Schwarze Löcher

Das Jahr 2009 wurde von der UN-Vollversammlung zum Internationalen Jahr der Astronomie erklärt. Vor 400 Jahren machten Galileo Galilei und andere Gelehrte die ersten Himmelsbeobachtungen mit einem Teleskop. Die Astronomie ist eine sehr alte Wissenschaft. Schon zu allen Zeiten waren die Menschen von den Sternen fasziniert. Das Beobachten des Sternenhimmels gab häufig Anlass, über Sinn und Zweck der Bewegungen der Sterne nachzudenken (Stichwort: Tierkreiszeichen), und führte zur Bildung von allerlei Theorien über das Universum.

Wir wollen uns in dieser Sendung mit einem der interessantesten und ungewöhnlichsten Gebiete der modernen Astronomie beschäftigen, nämlich mit den schwarzen Löchern. Ein schwarzes Loch ist ein Objekt im All, dessen Anziehungskraft so gewaltig ist, dass nicht einmal Licht aus ihm entkommen kann. Deshalb kann man schwarze Löcher auch nur indirekt beobachten.

Wie entstehen schwarze Löcher?

Handelt es sich tatsächlich um wirkliche Löcher im All? Dazu müssen wir ein wenig ausholen. Der Anblick unserer Sonne und der glitzernden Sterne vermittelt gerne den Eindruck, dass das Universum unveränderlich und unvergänglich sei. Dem ist aber nicht so. Bei den Sternen ist es nicht anders als bei den Lebewesen auf der Erde, sie unterliegen einem Lebenszyklus und müssen irgendwann einmal sterben. Natürlich ist die Lebenszeit eines Sterns nach unserem Zeitempfinden unendlich lang. Es geht hier immerhin um Milliarden oder viele Millionen von Jahren. Die Lebenszeit eines Sterns hängt von seiner Masse ab. Je schwerer ein Stern ist, desto schneller verbraucht er seinen Brennstoff, der aus Wasserstoff und Helium besteht. Was aus dem toten Stern wird, ist ebenfalls abhängig von seiner Masse. Ein kleiner Stern wie unsere Sonne endet in einem sogenannten weißen Zwerg, der keine Energie mehr produzieren kann und deshalb im Laufe von Jahrmilliarden langsam auskühlt. Ein solcher Sternrest hat eine extrem hohe Dichte. Wenn man die Materie eines weißen Zwerges auf die Erde holen könnte, würde ein Stück Würfelzucker daraus eine Tonne wiegen.

Sterne, die das 1,4- bis 3-fache der Sonnenmasse besitzen, enden als sogenannte Neutronensterne. Dabei wirkt die Schwerkraft so stark, dass die ehemalige Sternmasse zu einem Körper von etwa 20 km Durchmesser zusammengedrückt wird. Die Struktur der ehemaligen Sternmaterie geht dabei völlig verloren.

Die Gravitation von Neutronensternen ist so gewaltig, dass Elektronen und Protonen ineinandergequetscht und zerstört werden. Zurück bleiben die elektrisch nicht geladenen Neutronen, die sich in riesigem Ausmaß immer weiter verdichten lassen. Ein Stück dieses Neutronenbreis in der Größe eines Stücks Würfelzucker würde auf der Erde knapp eine Milliarde Tonnen wiegen. Neutronensterne haben an ihrer Oberfläche ein Magnetfeld, das dasjenige der Erde billionenfach übertrifft. Die Schwerkraft dort ist so stark, dass die Zeit deutlich langsamer vergeht als bei uns auf der Erde. Die Lichtstrahlen werden von ihrer geraden Bahn abgelenkt, die Farben werden „röter“.
Die Verhältnisse auf einem Neutronenstern strapazieren sicher unsere Vorstellungskraft ganz ordentlich. Noch schlimmer wird es aber, wenn die Schwerkraft sogar einen Neutronenstern weiter zusammenbrechen lässt.

Dies ist dann möglich, wenn der ehemalige Stern mehr als drei Sonnenmassen aufweist. Solche Sterne werden nach ihrem Tod so stark zusammengepresst, dass die gesamte Materie in einem einzigen Punkt konzentriert wird. Es entsteht dann ein schwarzes Loch. Wie schon erwähnt, ist die Anziehungskraft so groß, dass nicht einmal Lichtstrahlen aus ihm entkommen können. Schwarze Löcher verschlingen auch Materie, die in ihre Nähe kommt; sie können sogar ganze Sterne „auffressen“. Alles, was sich ein schwarzes Loch einverleibt hat, wird in seinem Zentrum ebenfalls unendlich dicht zusammengepresst. Dadurch wird das schwarze Loch noch schwerer und noch gefräßiger.

Wenn man sich mit schwarzen Löchern beschäftigt, muss man unbedingt einige Grundaussagen der allgemeinen Relativitätstheorie kennen, weil diese eine zentrale Rolle spielt für die Erklärung des Kosmos.

