Schwarze Löcher sind wohl die bizarrsten Objekte der Astrophysik. Es handelt sich um besonders kompakte Objekte, die so dicht sind, dass nicht einmal das Licht ihnen zu entkommen vermag. Kann es so etwas Merkwürdiges in der Natur geben? Die aktuellen, astronomischen Beobachtungen legen genau das nahe! Verstehen lassen sich Schwarze Löcher, wenn man die Gravitation geometrisch deutet. Dies gelang zum ersten Mal niemand Geringerem als Albert Einstein (1879 - 1955), der in seinem Wunderjahr 1905 die Relativitätstheorie begründete. Ihre Erweiterung als Gravitationstheorie, als Allgemeine Relativitätstheorie (ART), gelang ihm jedoch erst viel später, im Jahre 1916. Wie deutet man Gravitation geometrisch? Wir wissen aus Erfahrung, dass Körper im Schwerefeld einer Masse wie der Erde fallen. Newton erklärte dies erfolgreich mit einer Gravitationskraft, die umso größer ist, je massereicher die beteiligten Körper sind und je näher sie sich sind. Einstein hingegen sah in der Gravitation etwas, das mit der Struktur von Raum und Zeit selbst zusammenhängt. Er verknüpfte Raum und Zeit zur Raumzeit, einem vierdimensionalen Gebilde, das Krümmungseigenschaften aufweisen kann wie ein zerklüftetes Gebirge. Keine Krümmung heißt, dass es kein Gebirge gibt. Die flache Raumzeit ist wie eine Prärie - strukturlos und eben. Im Gegensatz dazu ist die gekrümmte Raumzeit reich an Struktur: sie hat Berge und Täler. Einsteins ART besagt, dass jede Form von Energie äquivalent ist zu Masse und Krümmungen in der Raumzeit erzeugt.
Eine wichtige Konsequenz von Einsteins Theorie ist, das Massen Lichtstrahlen ablenken können. Eine Masse kann wie eine optische Linse wirken und wird deshalb auch Gravitationslinse genannt. Dass dieser merkwürdige Sachverhalt tatsächlich in der Natur geschieht, zeigt das optische Bild einer Ansammlung von Galaxien (links), das mit dem Weltraumteleskop Hubble fotografiert wurde (Credit: Kneib & Ellis, 2004, ESA/NASA). Durch die lange Belichtungszeit dieser so genannten Tiefenfeldbeobachtung ist ein besonders tiefer Blick ins Universum gelungen: Der Betrachter sieht hier keine Einzelsterne mehr, sondern nur Galaxien, die sich in unterschiedlichen, sehr hohen Entfernungen befinden! Das Besondere an diesem Foto ist aber, dass einige Galaxien eine merkwürdige Form haben. Sie sind in lange Bögen gestreckt worden. Eine aufmerksame Betrachtung zeigt, dass die Bögen sich konzentrisch um einen gemeinsamen Mittelpunkt zu formieren scheinen. Das ist kein Zufall! Die Fadenform einiger Galaxien ist nicht ihre echte, physische Gestalt; es sieht nur so aus. Zwischen diesen verzerrten Galaxien und uns als Beobachter befindet sich nämlich eine sehr große, kompakte Masse, der Galaxienhaufen mit der Katalogbezeichnung Abell 2218, der vor allem aus Dunkler Materie besteht. Diese schwere Massenansammlung wirkt nun wie eine Linse auf das Licht, das von den dahinter liegenden Galaxien kommt. Die Konsequenz ist, dass das Licht auf extrem krummen Wegen zu uns gelangt. Es wird um die kompakte Linse herum gebogen, und somit wird die optische Gestalt der Galaxien stark verzerrt. Das Resultat ist eine 'kosmische Fata Morgana', ein Trugbild, das nur mit Einsteins Theorie verstanden und berechnet werden kann. Dieses wunderbare Bild dokumentiert auf unmittelbar einsichtige Weise die Richtigkeit der ART.
Nun ist es denkbar, dass diese Ablenkung so stark ist, weil die Masse so kompakt ist, dass das Licht eingefangen wird. Genau das ist ein Schwarzes Loch: die extremste Form einer Gravitationslinse. Tatsächlich gab es - wie wir sehen werden - diese Überlegung schon lange vor Einstein im 18. Jahrhundert, angestellt von Pfarrer John Michell.
