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Micro Black Hole Das englisch für Mikro Schwarzes Loch ist ein hypothetisches sehr kleines und leichtes Schwarzes Loch M

Micro Black Hole

Das Micro Black Hole (englisch für „Mikro-Schwarzes Loch“) ist ein hypothetisches, sehr kleines und leichtes Schwarzes Loch.

Mitte der 1970er Jahre stellte Roger Penrose die Vermutung auf, Schwarze Löcher könnten auch im Labor erzeugt werden. Es gibt Theorien, nach denen es möglich ist, mit dem Large Hadron Collider (LHC), der am 10. September 2008 in Betrieb genommen wurde, solche Schwarzen Löcher bis zu einmal pro Sekunde zu erzeugen. Dies setzt jedoch die Existenz zusätzlicher kompakter Raumdimensionen voraus, welche u. a. von bestimmten Modellen der Stringtheorie vorhergesagt werden.

Solche Schwarzen Löcher wären nicht vergleichbar mit stellaren Schwarzen Löchern, die kosmologisch beobachtet werden. Ihre Ausmaße lägen in der Größenordnung von Elementarteilchen. Auf Grund von Quanteneffekten (Hawking-Strahlung) würden sie höchstwahrscheinlich sehr kurze Zeit nach ihrer Entstehung schon wieder zerstrahlen. Die dabei entstehenden Elementarteilchen könnten mittels Teilchendetektoren nachgewiesen werden. Gemäß dem aktuellen Stand der Forschung auf diesem Gebiet wären die entstehenden Teilchenschauer (Jets) isotroper verteilt als diejenigen, die beim Zusammenstoß hochenergetischer Teilchen entstehen, und daher von ihnen zu unterscheiden.

Existenz Bearbeiten

Alle Größen sind in Natürlichen Einheiten angegeben.

Entsprechend der Theorie Schwarzer Löcher sind Schwarzschild-Radius und Masse eines Schwarzen Lochs proportional zueinander. Da man davon ausgeht, dass unterhalb der Planck-Länge Quanteneffekte dominant werden und keine stabilen Schwarzen Löcher mehr existieren können, gibt es damit auch eine untere Grenze für die Masse eines Schwarzen Loches, welche ca. 1,22 × 1016 TeV/c2 (ca. 22 Mikrogramm) beträgt. Dies lässt die Erzeugung Schwarzer Löcher im Labor erst einmal unmöglich erscheinen, da die maximal erreichbare Energie im größten Teilchenbeschleuniger (dem LHC) nur einige TeV beträgt, also 16 Größenordnungen zu wenig.

Dieses Bild verändert sich allerdings, wenn man die Theorie um so genannte large extra dimensions (dt. „große zusätzliche Dimensionen“) erweitert. Darunter versteht man kompakte zusätzliche Raumdimensionen, wobei das „groß“ (deutlich unter einem Millimeter, noch größere sind bereits durch Beobachtungen ausgeschlossen) hier in Relation zu anderen Theorien zu verstehen ist. Solche Zusatzdimensionen ergeben sich natürlicherweise in sehr vielen Modellen der Stringtheorie.

Unter dieser Voraussetzung verändert sich das Gravitationsgesetz, sobald man Energien erreicht, welche dem Radius dieser Extradimensionen entsprechen. Dies verändert auch die Massenskala, oberhalb derer die Existenz Schwarzer Löcher möglich ist:

wobei  die Planck-Masse ist,  die Anzahl der zusätzlichen Dimensionen,  die neue fundamentale Massenskala und  der Radius der Extradimensionen.

Nimmt man z. B. an, dass drei Zusatzdimensionen mit einem Radius von ca. 1 eV−1 existieren, ergibt sich eine Masse von ca. 0,16 TeV für die effektive Planckmasse und damit die Möglichkeit, Schwarze Löcher im Labor herzustellen.

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, dass Schwarze Löcher bei der Kollision kosmischer Strahlung mit Bestandteilen der Erdatmosphäre entstehen. Dies konnte bislang nicht nachgewiesen werden, Fortschritte lassen sich zukünftig vielleicht durch das 2004 in Betrieb gegangene Pierre-Auger-Observatorium erzielen.