Die allgemeine Relativitätstheorie wurde von Albert Einstein im Jahr 1915 zu Papier gebracht und ist das Ergebnis jahrelanger Arbeit. Früher hatte man geglaubt, wenn alle Dinge aus der Welt verschwinden, so würden Raum und Zeit noch übrig bleiben. Nach der Relativitätstheorie verschwinden aber Zeit und Raum mit den Dingen. Einstein hat eine alteingesessene physikalische Vorstellung aufgegeben, nämlich die, dass Raum und Zeit eine feste Hintergrundstruktur für das Weltgeschehen bilden. Stattdessen gibt es die Raumzeit, die durch die enthaltene Materie verzerrt und beeinflusst wird. Man kann sich diese Situation mit einem Tuch veranschaulichen. Dieses Tuch soll den dreidimensionalen Raum symbolisieren. Wenn wir jetzt auf dieses Tuch eine Kugel legen, die z.B. ein Stern sein könnte, so entsteht eine Mulde – der gekrümmte Raum. Einstein hat also erkannt, dass ein Körper wie ein Stern den ihn umgehenden Raum krümmt.

Wenn der Zentralbereich eines Sterns zusammenbricht, krümmt sich der Raum um ihn herum immer stärker, je kleiner und kompakter der Körper wird. Schwarze Löcher krümmen den Raum so stark, dass sie sich praktisch selbst aus dem Universum abschnüren.

Noch eine Bemerkung zur allgemeinen Relativitätstheorie: Sie ist neben der Quantentheorie eine der fundamentalen Neuerungen der modernen Physik. Die Existenz schwarzer Löcher wurde aufgrund von Berechnungen auf der Basis der ART (allgemeine Relativitätstheorie) bereits Jahrzehnte vor ihrer astronomischen Entdeckung vorausgesagt. Für diejenigen, die meinen, die Relativitätstheorie sei halt „theoretische Physik“, sei gesagt, dass das GPS-System nur deswegen funktioniert, weil man die Gesetzmäßigkeiten der Relativitätstheorie einbezieht. Zu den Aussagen der Relativitätstheorie gehört auch, dass die Zeit von der Schwerkraft abhängt. In einem starken Schwerefeld vergeht die Zeit langsamer als in einem schwachen. So läuft eine Uhr am Meer langsamer als auf dem Mount Everest.

Welche Eigenschaften haben schwarze Löcher; was ist bekannt?

Der Ereignishorizont ist eine sphärische Grenze, die das schwarze Loch definiert. Die Größe des Ereignishorizonts ist proportional zur Masse des zugehörigen schwarzen Lochs. Ein doppelt so schweres schwarzes Loch hat deshalb einen doppelt so großen Ereignishorizont. Jedes Objekt, das sich innerhalb dieses Ereignishorizonts befindet, kann nie mehr aus dem schwarzen Loch herauskommen und ist auch für niemanden außerhalb sichtbar, weil, wie wir schon wissen, kein Licht aus dem schwarzen Loch herauskommt. Das Herz des schwarzen Lochs, das durch die ultimative Komprimierung der gesamten Materie in seinem Inneren gebildet wird, nennt man eine Singularität. Alles, was in den Ereignishorizont hineinfällt, bewegt sich auf diese Singularität zu. Über die physikalischen Gesetze, die in der Singularität herrschen, kann die Wissenschaft nichts sagen, da an dieser Stelle sämtliche physikalischen und mathematischen Gleichungen und Erklärungsmodelle nicht mehr gelten. Das ist im wahrsten Sinne des Wortes auch ein schwarzes Loch in unserem Wissen. Einige Mathematiker glauben, dass an der Singularität ein Wurmloch sein könnte, das von dem schwarzen Loch zu einem anderen Universum führt. Das Wurmlochkonzept ist natürlich eine attraktive Sache für viele Science-Fiction-Autoren, für die Richtigkeit der These gibt es aber keinerlei wissenschaftlichen Beweis.

Um eine Vorstellung von der Stärke der Schwerkraft in einem schwarzen Loch zu bekommen, sind vielleicht folgende Zahlen interessant: Würde die Materie der Sonne in einem schwarzen Loch komprimiert, hätte es 2,9 km Durchmesser, bei der Erde wären es etwa 9 mm.

Wie kann man schwarze Löcher überhaupt nachweisen?

