Schwarze Löcher sind aus der Astrophysik in die alltägliche Vorstellung entwichen. Doch die Lücken in unserem Wissen über ihre Natur und möglicherweise sogar ihre Existenz sind beträchtlich.
Schwarze Löcher wurden aus Theorie geboren, nicht aus Beobachtung. Wir kennen konventionelle Sterne, seit wir in einen klaren Nachthimmel blicken können.
Aber niemand hat jemals ein Schwarzes Loch gesehen. Stattdessen wurde ihre Existenz zu einer Zeit vorhergesagt, als es keine Möglichkeit gab, zu überprüfen, ob es so etwas da draußen gibt. Und diese Vorhersage traf nicht nur einmal, sondern zweimal ein.
Wer war der erste Mensch, der Schwarze Löcher untersuchte?
Die ersten inspirierten Gedanken zu diesem Thema stammten aus dem 18. Jahrhundert. Der Mann, der sich das ausgedacht hat, was er „dunkle Sterne“ nannte, war John Michell, ein Cambridge-Wissenschaftler, der später Geistlicher wurde. Von seinem Pfarrhaus stammte das Konzept, das zwei Schlüsselideen der damaligen neuesten Wissenschaft kombinierte.
Einer war die Fluchtgeschwindigkeit. Michell wusste, dass auf eine Kugel, die direkt in die Luft geschossen wird, nur zwei Kräfte wirken, sobald sie die Waffe verlässt – Luftwiderstand und Schwerkraft.
Wenn es höher wird, werden beide Kräfte schwächer. Die Luft wird dünner und, wie Newton deutlich gemacht hatte, nimmt die Anziehungskraft der Schwerkraft mit dem Quadrat des Abstands zwischen den Mittelpunkten der beteiligten Körper – in diesem Fall der Kugel und der Erde – ab.
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Eine typische Kugel aus den Schwarzpulverkanonen von Michells Tagen konnte bis zu 300 Meter pro Sekunde schnell fliegen. Aber trotz dieser beeindruckenden Geschwindigkeit brachten die Kräfte, die sie verlangsamten, die Kugel zurück auf die Erde.
Michell wusste jedoch, dass eine etwa 37-mal schnellere Kugel die Anziehungskraft der Erde überwinden und in den Weltraum fliegen könnte. Es hätte Fluchtgeschwindigkeit erreicht.
Er kombinierte diese Idee mit einer Entdeckung aus den 1670er Jahren, als der dänische Astronom Ole Rømer erkannte, dass eine offensichtliche Variation im Zeitpunkt der Jupitermonde durch die unterschiedliche Zeit verursacht wurde, die das Licht brauchte, um uns vom Planeten zu erreichen.
Seit der Antike gab es Streitigkeiten darüber, ob sich Licht sofort fortbewegte oder nur extrem schnell.
Rømer fand Beweise für eine messbare Geschwindigkeit, da die sich ändernden relativen Positionen von Jupiter und Erde in ihren Umlaufbahnen die Zeit variierten, die das Licht brauchte, um uns zu erreichen. Er berechnete die Lichtgeschwindigkeit auf etwa 220.000 km/s.
In den folgenden 100 Jahren wurde diese Zahl genauer gemessen, sodass Michell mit etwas näher an unseren heutigen 300.000 km/s arbeitete. Aber der spezifische Wert spielte keine Rolle – der Punkt war, dass Licht eine Geschwindigkeit hatte.
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Michell kombinierte die beiden Konzepte Fluchtgeschwindigkeit und Licht mit endlicher Geschwindigkeit und fragte sich, was passieren würde, wenn ein massereicher Stern eine Fluchtgeschwindigkeit hätte, die über der Lichtgeschwindigkeit liegt. Je mehr Masse in einem Körper ist, desto höher ist seine Fluchtgeschwindigkeit.
Daher könnte es im Prinzip einen Stern geben, der so massereich ist, dass nicht einmal Licht aus ihm entweichen würde. Ein solcher „dunkler Stern“ müsste riesig sein. Obwohl die Fluchtgeschwindigkeit von der Sonnenoberfläche beispielsweise über 600 km/s beträgt, ist sie immer noch weit unter der Lichtgeschwindigkeit.
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Michells Theorie basierte auf einer falschen Annahme – Licht bestehe aus normalen Teilchen, die wie jedes andere Projektil durch die Schwerkraft abgebremst werden könnten. Aber die Idee dieser mysteriösen „dunklen Sterne“ ging in die Geschichte ein.
Spulen wir ins 20. Jahrhundert vor und Karl Schwarzschild hat die Theorien in der Hitze und dem Schrecken des Ersten Weltkriegs wiederbelebt. Es war 1915 und der 41-jährige deutsche Physiker hatte sich freiwillig zur Wehrmacht gemeldet.
Irgendwie, vielleicht als Ablenkung von der Verwüstung um ihn herum, fand er Zeit, über Einsteins elegante Gleichungen und seine brandneue Theorie der Allgemeinen Relativitätstheorie nachzudenken.
