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Schwarze Löcher gehören im Universum zu den extremsten Orten. Es handelt sich um Monster, die alles verschlucken, was ihnen zu nahe kommt: Licht ebenso wie Gas, Staub und sogar ganze Sterne. Doch die Natur von Schwarzen Löchern ist ziemlich vertrackt.

von Felicitas Mokler

Lange Zeit, so schien es, existierten sie nur in den Köpfen der theoretischen Physiker – Schwarze Löcher. Seit wenigen Jahren aber ist endgültig klar: Es gibt sie wirklich. Am 14. September 2015 versetzten Gravitationswellen die Raumzeit in den amerikanischen LIGO-Detektoren erstmals messbar in Schwingung.

Der Nachweis der von Albert Einstein 100 Jahre zuvor prophezeiten Kräuselungen der Raumzeit gilt zugleich als experimenteller Beweis für die physikalische Existenz Schwarzer Löcher. Das erste gemessene Signal GW150914 rührte von zwei Schwarzen Löchern mit jeweils 36 und 29 Sonnenmassen her. Die Sonnenmasse ist eine astronomische Masseinheit, die über die Masse der Sonne definiert wird. Eine Sonnenmasse entspricht 332 946 Mal der Erdmasse. Wenige Monate später registrierten die Forscher Gravitationswellen der Quelle GW151226 von einem ähnlichen System. Diese Ereignisse rüttelten gewaltig am Raumzeitgefüge. Und bestätigten auf eindrucksvolle Weise die Existenz der Monster, der Schwarzen Löcher.

Schon Ende des 18. Jahrhunderts spekulierten die Naturforscher John Michell und Pierre-Simon Laplace über dunkle Sterne oder dunkle astrophysikalische Körper, deren Schwerkraft so stark sei, dass Licht ihnen nicht entkommen könne. Die Ideen der beiden Forscher bewegten sich noch im Rahmen der newtonschen Gravitationstheorie und der Korpuskulartheorie des Lichts.

Zu Beginn des 20. Jahrhunderts revolutionierte Albert Einstein mit seiner allgemeinen Relativitätstheorie unser Verständnis der Gravitation – und damit auch jenes von Materie, Raum und Zeit. Sein Konzept löst die klassische Vorstellung von Schwerkraft als unmittelbarer Wechselwirkung zwischen zwei Massen ab. Vielmehr sind der dreidimensionale Raum und die Zeit zu einer vierdimensionalen Raumzeit vereint und nun selbst verformbar und dynamisch. So krümmt eine Masse wie die Sonne die Raumzeit in ihrer Umgebung – je grösser und vor allem kompakter eine Masse ist, umso stärker.

Weder für Materie noch für Licht gibt es also ein Entkommen. Das macht es für Astronomen so schwierig, solche Objekte zu beobachten. Die Erklärung ist einfach: Auch um einen gewöhnlichen Himmelskörper wie etwa die Erde zu verlassen, benötigen Objekte eine von dessen Masse abhängige Mindest-Bewegungsenergie. Die Geschwindigkeit, die dazu etwa für Raketen nötig ist, heisst Fluchtgeschwindigkeit. Für ein Schwarzes Loch entspricht diese der Lichtgeschwindigkeit. Das sind 300 000 Kilometer in der Sekunde!

Wo das Sterninnere implodiert, werden die einst freien Elektronen in die positiv geladenen Atomkerne gedrückt. Die dabei freigesetzten Neutrinos transportieren bei einer solchen Supernova einen Grossteil der Energie ab und schleudern die äussere Sternhülle ins All. Die Kernmaterie hingegen fällt unter der eigenen Schwerkraft immer weiter zusammen. Betrug die Anfangsmasse des Sterns mehr als acht Sonnenmassen, entsteht schliesslich ein Schwarzes Loch. Da Sterne gewöhnlich um die eigene Achse rotieren und der Drehimpuls erhalten bleibt, geben sie diesen an das Schwarze Loch weiter.

Über die Geburt der besonders massereichen Schwarzen Löcher von einigen Millionen bis zu einer Milliarde Sonnenmassen, wie sie vermutlich in den Zentren von Galaxien ruhen, rätseln die Astronomen noch. Möglicherweise formten sie sich aus der ersten Generation von extrem schweren Sternen, die – einmal zu einem Schwarzen Loch geworden – rasch immer mehr Masse und damit auch mehr Drehimpuls aufgenommen haben. Es wird auch die Hypothese von sogenannten primordialen Schwarzen Löchern diskutiert, wonach sich diese kosmischen Schwergewichte bereits kurz nach dem Urknall zusammen mit den ersten Galaxien gebildet haben. Auch spekulieren Astronomen über die Existenz von mittelschweren Schwarzen Löchern von 100 bis einer Million Sonnenmassen, die in den Zentren grosser Kugelsternhaufen vorkommen könnten.

 

Teilchen werden herausgeschleudert

Rotiert ein Schwarzes Loch, so verformt sich sein Ereignishorizont ein wenig. Vor allem aber drehen sich die Raumzeit seiner näheren Umgebung sowie die dort vorhandene Materie mit. Dieser Einflussbereich des Schwarzen Lochs wird Ergosphäre genannt und hat die Form eines Ellipsoids. Materie, die einmal von aussen in sie hineingeraten ist, stürzt nicht unbedingt auf direktem Weg in die Raumzeitfalle, sondern rotiert zunächst mit dieser mit. Entkommen aber kann sie ihr dennoch nicht.

Um diese Phänomene richtig interpretieren zu können, versuchen die Forscher, das Verhalten rotierender Schwarzer Löcher und die physikalischen Prozesse in ihrer nächsten Umgebung nach den Gesetzen der allgemeinen Relativitätstheorie zu berechnen. Analytisch ist ihnen das zunächst nur für sehr langsam rotierende Schwarze Löcher geglückt.

Vielleicht könnten sich Schwarze Löcher aber noch auf ganz andere Weise bemerkbar machen. Denn vielleicht ist die klassische Sichtweise, nach der diesen kompakten Objekten nur Informationen über sehr wenige Eigenschaften wie Masse und – gegebenenfalls – Drehimpuls und Ladung zu entlocken sind, unvollständig. Bereits Mitte der 1970er-Jahre schlug Stephen Hawking die These vor, dass Schwarze Löcher eben doch eine bestimmte Form von Strahlung aussenden könnten, die nach ihm benannte Hawking-Strahlung. Sollten Schwarze Löcher tatsächlich eine bestimmte Art der Strahlung aussenden, dürfte es jedoch extrem schwierig werden, diese einmal zu messen.

Derzeit entsteht ein Verbund aus über den ganzen Erdball verteilten Radioteleskopen, das sogenannte Event Horizon Telescope. Mit ihm sowie mit dem Very Long Baseline Array in Chile wollen die Astronomen das galaktische Zentrum mit deutlich besserer Auflösung als zuvor ablichten. Zudem wollen sie das Herz der aktiven Galaxie M 87, die einen energiereichen Jet besitzt, genauer unter die Lupe nehmen. Dort ruht vermutlich ein extrem schweres Schwarzes Loch von 6,6 Milliarden Sonnenmassen.

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