Das Rätsel der Schwarzen Löcher

Die Geschichte von der Entdeckung und Erforschung der wohl bizarrsten Objekte im Universum

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Eigentlich kann man Schwarze Löcher nicht sehen, doch sie lenken mit ihrer gigantischen Schwerkraft Lichtstrahlen ab, die sie verraten. In dieser Visualisierung ist ein Schwarzen Loches in der Milchstraße dadurch zu erkennen, dass die Lichtstrahlen der Sterne im Hintergrund so abgelenkt und verzerrt werden, dass in der Mitte ein kreisrunder, schwarzer Fleck entsteht.

Sie sind unsichtbar und reißen dennoch ganze Sterne in Stücke. An ihrer Grenze bleibt die Zeit stehen und im Inneren mancher von ihnen sammeln sich Milliarden von Sonnenmassen in nur einem Punkt. Was in ihnen verschwindet, wird nie wieder auftauchen und doch können sie verdampfen. Schwarze Löcher sind faszinierend, seltsam, unheimlich und mächtig. Ohne sie würde das Universum nicht so aussehen, wie wir es kennen

Das Weltall ist voller Superlative, die unsere Vorstellungskraft auf eine harte Probe stellen. In ihm finden sich Phänomene, die so seltsam und so schwer zu begreifen sind, dass wir aus dem Staunen nicht heraus kommen. Die bizarrsten Gebilde aber, die unser Universum zu bieten hat, dürften Schwarze Löcher sein. Schon der Name irritiert: Wie kann es in der Weite des Raums Löcher geben? Und wieso schwarz? Beides klingt nach Abwesenheit von etwas: Im ersten Fall nach einem Nichts, in dem etwas spurlos verschwindet, und im zweiten nach dem Fehlen von Sichtbarkeit. Und doch besitzen die rätselhaften Objekte von einem unvorstellbar viel: gigantische Mengen an Masse nämlich, mit denen sie sich durch ihre Schwerkraft bemerkbar machen und die Welt um sich herum beherrschen. 

Ein englischer Gelehrter sagte Schwarze Löcher bereits 1763 voraus

Angesichts ihrer seltsamen Eigenschaften ist es geradezu erstaunlich, dass Forscher überhaupt auf die Spur der Schwarzen Löcher kamen. Doch bereits vor mehr als 200 Jahren hat sich erstmals ein englischer Gelehrter über solche Gebilde Gedanken gemacht – und zwar anhand einer verblüffend einfachen Überlegung. Der an der Universität von Cambridge tätige Geologe und Astronom John Michell (1724–1793) wusste, dass die Anziehungskraft (Gravitation) eines Himmelskörpers jeden Gegenstand, den man von dessen Oberfläche wegwirft, wieder zu ihm zurückzieht – es sei denn, das geworfene Objekt überschreitet eine bestimmte Geschwindigkeit. Diese so genannte Fluchtgeschwindigkeit ist umso größer, je massereicher, zugleich aber kleiner (also kompakter) der Himmelskörper ist – je mehr Anziehungskraft er also hat.

Hier ist die künstlerische Darstellung eines extrem massereichen Schwarzen Loches zu sehn, das im Zentrum einer Galaxie sitzt. Es zieht Materie an, die es sich zum Teil einverleibt, die aber teilweise auch durch komplizierte Vorgänge beschleunigt und als hell strahlenden Jet senkrecht zur Scheibe der Galaxie ins All hinausgeschleudert wird - und dabei fast Lichtgeschwindigkeit erreicht.
Illustration eines extrem massereichen Schwarzen Loches, das Materie anzieht, sich zum Teil einverleibt und zum Teil als hell strahlenden Jet mit fast Lichtgeschwindigkeit ins All hinausschleudert

Nun ist selbst die Geschwindigkeit des Lichtes nicht unendlich groß, hatte der dänische Astronom Olaf Römer bereits 1676 gezeigt und anhand von astronomischen Beobachtungen ganz gut abgeschätzt (heute wissen wir, dass sie im Vakuum 299.792 Kilometer je Sekunde beträgt). Daher folgerte Michell in einem Aufsatz aus dem Jahr 1783: Ein Stern mit einer genügend großen Masse, und entsprechend verdichtet, könnte eine derart starke Anziehungskraft entwickeln, dass es nicht einmal dem Licht mit seiner hohen Geschwindigkeit gelänge, ihm zu entkommen. Der Stern müsse deshalb vollkommen schwarz erscheinen. Mit dieser Idee von so genannten „Dunklen Sternen“ bewegte sich Michell wie auch etwas später Pierre Simon Laplace noch im Rahmen der Newtonschen Physik und sahen das Licht als einen Strom winziger Teilchen an. Den Begriff des Schwarzen Lochs prägte erst sehr viel später, 1967, John Wheeler, um jene obskuren Objekte zu bezeichnen, die nach den Vorstellungen der Allgemeinen Relativitätstheorie die Raumzeit so sehr verbiegen, dass aus ihnen nichts entweichen kann.

