Schwarze Löcher

Was ist ein Schwarzes Loch?

Ein Schwarzes Loch ist ein Ort, an dem eine große Masse auf winzigem Raum zusammengepresst ist. Das Ergebnis ist eine so starke Schwerkraft, dass jenseits einer bestimmten Grenze nichts mehr herauskommt, nicht einmal Licht.

Weil kein Licht entweicht, ist ein Schwarzes Loch selbst unsichtbar. Wir finden Schwarze Löcher, indem wir beobachten, was um sie herum geschieht: Sterne, die etwas Unsichtbares umkreisen, oder Gas, das sich beim spiralförmigen Einströmen aufheizt und leuchtet.

Die Idee entstand aus Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie, die Schwerkraft als Krümmung von Raum und Zeit durch Masse beschreibt. In der Nähe eines Schwarzen Lochs wird diese Krümmung extrem.

Der Ereignishorizont

Der Ereignishorizont ist der Rand eines Schwarzen Lochs. Außerhalb davon kann ein ausreichend schnelles Objekt noch entkommen. Innerhalb wäre die nötige Fluchtgeschwindigkeit größer als die Lichtgeschwindigkeit, die nichts erreichen kann.

Er ist keine feste Oberfläche. Ein Reisender würde beim Überqueren nichts Besonderes spüren, doch von diesem Moment an gäbe es keinen Weg zurück.

Die Größe des Horizonts hängt von der Masse ab. Bei einem Schwarzen Loch mit der Masse der Sonne wäre er nur etwa 6 km breit. Bei Sagittarius A* misst er etwa 24 Millionen km, weniger als die Merkurbahn.

Stellare und supermassereiche Schwarze Löcher

Stellare Schwarze Löcher entstehen, wenn einem sehr massereichen Stern der Brennstoff ausgeht und sein Kern kollabiert, meist in einer Supernova-Explosion. Sie haben typischerweise etwa 5 bis einige Dutzend Sonnenmassen. Unsere Galaxie könnte rund 100 Millionen davon enthalten, auch wenn bisher nur wenige gefunden wurden.

Supermassereiche Schwarze Löcher haben Millionen bis Milliarden Sonnenmassen und sitzen in den Zentren der meisten großen Galaxien. Wie sie so früh in der kosmischen Geschichte so groß werden konnten, ist noch eine offene Forschungsfrage.

Astronomen suchen auch nach mittelschweren Schwarzen Löchern zwischen diesen beiden Gruppen, und einige gute Kandidaten wurden bereits gemeldet.

Sagittarius A*, das Zentrum unserer Galaxie

Im Herzen der Milchstraße, etwa 27.000 Lichtjahre entfernt in Richtung des Sternbilds Schütze, liegt ein supermassereiches Schwarzes Loch namens Sagittarius A* (gesprochen „A-Stern“). Es hat etwa 4 Millionen Sonnenmassen.

Seine Existenz wurde bewiesen, indem man über viele Jahre Sterne verfolgte, die es auf engen Bahnen umrasen. Reinhard Genzel und Andrea Ghez, die diese Studien leiteten, erhielten dafür 2020 gemeinsam den Nobelpreis für Physik.

Sagittarius A* ist derzeit recht ruhig. Es verschluckt nur wenig Materie und leuchtet daher nur schwach im Vergleich zu den hellen Kernen mancher anderer Galaxien.

Die ersten Bilder

Im April 2019 veröffentlichte die Event-Horizon-Telescope-Kollaboration das erste Bild eines Schwarzen Lochs: M87* im Zentrum der Galaxie Messier 87, etwa 55 Millionen Lichtjahre entfernt und mit etwa 6,5 Milliarden Sonnenmassen.

Das Event Horizon Telescope ist keine einzelne Schüssel, sondern ein Netzwerk von Radioobservatorien rund um die Welt, die zusammenarbeiten und so wie ein Teleskop von der Größe der Erde wirken.

Das Bild zeigt einen leuchtenden Ring aus heißem Gas um ein dunkles Zentrum, den Schatten des Schwarzen Lochs. Im Mai 2022 veröffentlichte dasselbe Team ein Bild von Sagittarius A*, das trotz etwa 1.500-mal geringerer Masse verblüffend ähnlich aussieht. Genau diese Übereinstimmung sagt die allgemeine Relativitätstheorie voraus.

Gravitationswellen

Einstein sagte voraus, dass bewegte Massen Wellen in Raum und Zeit erzeugen, sogenannte Gravitationswellen. Wenn sie die Erde erreichen, sind sie unglaublich schwach.

Am 14. September 2015 fingen die beiden LIGO-Detektoren in den USA erstmals ein solches Signal auf. Es stammte von zwei Schwarzen Löchern mit etwa 29 und 36 Sonnenmassen, die etwa 1,3 Milliarden Lichtjahre entfernt umeinander kreisten und verschmolzen. Die Entdeckung wurde 2017 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet.

Seitdem haben LIGO, Virgo in Italien und KAGRA in Japan Hunderte Verschmelzungen aufgezeichnet und Gravitationswellen zu einem neuen Werkzeug für die Erforschung Schwarzer Löcher gemacht.

Verbreitete Irrtümer

Irrtum: Schwarze Löcher saugen alles ein. Tatsächlich zieht ein Schwarzes Loch aus sicherer Entfernung genauso wie jedes Objekt gleicher Masse. Würde die Sonne durch ein Schwarzes Loch gleicher Masse ersetzt, bliebe die Erde auf derselben Bahn, auch wenn es sehr kalt und dunkel würde.

Irrtum: Schwarze Löcher sind kosmische Staubsauger, die durch die Galaxie streifen. Das nächste bekannte Schwarze Loch ist mehr als 1.500 Lichtjahre entfernt und stellt keine Gefahr für uns dar.

Irrtum: Schwarze Löcher sind Löcher. In Wirklichkeit sind sie extrem dichte Konzentrationen von Materie. Viele rotieren zudem, und manche schleudern starke Teilchenjets aus, die weit über ihre Heimatgalaxie hinausreichen.