Einsteins Gleichungen sind zu komplex, um eine universelle Lösung zu liefern, aber Schwarzschild löste sie für den Spezialfall eines kugelförmigen Körpers, der sich nicht drehte.
Aus der Mathematik ging hervor, dass, wenn die gesamte Masse dieses Körpers in eine Kugel von einer Größe, die heute Schwarzschild-Radius genannt wird, zusammengepfercht wäre, die Verzerrung der Raumzeit so groß wäre, dass das Licht des Objekts niemals entweichen würde. Alles, was näher als eine Kugel um den Körper dieses Radius ist, würde durch eine Oberfläche ohne Wiederkehr reisen, den Ereignishorizont des Schwarzen Lochs.
Die offensichtlichste Quelle eines solchen Körpers wäre ein kollabierender Stern. Im Normalbetrieb wird ein Stern durch die Kernreaktionen gegen die Schwerkraft aufgewirbelt. Aber sobald diese Reaktionen nachlassen, kann Materie im Stern kollabieren.
Die Erwartung ist, dass dieser Kollaps durch einen Quanteneffekt namens Pauli-Ausschlussprinzip gestoppt wird und einen äußerst dichten Neutronenstern bildet. Wäre der Stern aber massereich genug, etwa dreimal so schwer wie die Sonne, wäre das Ausschlussprinzip überwunden und der Kollaps nicht mehr aufzuhalten.
Im Prinzip würde die Materie im Schwarzen Loch weiter bis zu einem dimensionslosen Punkt kollabieren – einer „Singularität“ mit unendlicher Dichte und einer Schwerkraft, die bei Annäherung ins Unendliche abdriftet.
In Wirklichkeit wissen wir nicht, was tatsächlich passieren würde, denn die Singularität ist ein Eingeständnis, dass unsere Physik zusammengebrochen ist.
Wie sieht man ein Schwarzes Loch?
Für eine gute Zeit nach Schwarzschild waren Schwarze Löcher rein theoretisch. Oder zumindest kollabierte Sterne, da sie ihren faszinierenderen Spitznamen noch erhalten sollten. „Schwarzes Loch“ wird oft dem amerikanischen Physiker John Wheeler zugeschrieben, aber seine Ursprünge sind rätselhaft.
Der Begriff wurde erstmals im Januar 1964 auf einem Treffen der American Association for the Advancement of Science erwähnt. Es ist nicht sicher, wer ihn verwendet hat, aber Wheeler griff den Begriff bald auf und machte ihn populär. Es mag den Anschein haben, dass die Suche nach Schwarzen Löchern Zeitverschwendung wäre.
Wie sieht man etwas, das kein Licht abgibt? Aber als sich die Physik der Schwarzen Löcher weiterentwickelte, erkannten die Wissenschaftler, dass indirekte Wege verfügbar waren.
Da Astronomen das Loch selbst nicht sehen können, müssen sie nach seinen Nebenwirkungen suchen. Wenn Materie in ein sich drehendes Loch gezogen wird, und so ziemlich alles im Universum dreht sich, sollte es eine „Akkretionsscheibe“ erzeugen, die aufgrund von Reibung hell leuchtet, und würde auch markante „Jets“ von den Polen erzeugen. P>
Dann gibt es die Gravitationseffekte. Wir könnten nahegelegene Körper sehen, die vom Schwarzen Loch beeinflusst wurden. Dies ist eine ehrwürdige Technik, die in der Vergangenheit verwendet wurde, um auf die Existenz von Neptun zu schließen. Astronomen untersuchten, wie die Umlaufbahnen der anderen Planeten durch Neptuns Anziehungskraft beeinflusst wurden.
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Schließlich gibt es noch die „Hawking-Strahlung“. Stephen Hawking überraschte sich selbst genauso wie alle anderen, als er 1974 erkannte, dass Schwarze Löcher nicht wirklich schwarz sein können.
Die Idee entstand aus seinem Verständnis der Quantenphysik – der Wissenschaft, die sehr kleine Dinge beherrscht – und insbesondere des „Unschärfeprinzips“. Dies besagt, dass lokalisierte Energie über kurze Zeiträume erheblich schwanken kann, wodurch Paare von Quantenteilchen entstehen und dann wieder verschwinden können, bevor sie beobachtet werden.
Geschieht dies in der Nähe des Ereignishorizonts eines Schwarzen Lochs, könnte eines dieser „virtuellen“ Teilchen angezogen werden, während das andere davonfliegt. Diese Streupartikel bilden die Hawking-Strahlung. Es ist unwahrscheinlich, dass dies auf große Entfernung erkennbar ist.
Nach Schwarzschilds Lösung schienen Schwarze Löcher das natürliche Ende für die richtige Art von Sternen mit mindestens der dreifachen Sonnenmasse zu sein. Aber diese besondere Größenordnung ist keine Einschränkung des Schwarzen Lochs selbst, sondern lediglich des Entstehungsmechanismus.
Im Prinzip könnten Schwarze Löcher in jeder Größenordnung von mikroskopisch bis hin zu Millionen Sonnenmassen existieren. Es gibt im Großen und Ganzen vier Kategorien, von denen zwei wahrscheinlich entdeckt wurden.
