Die Bürde der Erinnerung – warum Information schwarze Löcher stabiler macht

Schwarze Löcher (Abb.1) sind rätselhafte Erscheinungen. Sie sind unsichtbar und bestehen doch aus dichter Masse. Sie schlucken alles, was in ihre Nähe kommt, wie Sterne und Licht, und machen sich doch kaum bemerkbar. Forscherinnen und Forscher erkennen schwarze Löcher nur an dem, was in deren Umgebung geschieht. Sie messen die veränderten Bahnen von Sternen oder das abgelenkte Licht. Die ersten schwarzen Löcher könnten sich direkt mit dem Urknall gebildet haben, soweit die wissenschaftlichen Vermutungen. Das älteste bisher tatsächlich beobachtete Objekt ist jedoch „erst“ etwa 400 Millionen Jahre nach dem Urknall entstanden, und damit mehr als 13 Milliarden Jahre alt. Entdeckt wurde es mit dem James-Webb-Weltraumteleskop.

Meine Abteilung „Teilchenphysik und Kosmologie“ untersucht seit mehreren Jahren, wie sich schwarze Löcher im Laufe ihres Lebens verändern. Die bisher bekannten schwarzen Löcher entstehen aus Sternen mit mindestens drei Sonnenmassen, die ihrem eigenen Gravitationsdruck nicht mehr standhalten können und kollabieren. Dabei wird ihre gesamte Masse komprimiert. Über Milliarden von Jahren entwickeln sich schwarze Löcher durch zwei miteinander konkurrierende Effekte: Einerseits gewinnen sie Masse, indem sie nahe gelegene Objekte absorbieren, andererseits verlieren sie Masse, indem sie Teilchen in Form der Hawking-Strahlung emittieren.

Gespeicherte Quanteninformationen

Dieser von Stephen Hawking vorhergesagte Prozess legt nahe, dass schwarze Löcher im Laufe der Zeit langsam verdampfen. Die Theorie hat insbesondere große Bedeutung für jene schwarzen Löcher, die nicht aus sterbenden Sternen hervorgegangen sind, sondern sich möglicherweise kurz nach dem Urknall gebildet haben. Über viele Jahre ging man davon aus, dass diese primordialen schwarzen Löcher stetig schrumpfen und diejenigen mit einer Masse von weniger als etwa 10¹⁴ Gramm vollständig verschwinden. Unsere Arbeitsgruppe stellt diese Sichtweise jedoch infrage. Wir argumentieren, dass schwarze Löcher in diesem Prozess nicht einfach nur schrumpfen, sondern neue Eigenschaften entwickeln. Sie verändern ihren Zustand in Abhängigkeit von der in ihnen enthaltenen Information: Schwarze Löcher werden zu Quantenobjekten [1].

Dass schwarze Löcher Quanteninformationen speichern können, ist an sich keine neue Idee. Diese entstand mit der Bekenstein-Hawking-Entropie in den 1970er-Jahren und gab dem Rätsel eine neue Dimension. Zum einen waren sich die Physikerinnen und Physiker damals einig, dass ein schwarzes Loch die maximale Informationsspeicherkapazität besitzen muss, da es die Daten seiner eigenen Entstehungsgeschichte sowie aller Materie, die es danach verschluckt hat, in sich trägt. Zum anderen gingen sie gleichzeitig davon aus, dass diese Information keinen Einfluss auf die Dynamik, auf das „Leben“, eines schwarzen Lochs hat. Diese Annahmen wurden aber über viele Jahre von keiner Theorie untermauert – bis unsere Gruppe die entscheidende Frage stellte: Was bedeutet es eigentlich, Information effizient zu speichern?

Spuren in Gravitationswellen?

Dieses Problem sind wir mit einem grundlegend neuen Ansatz angegangen. Da unterschiedliche Systeme in der Natur Quanteninformationen speichern, bestand unsere Idee darin zu untersuchen, ob die Eigenschaften eines schwarzen Lochs bei diesem Prozess auch in anderen Systemen auftreten, welche die Energiekosten der Informationsspeicherung minimieren. Die Ergebnisse der Untersuchungen bestätigten unsere Vermutung: Schwarze Löcher verhalten sich bei der Informationsspeicherung genau wie alle anderen Quantensysteme mit maximaler Informationsspeicherkapazität – eine Erkenntnis, die für die Wissenschaft ein mächtiges Werkzeug bei der Untersuchung von Quantenobjekten liefert. Ein besonders wichtiges Phänomen, das wir dabei entdeckten, nannten wir den „Memory-burden-Effekt“ [2] – die „Bürde der Erinnerung“. Er besagt, dass die Informationslast, die ein Objekt mit sich trägt, dessen zeitliche Entwicklung maßgeblich prägt. Das heißt, je mehr Information ein Träger enthält, desto stabiler wird er. Für das schwarze Loch bedeutet dies: Je mehr Informationen es in sich trägt, desto langsamer zerfällt es. Dies eröffnet neue Perspektiven auf leichte schwarze Löcher als Dunkle Materie [3].

Unsere weiteren theoretischen Untersuchungen spezifizierten dieses Ergebnis zum „Swift-memory-burden-Effekt [4], der schnellen Bürde der Erinnerung. Diese zeigt auf, dass die Last der Informationen schwarze Löcher nicht nur stabiler macht, sondern zusätzlich auch resistenter gegenüber Störungen von außen (Abb.2). Insbesondere beeinflusst der Effekt die Dynamik, wenn schwarze Löcher miteinander verschmelzen. Er hinterlässt Spuren in den Gravitationswellen, die bei einem so gewaltigen Ereignis entstehen. „Schnell“ bezieht sich darauf, dass die Änderung des schwarzen Lochs zum Quantenobjekt und damit der Beginn des „Memory-burden-Effekts“ viel rascher vonstatten gehen kann.

„Swift memory burden“ hat weitreichende Konsequenzen: Wenn klassisch identische schwarze Löcher fusionieren, sie aber unterschiedliche Informationslasten in sich tragen, macht sich ihre Verschiedenheit in den Gravitationswellen bemerkbar – und kann auf der Erde mit speziellen Observatorien beobachtet werden. Der Effekt öffnet somit eine experimentelle Tür in die fundamentale Quantenstruktur schwarzer Löcher. Indem wir die äußeren Einflüsse, die auf das schwarze Loch einwirken, messen, können wir Rückschlüsse auf deren Struktur ziehen – eine bisher noch nie dagewesene Option. Die Bürde der Erinnerung, die ein schwarzes Loch trägt, ist für uns als Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler eine große Chance, dieses Rätsel des Universums zu lösen.

Literaturhinweise