Eine seltsame Grenze namens „Ereignishorizont“

Schon Anfang des 20. Jahrhunderts aber lieferte Einsteins Theorie der Gravitation das theoretische Rüstzeug, um die Schwarzen Löcher und ihre merkwürdigen Eigenschaften zu beschreiben. Ein Schwarzes Loch ist – so schloss der deutsche Astronom Karl Schwarzschild 1916 – von einem Rand begrenzt, jenseits dessen es kein Zurück mehr gibt. Die Schwerkraft ist dort so ungeheuer groß, dass ein Lichtstrahl oder ein Stück Materie jenseits der Grenze für immer aus dem uns bekannten, beobachtbaren Universum verschwinden und ihr nichts entkommen kann. Der Wissenschaftler berechnete den Abstand dieser Grenze vom Zentrum des Schwarzen Lochs, den nach ihm benannten "Schwarzschild-Radius". Die Begrenzung selbst wird heute als "Ereignishorizont" bezeichnet.  

Doch damit nicht genug, . Da nach der Einstein‘schen Relativitätstheorie Energie, Masse, Raum und Zeit zusammenhängen, treten an dieser Grenze äußerst seltsame Phänomene auf. So verzerrt die Schwerkraft den Raum und die Zeit so sehr, dass das Licht am Ereignishorizont unendlich lange unterwegs ist. Die Zeit bleibt stehen und wird quasi zur Ewigkeit – zumindest für den außen stehenden Betrachter. Das Bild eines Astronauten, der in das Loch hineinstürzt, würde von außen gesehen auf dem Ereignishorizont "einfrieren". Für den Astronauten selbst jedoch würde die Zeit weitergehen und er könnte in das Innere des Schwarzen Loches fallen. 

Das historische Schwarz-Weiß-Foto zeigt den deutschen Astronomen Karl Schwarzschild. Im Jahr 1916 befasste er sich mathematisch mit den Schwarzen Löchern. Anhand der Formeln von Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie berechnete er erstmals die Größe eines solchen Monstrums. Sie wird als Ereignishorizont bezeichnet und beschreibt jene Grenze, aus der kein Lichtstrahl und keine Materie mehr der Anziehungskraft des Schwarzen Loches entkommen können.
Der deutsche Astronom Karl Schwarzschild rückte im Jahr 1916 den Schwarzen Löchern mathematisch zu Leibe. Mit den Formeln von Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie berechnete er erstmals die Größe eines solchen Monstrums: den Ereignishorizont – jene seltsame Grenze, aus der kein Lichtstrahl und keine Materie mehr entkommen können
Foto der Galaxie „Centaurus A“, in deren Zentrum sich ein supermassives Schwarzes Loch befindet, das als Quasar weithin durchs All leuchtet
Ungeheure Energien werden frei, wenn ein extrem massereiches Schwarzes Loch Materie-Jets in die Tiefe des Raums hinausschleudert, wie hier auf dem Bild der Galaxie „Centaurus A“. Als kosmische Leuchtfeuer strahlen die aktiven Zentren solcher Galaxien – Quasare genannt – weithin durchs All. Sie lieferten den ersten Beweis, dass es Schwarze Löcher tatsächlich gibt
Hier wird eine Illustration des stellaren Schwarzen Loches Cygnus X-1 gezeigt, das sich im Sternbild Schwan befindet. Rechts im Bild zu sehen ist der bläulich leuchtende Partnerstern, der das Schwarze Loch begleitet. Von ihm aus wird Materie zum Schwarzen Loch hinüber gezogen. Die Materie-Teilchen erhitzten sich durch die Reibung und formen eine glühende Scheibe, von der Teile ins Schwarze Loch stürzen, während andere als Jet senkrecht nach oben oder unten weggeschleudert werden
Stellare Schwarze Löcher entstehen, wenn ausgebrannte, massereiche Sterne unter der Last der Schwerkraft kollabieren – wie hier Cygnus X-1 im Sternbild Schwan, ein Objekt von 15 Sonnenmassen. Häufig haben sie einen Partnerstern und ziehen dessen Materie zu sich hinüber, wie die Illustration zeigt. Die von der Reibung erhitzten Teilchen formen eine glühende Scheibe, von der Teile ins Schwarze Loch stürzen, während andere als Jet weggeschleudert werden
Simulation und graphische Darstellung vom Verschmelzen zweier Schwarzer Löcher und der dadurch ausgelösten Gravitationswellen
Wenn zwei Schwarze Löcher umeinander wirbeln und schließlich verschmelzen, erschüttern die schnell bewegten, ungeheuren Massen das Raumzeitgefüge und strahlen Gravitationswellen ab – erstmals im Jahr 2017 vom LIGO-Detektor nachgewiesen und hier in einer Simulation des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik bildlich dargestellt
Illustration eines "Blazars" - eines aktiven supermassiven Schwarzen Loches, dessen Strahlen in Richtung Erde leuchten und der deshalb besonders hell erscheint
Schießen die Jets eines extrem massereichen Schwarzen Lochs direkt in Richtung Erde, erscheint die Strahlung eines Quasars besonders hell und er wird Blazar genannt (Illustration). Noch sind viele Rätsel um die finsteren Massemonster, in deren Schlund ganze Sterne verschwinden und die bekannte Physik nicht mehr gilt, ungelöst. So schwer lassen sich die Schwarzen Löcher erforschen, dass nicht abzusehen ist, ob sich all ihre Geheimnisse jemals werden enthüllen lassen