die Zunahme der Oberfläche durch zusätzliche Masse die Abnahme der Oberfläche durch zusätzlichen Spin immer überwiegt.

Um diese Flächenregel zu testen, verwendeten der MIT-Astrophysiker Maximiliano Isi, Farr und andere Wellen in der Raumzeit, die von zwei Schwarzen Löchern aufgerührt wurden, die sich spiralförmig nach innen drehten und zu einem größeren Schwarzen Loch verschmolzen. Die Oberfläche eines Schwarzen Lochs wird durch seinen Ereignishorizont definiert – die Grenze, aus der es unmöglich ist, zu entkommen. Nach dem Flächensatz sollte die Fläche des Ereignishorizonts des neugebildeten Schwarzen Lochs mindestens so groß sein wie die Flächen der Ereignishorizonte der beiden ursprünglichen Schwarzen Löcher zusammen.

Das Team analysierte Daten der ersten jemals entdeckten Gravitationswellen, die 2015 vom Advanced Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, LIGO (SN: 2/11/16). Die Forscher teilten die Gravitationswellendaten in zwei Zeitabschnitte vor und nach der Verschmelzung auf und berechneten die Oberflächen der Schwarzen Löcher in jeder Periode. Die Oberfläche des neu gebildeten Schwarzen Lochs war größer als die der beiden ursprünglichen Schwarzen Löcher zusammen, was das Flächengesetz mit einem Vertrauensniveau von 95 Prozent aufrechterhielt, berichtet das Team in einem Papier, das in Physische Überprüfungsschreiben.

„Wir können das zum ersten Mal beziffern“, sagt Isi.

Der Flächensatz ist ein Ergebnis der Allgemeinen Relativitätstheorie, die die Physik von Schwarzen Löchern und Gravitationswellen beschreibt. Frühere Analysen von Gravitationswellen stimmten mit Vorhersagen der Allgemeinen Relativitätstheorie überein und deuteten damit bereits an, dass das Flächengesetz nicht ganz daneben liegen kann. Aber die neue Studie „ist eine explizitere Bestätigung“ des Gebietsgesetzes, sagt die Physikerin Cecilia Chirenti von der University of Maryland in College Park, die nicht an der Forschung beteiligt war.

Bisher beschreibt die Allgemeine Relativitätstheorie Schwarze Löcher gut. Aber Wissenschaftler verstehen nicht ganz, was passiert, wenn die allgemeine Relativitätstheorie – die normalerweise für große Objekte wie Schwarze Löcher gilt – auf die Quantenmechanik trifft, die kleine Dinge wie Atome und subatomare Teilchen beschreibt. In diesem Quantenbereich können seltsame Dinge passieren.

Zum Beispiel können Schwarze Löcher einen schwachen Nebel aus Teilchen freisetzen, der Hawking-Strahlung genannt wird, eine weitere Idee, die Hawking in den 1970er Jahren entwickelt hat. Dieser Effekt könnte dazu führen, dass Schwarze Löcher schrumpfen, was gegen das Flächengesetz verstößt, aber nur über extrem lange Zeiträume, so dass die relativ schnelle Verschmelzung von Schwarzen Löchern, die LIGO sah, nicht beeinträchtigt hätte.

Physiker suchen nach einer verbesserten Theorie, die die beiden Disziplinen zu einer neuen, verbesserten Theorie der Quantengravitation vereint. Jedes Versagen von Schwarzen Löchern, die Regeln der Allgemeinen Relativitätstheorie einzuhalten, könnte Physiker in die richtige Richtung weisen, um diese neue Theorie zu finden.

Physiker neigen also dazu, über den anhaltenden Erfolg der Allgemeinen Relativitätstheorie mürrisch zu sein, sagt Farr. „Wir sagen: ‚Aha, es war wieder richtig.'“

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