Lebenszeit Bearbeiten

Die Lebenszeit solcher kleinen Schwarzen Löcher wäre vermutlich sehr kurz, weil sie, wie wahrscheinlich alle Schwarzen Löcher, durch die Hawking-Strahlung an Masse verlieren und schließlich verdampfen sollten. Da die Lebenszeit proportional zur dritten Potenz der Masse ist, ergibt sich bei kleinen Schwarzen Löchern eine nicht beobachtbar kurze Lebenszeit. Nachweisbar wären sie potenziell durch die bei ihrem Zerfall entstehenden Elementarteilchen. Allerdings ist nicht eindeutig geklärt, ob der Hawking-Effekt ohne Modifikation auch in diesem Fall anwendbar ist, da seine Herleitung auf einer vernachlässigbaren Krümmung des Ereignishorizontes beruht, d. h. auf „hinreichend“ großer Masse.

Man geht davon aus, dass der Zerfall in mehreren Phasen stattfindet. Wie dies genau vor sich geht und ob es ein „Relikt“ gibt oder der Zerfall vollständig stattfindet, ist Gegenstand aktueller Forschung und nicht abschließend geklärt. So wird zurzeit im LHC die mögliche Entstehung und der Zerfall untersucht.

Literatur Bearbeiten

Populärwissenschaftlich Bearbeiten

Reviews Bearbeiten

  • Steven B. Giddings: Black Holes at Accelerators. In: G. W. Gibbons, E. Paul S. Shellard (Hrsg.): The future of theoretical physics and cosmology: celebrating Stephen Hawking’s 60th birthday. Cambridge University Press, 2003, ISBN 0-521-82081-2, S. 278–291, arxiv:hep-th/0205027.
  • Panagiota Kanti: Black Holes in Theories with Large Extra Dimensions: a Review. In: Int.J.Mod.Phys. A19, 2004, S. 4899–4951, doi:10.1142/S0217751X04018324, arxiv:hep-ph/0402168.
  • Sabine Hossenfelder: What Black Holes Can Teach Us. 2004, arxiv:hep-ph/0412265.

Originalliteratur (Auswahl) Bearbeiten

Zur Hawkingstrahlung:

  • Stephen Hawking: Particle creation by black holes. In: Communications in mathematical physics. Band 43, Nr. 3, 1975, S. 199–220 (Open Access).
  • Stephen Hawking: Breakdown of predictability in gravitational collapse. In: Physical Review D. Band 14, Nr. 10, 1976, S. 2460–2473, doi:10.1103/PhysRevD.14.2460.

Zur möglichen Produktion in Beschleunigern:

Zur möglichen Produktion durch kosmische Strahlung:

