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FAQ 012 E-mail

Kann man Energie aus einem Schwarzen Loch zapfen?


Um diese interessante Frage beantworten zu können, müssen wir uns mit einigen energetischen Eigenschaften von rotierenden Schwarzen Löchern befassen – die statischen SLs lassen wir außer acht, aus Gründen, die Ihnen bereits bekannt sein dürften, denn sie spielen hier für unsere Energiebetrachtungen keine wesentliche Rolle. Deshalb muß ich einiges aus dem Nähkästchen der Astrophysiker plaudern.

Für die Ungeduldigen unter Ihnen, hier die vorläufige Antwort: Ja, im Prinzip könnte man Energie aus einem rotierenden Schwarzen Loch beziehen, wenn wir nur über die technischen Möglichkeiten verfügten. Wenn Ihnen diese kurze Antwort genügt, gut, wenn nicht, dann lesen Sie unten weiter. So kommen wir alle auf unsere Kosten.

 

Aus quantentheoretischen Überlegungen geht hervor, daß jedes Schwarze Loch auch Strahlung abgibt, dabei findet jedoch kein Materie- oder Energietransport aus dem Inneren des Schwarzen Lochs statt. Es war der englische theoretische Astrophysiker und Kosmologe Stephen Hawking, der 1974 dahinter kam. In seinen Überlegungen bezog er das Vakuum – oder besser gesagt, das Quantenvakuum – mit ein, denn das Quantenvakuum ist nicht leer und alles andere als ein ruhiger Ort, sondern ein komplexes Gebilde, das von virtuellen Teilchen bevölkert ist (Quantenfluktuationen). Deshalb untersuchte er Quantenfelder auf dem Hintergrund gekrümmter Metriken. Nach der Quantenmechanik sind nämlich alle Felder, die mit Teilchen assoziiert sind, quantisiert, aber nicht die Gravitationsfelder! Diese werden von der ART beschrieben; auf der Suche nach der Quantennatur (Gravitonen und Gravitinos als ihr Superpartner) von Gravitationsfeldern sind wir heute immer noch. Hawkings Ergebnisse sind erstaunlich: Die klassische Theorie Schwarzer Löcher sieht in ihnen reine Absorber von Teilchen (Materie) und Strahlung, denn diese verschwinden ja auf Nimmerwiedersehen hinter seinem Ereignishorizont, aus dem noch nicht einmal Licht entweichen kann. Die quantenfeldtheoretische Betrachtung jedoch bringt ein kurioses Phänomen ans Licht: Schwarze Löcher emittieren permanent und konstant die sogenannte Hawking-Strahlung (aus allen möglichen Teilchen, nicht nur reine elektromagnetische Emission!).

 

Für das Verständnis dieses Mechanismus jetzt kurz ein bißchen Quantenphysik (für den Kenner kein Problem!):

Die Quantenfeldtheorie beschreibt die Teilchen als skalare Feldoperatoren, die die kanonischen Kommutatorrelationen erfüllen. Die Teilchen werden durch die Klein-Gordon-Gleichung (gelegentlich auch als Fock-Gleichung bezeichnet) als relativistische Verallgemeinerung der Schrödinger-Gleichung für ein kräftefreies Teilchen der Masse m und mit dem Spin 0 beschrieben. Die Quantisierung des zugehörigen Klein-Gordon-Feldes N (r,t) (Klein-Gordon-Gleichung verallgemeinert auf gekrümmten Metriken) erfolgt durch die Einführung von Erzeugungs- und Vernichtungsoperatoren (Creation and Annihilation Operators) als Lösungen der kovarianten Klein-Gordon-Gleichung. Die Bedeutung der Klein-Gordon-Gleichung liegt vor allem darin, daß ihr alle relativistischen Wellenfelder genügen müssen (Quantenfeldtheorie). Genau diese Lösungen ermöglichen die Definition eines Vakuumzustandes, d. h. eines energetisch tiefsten Zustands des betrachteten masselosen Teilchens. Eine Betrachtung dieses Vakuumzustandes in verschiedenen orthonormalen Basen verrät, daß der sog. Vakuumerwartungswert für den Besetzungszahloperator endlich wird, d. h. es sind Teilchen entstanden! In der Relativitätstheorie gibt es keine eindeutige Definition des Vakuumzustandes, abgesehen davon, hängt dieser vom Beobachter ab. Trotzdem: Eine Bilanz der Vakuumerwartungswerte in einer gekrümmten Raumzeit, die in Vergangenheit und Zukunft asymptotisch flach ist, lüftet das Geheimnis: Das Gravitationsfeld hat Teilchen "aus dem Nichts" erzeugt, und diese werden Hawking-Strahlung genannt!

 

Das Gesagte jetzt auf "gut Deutsch":

Nach der Quantentheorie ist der ganze Raum - auch das Quantenvakuum - gefüllt mit Paaren virtueller Teilchen und deren Antiteilchen. Deren Energie ist so gering, daß die Teilchen im Rahmen der Heisenbergschen Unschärferelation (Ort-Impuls-Unschärfe, Energie-Zeit-Unschärfe) eine sehr kurze Lebensdauer haben und daher nicht zu messen sind. Darum nennt man sie virtuell. Ständig zerstrahlen diese Teilchen mit ihrem entsprechenden Antiteilchen und bilden sich in Paaren wieder neu. Die Physiker nennen dieses Quantenvakuum auch Quantensee. Seine Existenz ist verifiziert worden.


