Ein in einem Labor kontrollierter supraflüssiger Wirbel hilft Physikern, mehr über das Verhalten von Schwarzen Löchern zu erfahren.
Ein in Helium erzeugter Whirlpool, der auf einen Bruchteil über dem absoluten Nullpunkt abgekühlt ist, ahmt die Gravitationsumgebung dieser Objekte mit so hoher Präzision nach, dass er beispiellose Einblicke in die Art und Weise ermöglicht, wie sie die Raumzeit um sich herum ziehen und verzerren.
„Der Einsatz von superflüssigem Helium hat es uns ermöglicht, winzige Oberflächenwellen detaillierter und genauer zu untersuchen als mit unseren vorherigen Experimenten in Wasser“, erklärt der Physiker Patrik Švančara von der Universität Nottingham im Vereinigten Königreich, der die Forschung leitete.
„Da die Viskosität von supraflüssigem Helium extrem gering ist, konnten wir ihre Wechselwirkung mit dem supraflüssigen Tornado akribisch untersuchen und die Ergebnisse mit unseren eigenen theoretischen Prognosen vergleichen.“
Schwarze Löcher sind wahrscheinlich die seltsamsten und extremsten Objekte in einem ganzen Universum aus sehr seltsamen Dingen. Sie sind außerdem bekanntermaßen schwierig zu studieren. Sie geben keine Strahlung ab, die wir wahrnehmen können; Wir können nur Licht aus dem Raum sehen, der sie unmittelbar umgibt. Aber wir haben einige sehr gute theoretische Studien, die ihr beobachtetes Verhalten ziemlich genau beschreiben können.
Eine Möglichkeit, mehr über sie zu erfahren, besteht darin, Analoga zu Schwarzen Löchern zu schaffen. Hierbei handelt es sich um Experimente, die die Theorie der Schwarzen Löcher nachbilden können, um andere Aspekte ihres Verhaltens aufzuklären. Eine Art Analogon zu Schwarzen Löchern ist ein Wirbel oder Whirlpool.
Jedes Material, das einem Schwarzen Loch nahe genug kommt, beginnt um es herumzuwirbeln und dann darauf zu fallen, wie Wasser, das kreist und in einen Abfluss gurgelt.
Dieser Vergleich ist so treffend, dass Wissenschaftler sogar Wasserwirbel gebaut haben, um das Verhalten von Schwarzen Löchern zu untersuchen. Švančara und seine Kollegen wollten jedoch noch einen Schritt weiter gehen – mit superflüssigem Helium.
Dabei handelt es sich um ein Heliumisotop – Helium-4 – das auf -271 Grad Celsius (-456 Fahrenheit) abgekühlt wurde, knapp über dem absoluten Nullpunkt. Bei dieser extrem kalten Temperatur verlangsamen sich die Bosonen in Helium-4 so weit, dass sie sich überlappen und sich wie ein Superatom verhalten – eine Flüssigkeit ohne Viskosität oder Superflüssigkeit.
Das Team nutzte die ungewöhnlichen Quanteneigenschaften von supraflüssigem Helium-4, um eine Art „Quantentornado“ zu erzeugen.
„Superflüssiges Helium enthält winzige Objekte, sogenannte Quantenwirbel, die dazu neigen, sich voneinander zu entfernen“, sagt Švančara. „In unserem Aufbau ist es uns gelungen, Zehntausende dieser Quanten in einem kompakten Objekt einzuschließen, das einem kleinen Tornado ähnelt, und so eine Wirbelströmung mit rekordverdächtiger Stärke im Bereich der Quantenflüssigkeiten zu erreichen.“
Durch die Untersuchung dieses Tornados konnten die Forscher Ähnlichkeiten zwischen der Wirbelströmung und dem Einfluss eines rotierenden Schwarzen Lochs auf die gekrümmte Raumzeit um ihn herum feststellen. Insbesondere beobachteten die Forscher stehende Wellen, die den Bindungszuständen eines Schwarzen Lochs ähneln, und Anregungen, die dem Abklingen eines neu gebildeten Schwarzen Lochs ähneln.
Und das ist erst der Anfang. Nachdem die Forscher nun gezeigt haben, dass ihr Experiment wie beabsichtigt funktioniert, ist der Vortex bereit, ein neues Gebiet der Schwarzlochforschung zu erschließen.
„Als wir 2017 in unserem ersten analogen Experiment erstmals klare Anzeichen der Physik Schwarzer Löcher beobachteten, war das ein Durchbruch für das Verständnis einiger der bizarren Phänomene, deren Erforschung auf andere Weise oft schwierig, wenn nicht gar unmöglich ist“, sagt die Physikerin Silke Weinfurtner der Universität Nottingham.
„Mit unserem ausgefeilteren Experiment haben wir diese Forschung nun auf die nächste Ebene gebracht, die uns schließlich dazu führen könnte, vorherzusagen, wie sich Quantenfelder in gekrümmten Raumzeiten um astrophysikalische Schwarze Löcher verhalten.“
Die Forschung wurde veröffentlicht in Natur.