Einzelnachweise Bearbeiten

  1. First beam in the LHC - accelerating science. CERN Press Office, 10. September 2008 (Pressemeldung).
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Veröffentlichungsdatum:
Das Micro Black Hole englisch fur Mikro Schwarzes Loch ist ein hypothetisches sehr kleines und leichtes Schwarzes Loch Mitte der 1970er Jahre stellte Roger Penrose die Vermutung auf Schwarze Locher konnten auch im Labor erzeugt werden Es gibt Theorien nach denen es moglich ist mit dem Large Hadron Collider LHC der am 10 September 2008 1 in Betrieb genommen wurde solche Schwarzen Locher bis zu einmal pro Sekunde zu erzeugen Dies setzt jedoch die Existenz zusatzlicher kompakter Raumdimensionen voraus welche u a von bestimmten Modellen der Stringtheorie vorhergesagt werden Solche Schwarzen Locher waren nicht vergleichbar mit stellaren Schwarzen Lochern die kosmologisch beobachtet werden Ihre Ausmasse lagen in der Grossenordnung von Elementarteilchen Auf Grund von Quanteneffekten Hawking Strahlung wurden sie hochstwahrscheinlich sehr kurze Zeit nach ihrer Entstehung schon wieder zerstrahlen Die dabei entstehenden Elementarteilchen konnten mittels Teilchendetektoren nachgewiesen werden Gemass dem aktuellen Stand der Forschung auf diesem Gebiet waren die entstehenden Teilchenschauer Jets isotroper verteilt als diejenigen die beim Zusammenstoss hochenergetischer Teilchen entstehen und daher von ihnen zu unterscheiden Inhaltsverzeichnis 1 Existenz 2 Lebenszeit 3 Literatur 3 1 Popularwissenschaftlich 3 2 Reviews 3 3 Originalliteratur Auswahl 4 EinzelnachweiseExistenz BearbeitenAlle Grossen sind in Naturlichen Einheiten angegeben Entsprechend der Theorie Schwarzer Locher sind Schwarzschild Radius und Masse eines Schwarzen Lochs proportional zueinander Da man davon ausgeht dass unterhalb der Planck Lange Quanteneffekte dominant werden und keine stabilen Schwarzen Locher mehr existieren konnen gibt es damit auch eine untere Grenze fur die Masse eines Schwarzen Loches welche ca 1 22 1016 TeV c2 ca 22 Mikrogramm betragt Dies lasst die Erzeugung Schwarzer Locher im Labor erst einmal unmoglich erscheinen da die maximal erreichbare Energie im grossten Teilchenbeschleuniger dem LHC nur einige TeV betragt also 16 Grossenordnungen zu wenig Dieses Bild verandert sich allerdings wenn man die Theorie um so genannte large extra dimensions dt grosse zusatzliche Dimensionen erweitert Darunter versteht man kompakte zusatzliche Raumdimensionen wobei das gross deutlich unter einem Millimeter noch grossere sind bereits durch Beobachtungen ausgeschlossen hier in Relation zu anderen Theorien zu verstehen ist Solche Zusatzdimensionen ergeben sich naturlicherweise in sehr vielen Modellen der Stringtheorie Unter dieser Voraussetzung verandert sich das Gravitationsgesetz sobald man Energien erreicht welche dem Radius dieser Extradimensionen entsprechen Dies verandert auch die Massenskala oberhalb derer die Existenz Schwarzer Locher moglich ist m p 2 m f d 2 R d displaystyle m text p 2 m text f d 2 R d nbsp wobei m p displaystyle m text p nbsp die Planck Masse ist d displaystyle d nbsp die Anzahl der zusatzlichen Dimensionen m f displaystyle m text f nbsp die neue fundamentale Massenskala und R displaystyle R nbsp der Radius der Extradimensionen Nimmt man z B an dass drei Zusatzdimensionen mit einem Radius von ca 1 eV 1 existieren ergibt sich eine Masse von ca 0 16 TeV fur die effektive Planckmasse und damit die Moglichkeit Schwarze Locher im Labor herzustellen Eine weitere Moglichkeit besteht darin dass Schwarze Locher bei der Kollision kosmischer Strahlung mit Bestandteilen der Erdatmosphare entstehen Dies konnte bislang nicht nachgewiesen werden Fortschritte lassen sich zukunftig vielleicht durch das 2004 in Betrieb gegangene Pierre Auger Observatorium erzielen Lebenszeit BearbeitenDie Lebenszeit solcher kleinen Schwarzen Locher ware vermutlich sehr kurz weil sie wie wahrscheinlich alle Schwarzen Locher durch die Hawking Strahlung an Masse verlieren und schliesslich verdampfen sollten Da die Lebenszeit proportional zur dritten Potenz der Masse ist ergibt sich bei kleinen Schwarzen Lochern eine nicht beobachtbar kurze Lebenszeit Nachweisbar waren sie potenziell durch die bei ihrem Zerfall entstehenden Elementarteilchen Allerdings ist nicht eindeutig geklart ob der Hawking Effekt ohne Modifikation auch in diesem Fall anwendbar ist da seine Herleitung auf einer vernachlassigbaren Krummung des Ereignishorizontes beruht d h auf hinreichend grosser Masse Man geht davon aus dass der Zerfall in mehreren Phasen stattfindet Wie dies genau vor sich geht und ob es ein Relikt gibt oder der Zerfall vollstandig stattfindet ist Gegenstand aktueller Forschung und nicht abschliessend geklart So wird zurzeit im LHC die mogliche Entstehung und der Zerfall untersucht Literatur BearbeitenPopularwissenschaftlich Bearbeiten Ulf von Rauchhaupt In anderen Dimensionen Frankfurter Allgemeine Sonntagszeitung 14 Mai 2006 S 74 75 Bernard J Carr Steven B Giddings Schwarze Locher im Labor In Spektrum der Wissenschaft September 2005 S 32 Norbert Frischauf Weltuntergang am CERN Von Energien Dimensionen und schwarzen Lochern Online Magazin Der Orion Reviews 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