Kehren wir jetzt zum Schwarzen Loch zurück:

Materialisiert sich nun ein solches Paar in der Nähe des Ereignishorizonts eines Schwarzen Loches, so ist es möglich, daß eines der Teilchen in das Schwarze Loch fällt, während das andere ins Unendliche entweicht. Aus dem virtuellen Teilchen wird so ein reales, ein meßbares Teilchen in unserem vertrauten Universum R3. Stammt die Energie für das virtuelle Teilchenpaar vom Schwarzen Loch, so bietet der Hawking-Effekt eine Möglichkeit, Energie aus dem Schwarzen Loch zu extrahieren. Damit ist aber die Lebensdauer Schwarzer Löcher begrenzt! Man sagt dann, Schwarze Löcher können durch die Emission von Hawking-Strahlung verdampfen. Wie lange ein Schwarzes Loch braucht, um vollständig zu verdampfen, ist ein langes Kapitel und für die gestellte Frage nicht wesentlich von Bedeutung. Eins kann man aber mit Sicherheit sagen: Bedingt durch die Schwäche dieser Hawking-Strahlung bei Schwarzen Löchern ist es ausgeschlossen, sie nachzuweisen. Aber sie existiert!

 

Zur zweiten (anzapfbaren?) Energiequelle aus Schwarzen Löchern:

Wenn ein kosmisches rotierendes Objekt – der Akkretor – aufgrund seiner Gravitation und Adhäsionskräfte Materie aufsammelt, spricht man von Akkretion (lat. accretio, accrescere für "Anwachsen unter Anhäufung"). Akkretoren können gewöhliche Sterne oder kompakte Objekte (Weiße Zwerge, Neutronensterne, stellare und supermassereiche Schwarze Löcher) sein. Der entstandene akkretierte Materiestrom nennt man Akkretionsfluß und ist für die hellsten Strahlungserscheinungen im Universum verantwortlich, d. h. für die enormen Leuchtkräfte der sogenannten Aktiven Galaktischen Kerne (engl.: Activ Galactic Nuclei AGN), zu denen die Quasare, Blazare, Seyfert-Galaxien und Radiogalaxien gehören. Den detaillierten und ziemlich komplizierten Mechanismus der Akkretion bei rotierenden Schwarzen Löchern können Sie selbst im Internet recherchieren.

 

Zur Struktur des Gebildes, das von der Akkretion generiert wird, sei nur folgendes gesagt:

Im Zentrum eines AGN befindet sich ein supermassives Schwarzes Loch (SSL), das Umgebungs­materie der Galaxie durch sein Gravitationsfeld aufsammelt. Bedingt durch die Eigenrotation des SSLs bildet sich während des Akkretionsprozesses eine dünne Standardscheibe um das Schwarze Loch aus, denn die Materie stürzt ja nicht direkt in das Schwarze Loch (rotierende bzw. "mitgeschleppte" Raumzeit), sondern – bedingt durch ihren eigenen Drehimpuls – bewegt sie sich auf einer spiralförmigen Bahn in das Schwarze Loch. Deshalb bil­det sich aus den unendlich vielen einfallenden Teilchen ein abgeflachtes Gebilde um das Schwar­ze Loch aus: die Akkretionsscheibe; diese wird durch Abstrahlung elektromagneti­scher Wellen effizient gekühlt. Nicht alle Materie verschwindet im SSL, sondern ein Bruchteil 'füttert' gigantische Plasmaströme, die sogenannten relativistischen Jets, welche das Ensamble in Richtung der Pole des SSLs verlassen. Ungefähr 20 Prozent der akkretierten Materie werden in Strahlungsenergie umgewandelt, d. h. sie wird effizienter erzeugt, als durch die thermonukleare Fusion im Inneren von Sternen (0,7 Prozent der Ruhemasse). Die genaue Her­kunft der relativistischen Jets ist etwas kompliziert zu erklären, und bildet nicht den Gegenstand dieser Präsentation. Soviel können wir sagen: Die relativistischen Jetz sind eine Folge der Wechselwir­kung des einfallenden Akkretionsflus­ses mit dem Schwarzen Loch. Die wirbelnde Raumzeit spielt hier die Schlüsselrolle.


Wir können diese enormen Strahlungsprozesse deshalb beobachten, weil sie außerhalb des Ereignishorizonts stattfinden.

 

Als letztes Element haben wir weiter draußen einen kalten Staubtorus (schlauchförmiges Gebilde, wie der Schlauch eines Autoreifens), das aus molekularer Materie besteht. Er fungiert unter anderem als Materiereservoir für das SSL.

 

Eine andere Möglichkeit der Energiegewinnung:

Theoretisch könnten an Beschleunigern wie dem LHC (Large Hadron Collider) sich tatsächlich winzig kleine schwarze Löcher erzeugen lassen. Eine Energiegewinnung aus einem "Proton-zu-Photon-Konverter" wäre denkbar. Ob sich so ein Konverter jemals realisieren ließe, ist bisher jedoch noch völlig unklar.

 

 


Random Quotes

This is not a novel to be tossed aside lightly. It should be thrown with great force.


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Doctor Jes˙s Alejandro de la Fuente Moreno