Superradianz

Superradianz (auch Penrose-Prozess für Teilchen oder Zel'dovich-Effekt für Wellen) ist ein Mechanismus, durch den Energie aus einem rotierenden Schwarzen Loch extrahiert werden kann. Wenn eine Welle mit der richtigen Frequenz auf ein rotierendes Schwarzes Loch trifft, wird sie mit mehr Energie reflektiert, als sie mitgebracht hat. Die zusätzliche Energie stammt aus der Rotationsenergie des Schwarzen Lochs, das dabei langsamer wird.

Roger Penrose beschrieb 1969 den analogen Teilchenprozess: In der Ergosphäre (dem Bereich außerhalb des Horizonts, in dem die Raumzeit so stark mitgerissen wird, dass nichts stillstehen kann) kann ein Teilchen in zwei Teile zerfallen. Eines fällt ins Schwarze Loch, das andere entkommt mit mehr Energie als das ursprüngliche Teilchen. Die Ergosphäre existiert nur bei rotierenden Schwarzen Löchern und reicht am Äquator bis zum doppelten Schwarzschild-Radius.

Yakov Zel'dovich zeigte 1971, dass der Effekt auch für Wellen funktioniert, und schlug vor, ihn im Labor mit rotierenden Metallzylindern zu demonstrieren. 2020 gelang Marion Cromb und Kollegen an der University of Glasgow tatsächlich der experimentelle Nachweis von Superradianz mit Schallwellen an einem rotierenden Absorber.

Besonders interessant wird Superradianz in Kombination mit einem Spiegel: Wenn reflektierte Wellen erneut auf das Schwarze Loch treffen, werden sie weiter verstärkt. Dieser Rückkopplungseffekt (Schwarze-Loch-Bombe, Press und Teukolsky, 1972) kann die Energieentnahme exponentiell steigern. Ultraleichte Bosonen (hypothetische Teilchen) könnten als natürliche Spiegel fungieren und rotierende Schwarze Löcher durch diesen Mechanismus abbremsen. Die Beobachtung schnell rotierender Schwarzer Löcher kann daher Grenzen für die Existenz solcher Teilchen setzen.

In der Science-Fiction bietet Superradianz das Potenzial für Zivilisationen, die Rotationsenergie Schwarzer Löcher als Energiequelle nutzen.