Schwarze Löcher: kollidierende Teilchen extrahieren Energie

Die Rotationsenergie eines schwarzen Lochs ist nicht innerhalb des Ereignis­hori­zonts, sondern in der außerhalb davon liegenden Ergo­sphäre lokalisiert. In dieser Region reißt die Rotation des schwarzen Lochs die Raumzeit mit – und damit auch die darin enthal­tenen Objekte. Dieser Lense-Thirring-Effekt ermöglicht es, wie Roger Penrose bereits kurz nach der mathema­tischen Beschreibung der Kerr-Metrik bemerkte, dem schwarzen Loch Rotationsenergie zu entziehen und nach außen abzuführen. Bewegt sich nämlich ein Teil­chen mit ausreichend hoher Geschwindigkeit gegen die mitge­zogene Raumzeit, so besitzt es für einen äußeren Beobachter eine negative Energie.

Fällt nun ein Teilchen von außen in die Ergosphäre hinein und spaltet sich dort auf, so kann das eine Spalt­produkt mit nega­tiver Energie in das schwarze Loch hineinfallen, während das zweite Spaltprodukt mit positiver Energie nach außen entkommt – und zwar mit einer Energie, die größer ist als die ursprüngliche Energie des einfallenden Teilchen. Allerdings ist der maximale Energie-Überschuss bei diesem originalen Penrose-Prozess mit 20,7 Prozent nicht allzu spektakulär. Astro­physi­kalisch realis­tischer als der Zerfall eines einzelnen Teil­chens ist ohnehin eine Variante des Penrose-Prozesses, bei dem zwei von außen einfallende Teilchen in der Ergosphäre kolli­dieren. Nach dem Zusam­men­stoß hat wiederum ein Teilchen eine negative, eines eine positive Energie. Zwar lässt sich in diesem Fall theoretisch eine unbegrenzte Energie im Schwer­punkt­system erzeugen. Doch die Sache hat einen Haken: Die höchste Energie ergibt sich bei einer Kollision nahe am Ereig­nis­hori­zont, das entwei­chende Teilchen erleidet also eine starke gravi­tative Rot­ver­schiebung. So lässt sich auf diese Weise maximal fünfzig Prozent mehr Energie extra­hieren als dem schwarzen Loch zugeführt wurde.

Jeremy Schnittman vom Goddard Space Flight Center der NASA stieß nun im vergangenen Jahr auf eine merk­würdige Erschei­nung. Der Forscher simulierte den Einfall von Parti­keln der dunklen Materie in ein rotie­rendes schwarzes Loch – und erhielt Gamma­strahlen, deren Energie bis zu 13-Mal größer war als die der einfallenden Partikel. Was war hier passiert? Eine genaue Analyse zeigte: Die hohe Energie ergibt sich, wenn eines der kolli­die­renden Teilchen eine Schleifen­bahn um das schwarze Loch ausführt und sich beim Zusammen­stoß bereits wieder auf dem Weg nach außen befindet.

Doch das ist noch nicht alles, wie jetzt Emanuele Berti von der University of Missis­sippi und seine Kollegen Richard Brito und Vitor Cardoso von der Univer­sität Lissabon zeigen: Es lassen sich sogar beliebig hohe Energien extra­hieren, wenn das vor dem Zusammen­stoß nach außen laufende Teilchen ursprünglich nicht aus dem Unend­lichen gekommen ist, sondern seinerseits das Produkt einer vorhe­rigen Kollision innerhalb der Ergosphäre ist. Berück­sichtigt man auch die in diese vorherige Kolli­sion einge­flos­sene Energie, so erhält man wiederum wie bei Schnittman nur einen Energiegewinn von maximal fünfzig Prozent.

Doch Berti, Brito und Cardoso argumentieren, dass der Schnittman-Prozess eine ganze Kaskade effi­zienter Kolli­sionen auslösen kann, die ihrerseits dann die Energie entwei­chender Partikel in beliebige Höhen boosten können. Weitere Simula­tionen müssen nun zeigen, ob dieses Szenario realis­tisch ist, und wenn ja, wie häufig es auftreten könnte. Ist dieser Super-Penrose-Prozess in der Umgebung rotierender super­masse­reicher schwarzer Löcher ein generisches Phänomen, so könnte er energie­reiche Gamma­strahlung und auch hoch­energe­tische Teilchen der kosmi­schen Strah­lung produzieren. Weitere Forschungen müssten nun zeigen, ob sich noch höhere Energien durch die Einbe­ziehung von Magnet­feldern, sowie Kolli­sionen außerhalb der Äquator­ebene erzielen lassen, so das Forscher-Trio.

Rainer Kayser

OD