Da schwarze Löcher kein Licht abstrahlen, kann man sie auch nicht direkt beobachten. Man kann aber sehr gut verfolgen, was sich außerhalb von schwarzen Löchern befindet. Man kann z.B. beobachten, dass gasförmige Materie, die auf das schwarze Loch zufällt, in einer abgeflachten Wolke, der so genannten Akkretionsscheibe, herumwirbelt. Je näher das Gas in der Akkretionsscheibe dem schwarzen Loch kommt, desto dichter und heißer wird das Gas. Das Gas erhitzt sich, wenn es durch die Anziehungskraft des schwarzen Lochs zusammengedrückt wird. Diesen Prozess kennen wir von Klimaanlagen und Kühlschränken. Wenn sich Gas ausdehnt, kühlt es ab, wenn es komprimiert wird, wird es heißer. Wenn das Gas dem schwarzen Loch näher kommt und sich erhitzt, leuchtet es hell auf und sendet vor allem Röntgenstrahlen aus, die von Satelliten aufgefangen werden. Obwohl man das schwarze Loch durch ein Teleskop nicht sehen kann, können Satelliten die Strahlung der Akkretionsscheibe entdecken, die um es herumwirbelt.

Am ehesten lassen sich diese rätselhaften Objekte jedoch durch eine besondere Eigenschaft aufspüren. Wie wir schon gehört haben, besagt die Relativitätstheorie, dass große Massen den Raum krümmen. Galaxien können z.B. Mehrfachbilder von Objekten erzeugen, die weit hinter ihnen im All stehen. Sie wirken damit als Gravitationslinsen.

Was eine Gravitationslinse ist, lässt sich nur unter Zuhilfenahme der ART erklären. Nach der Newton’schen Physik ist die Gravitationskraft zwischen zwei Körpern proportional zu den Massen – je mehr Masse zwei Körper haben, desto stärker ziehen sie einander an. Lichtteilchen besitzen gar keine Masse, so dass die Gravitation eigentlich nicht auf sie wirken sollte. Einsteins Theorie hingegen besagt etwas anderes, nämlich, dass die Gravitation auf alles wirkt, was Energie aufweist – eine Masse muss es nicht unbedingt haben. Folglich können auch Lichtstrahlen von ihrer geraden Bahn abgelenkt werden, wenn sie das Gravitationsfeld von Sternen durchqueren.

Schwarze Löcher finden in der unmittelbaren Umgebung in der Regel genügend „Futter“ wie Gas, Staub und gleich ganze Sterne, die sie mit ihrer starken Gravitationskraft aufsaugen können. Es gibt aber auch das Phänomen, dass sie Materie mit hoher Energie von sich wegschleudern – in Form stark gebündelter Materieströme, sogenannter Jets. Diese Jets erreichen nahezu Lichtgeschwindigkeit und gelten als die energiereichsten Objekte im Universum.

Sind schwarze Löcher alle gleich groß?

Schwarze Löcher haben sehr unterschiedliche Größen, es gibt z.B. kleine stellare schwarze Löcher. Im April 2008 war in Spiegel Online zu lesen: „Forscher wiegen kleinstes bekanntes schwarzes Loch“. Im Sternbild Altar gibt es ein schwarzes Loch, das nur einen Durchmesser von 24 Kilometern hat und dabei immerhin vier Sonnenmassen wiegt. Das andere Extrem sind supermassive schwarze Löcher. Im Juni 2009 konnte man nachlesen, dass Astronomen die Masse eines schwarzen Lochs im Sternbild Jungfrau bestimmt haben. Es hat unvorstellbare 6,4 Mrd. Sonnenmassen, und sein Durchmesser ist größer als unser Sonnensystem. Auch in unserer Milchstraße gibt es ein riesiges schwarzes Loch mit dem Namen Sagittarius A. Die Masse beträgt 4,3 Mio. Sonnenmassen, und es liegt 23.000 bis 26.000 Lichtjahre von uns entfernt im Zentrum unserer Galaxie.

Wie lange bestehen schwarze Löcher?

Der britische Physiker Stephen Hawking ist der Meinung, dass schwarze Löcher in unvorstellbar langen Zeiträumen sozusagen verdampfen können, was zumindest theoretisch aufgrund quantenphysikalischer Phänomene auch möglich ist.

Interessant ist natürlich die Frage, was im Innersten eines schwarzen Lochs vor sich geht. Bekanntlich geht ja im Universum keine Energie verloren, also muss auch die von einem schwarzen Loch verschluckte Materie und Energie irgendwo hingehen. Könnte es vielleicht sein, dass die Energie sozusagen in einer anderen Dimension wieder auftaucht? Im Internet kann man inzwischen viele Mutmaßungen über weiße Löcher lesen. Es gibt auch verschiedene physikalische Vorstellungen von Parallelwelten, z.B. bei der Interpretation der Quanteneffekte.

Eines ist jedenfalls sicher: In unserem Universum gibt es ein ständiges Werden und Vergehen. Wir sind noch weit davon entfernt, die „Geheimnisse des Universums“ zu verstehen. Im derzeitigen kosmologischen Weltbild klaffen auch große Wissenslücken, z.B. kann man nach wie vor nicht erklären, woraus denn die dunkle Materie und die dunkle Energie bestehen, die für die Gravitation im Universum notwendig sind.