Am winzigen, völlig hypothetischen Ende der Skala befinden sich Mikro-Schwarze Löcher und Quanten-Schwarze Löcher. Ein Mikro-Schwarzes Loch würde sich zum Beispiel bilden, wenn die Erde zusammenbricht und einen Ereignishorizont von etwa 9 mm Durchmesser bildet, obwohl es glücklicherweise keinen bekannten Mechanismus dafür gibt.
Quantenschwarze Löcher sind noch kleiner, ab einer Größenordnung von etwa 5.000 Protonen aufwärts. Im Prinzip könnten sie in einem Teilchenbeschleuniger hergestellt werden und würden fast sofort zerfallen.
Gegenwärtige Beschleuniger haben nicht die Energie, um ohne Hilfe einen zu produzieren, aber wenn das Universum zusätzliche Dimensionen hat, könnte dies die Energieschwelle auf etwas Zugängliches reduzieren.
Der beste Beweis, den wir für herkömmliche Schwarze Löcher haben, die durch den Kollaps eines sterbenden Sterns entstanden sind, sind Röntgendoppelsterne.
In diesen Objekten wird Materie von einem normalen Stern zu einem unsichtbaren Stern beschleunigt und gibt dabei Röntgenstrahlen ab. Dies kann bei einem Neutronenstern passieren, aber wenn der „fressende“ Stern mehr als etwa die dreifache Masse der Sonne hat, sollte es sich theoretisch um ein Schwarzes Loch handeln.
Das erste Röntgen-Binärsystem, von dem allgemein anerkannt wurde, dass es ein Schwarzes Loch enthält, war Cygnus X-1. Eine starke Röntgenquelle wurde 1964 entdeckt und 1971 als Kandidat für ein Schwarzes Loch identifiziert.
Ein blauer Überriesenstern im Doppelstern wurde von der Röntgenquelle von Material befreit, das eine Masse im Bereich des 9- bis 15-fachen der Sonne zu haben schien.
1975 schlossen Kip Thorne und Stephen Hawking eine Wette ab, ob es sich tatsächlich um ein Schwarzes Loch handelte. Hawking, auf der „Nein“-Seite, zahlte 1990, als bessere Beobachtungsdaten erhalten wurden.
Zurück zu den Grundlagen des Schwarzen Lochs
Seit 1990 ist die Identifizierung von Cygnus X-1 weniger sicher geworden. Dies liegt daran, dass der Begleitstern sehr groß ist, was es schwierig macht, die Masse seines „kompakten Objekts“ als Begleiter zu bestimmen.
Seitdem wurden viele andere Kandidaten entdeckt, obwohl die Beweise indirekt bleiben und auf theoretischen Annahmen über die maximale Größe eines Neutronensterns beruhen, die in der Praxis möglicherweise nicht bestätigt werden.
Es wird angenommen, dass supermassereiche Schwarze Löcher im Herzen der meisten Galaxien existieren und möglicherweise durch den Zusammenbruch einer dichten Gaswolke im frühen Leben der Galaxie entstanden sind.
Solche Schwarzen Löcher können eine bedeutende Rolle bei der Galaxienbildung spielen und der Galaxie einen Knotenpunkt geben, um den sie sich zusammenschließen können. Kandidaten wurden in vielen galaktischen Zentren entdeckt, dank ungewöhnlich hoher elektromagnetischer Emissionen aus diesen Regionen und der seltsamen Bewegung naher Sterne.
Ein Stern namens S2 umkreist das Zentrum der Milchstraße mit etwa dem vierfachen Radius der Neptunbahn.
Aus der Bahn von S2 geht hervor, dass es etwas mit einer Masse von etwa 4,3 Millionen Sonnenmassen umkreist. Das Objekt stimmt mit der Position einer intensiven Radioquelle namens Sagittarius A* überein, und dafür gibt es derzeit keine andere Erklärung als ein supermassereiches Schwarzes Loch.
An anderer Stelle gibt die Sternenzerstörung einen Hinweis. Es wird angenommen, dass ungewöhnlich helle Lichtsignaturen in fernen Galaxien Sterne sind, die von supermassiven Schwarzen Löchern auseinandergerissen werden.
Alles ist jedoch nicht sicher. Eine Studie aus dem Jahr 2014 deutete darauf hin, dass sich Schwarze Löcher überhaupt nicht bilden werden. Die Autoren schlagen vor, dass die Hawking-Strahlung beim Kollaps eines Sterns die Masse des Sterns so weit reduzieren würde, dass das Schwarze Loch niemals seine Vollendung erreicht.
Es gäbe einen ultradichten Körper, der sich wie ein Schwarzes Loch verhält, aber ohne die Singularität oder den Ereignishorizont.
Das Papier wird nicht allgemein akzeptiert, zeigt aber, wie unser Verständnis von Schwarzen Löchern hauptsächlich von der Theorie bestimmt wird. Was auch immer die Realität ist, wir können mit weiteren Überraschungen rechnen.