Verbiegen von Raum und Zeit
Die Dunkelheit der Schwarzen Löcher ist allerdings nur eine ihrer seltsamen Eigenschaften. Daneben haben sie erstaunliche Auswirkungen auf Raum und Zeit in ihrer Umgebung. Es stellt sich in einer relativistischen Behandlung heraus, dass diese Effekte eng miteinander zusammenhängen. Die physikalische Ursache dafür ist die enorme Krümmung von Raum und Zeit, die kompakte Massen im Allgemeinen und Schwarze Löcher im Besonderen hervorrufen. Diese Krümmung ist so gigantisch, dass Strahlung und Teilchen, die dem Schwarzen Loch zu nahe kommen für immer verloren sind. Das Schwarze Loch 'verschluckt' diese Strahlung und erscheint dem entfernten Beobachter schwarz. Eine leuchtende Uhr, die in ein Schwarzes Loch fällt, wird aus der Sicht eines entfernten Außenbeobachters mit der Annäherung röter sowie schwächer leuchten und auch langsamer ticken. An einer kritischen Grenze um das Schwarze Loch, dem Ereignishorizont, wird die Uhr stehen bleiben, was der Beobachter jedoch nicht mehr sehen wird, weil auch ihr Leuchten vollständig verdunkelt. Das Verbiegen des Raums macht sich dadurch bemerkbar, dass Testkörper, die in der Nähe des Loches einfallen, zwingend auf das Loch beschleunigt werden. Das Loch lenkt die Fallrichtung auf sich - ein Entkommen ist nur in wenigen Ausnahmefällen möglich.
Zum Begriff Schwarzes Loch
Der Relativist John Archibald Wheeler erfand den Begriff Black Hole, also Schwarzes Loch, im Jahr 1967. Tatsächlich gibt es die Löcher schon viel länger: Der deutsche Astronom Karl Schwarzschild löste Einsteins kompliziertes Formelwerk der Allgemeinen Relativitätstheorie und fand bereits 1916 eine kugelsymmetrische Lösung, die das Gravitationsfeld einer Punktmasse beschreibt: die Schwarzschild-Lösung. Heute zählt diese Lösung zur Familie der klassischen Schwarzen Löcher, von denen es noch drei weitere Formen (Reissner-Nordstrøm-Lösung, Kerr-Lösung und Kerr-Newman-Lösung) gibt, wie wir sehen werden. In diesem Artikel sollen die Begriffe Schwarzes Loch und kompaktes, dunkles Objekt streng unterschieden werden. Ein Schwarzes Loch soll ein klassisches Objekt sein, das Ereignishorizont und Singularität haben muss - was diese beiden Eigenschaften sind, wird im Weiteren klar werden. Im Gegensatz dazu soll ein kompaktes, dunkles Objekt etwas sein, das viel Masse auf wenig Raum vereint und deshalb aufgrund der ART dunkel wird. Es muss aber nicht notwendig Ereignishorizont und Singularität haben
Schwarze Löcher in der Astronomie
Die Astronomen haben am Himmel Objekte gefunden, die sehr gute Kandidaten für Schwarze Löcher sind. Sie haben verschiedene Größen (d.h. Massen) und sie rotieren sogar wie die Sterne. Schwarze Löcher haben einen festen Platz im Weltbild der modernen Physik. Die theoretische Astrophysik benötigt solche kompakten Objekte, weil sie sonst in ernsthafte Erklärungsnöte gerät:
Wie könnte man sonst die beobachteten hohen, dunklen, kompakten Massen in den Kernen der Galaxien (wie der Milchstraße) erklären? Woher sonst könnten hell leuchtende, aktive Galaxienkerne, wie die Quasare, ihre enormen Leuchtkräfte beziehen, als aus den Strahlungsprozessen, die mit der Materieaufsammlung eines Schwarzen Loches zusammenhängen? Wie sollte man die Entstehung von riesigen, gebündelten, fast lichtschnellen Materieströmen, den Jets, verstehen, die aus dem Innern aktiver Galaxien herausgeschleudert werden und schließlich die Galaxie selbst in ihrer Ausdehnung übertreffen? Wie wenn nicht unter der tragenden Rolle eines superschweren Schwarzen Loches können sich Galaxien im Kosmos entwickeln? Gibt es klassische Schwarze Löcher?
Die Existenz von kompakten, dunklen Objekten ist nicht mehr strittig, sehr wohl aber ihre Natur. Die klassischen Schwarzen Löcher vom Schwarzschild-, Reissner-Nordstrøm-, Kerr- und Kerr-Newman-Typus bieten ein paar Eigenschaften, die nicht in Konzepte der modernen Physik passen. Wie verträgt sich z.B. ein punktförmiges Objekt wie eine Punktsingularität mit der Unschärferelation der Quantentheorie? Erlaubt die Natur die Existenz von Punkten? Gibt es in der Natur Unendlichkeiten? Die moderne Physik hält nun ein paar Überraschungen bereit: Neue Zweige der Physik wie die Quantengravitation in ihrer Ausprägungsform als Stringtheorien oder Loop-Quantengravitation bieten Alternativen zum klassischen Schwarzen Loch an. Die Forscher wollen daher die unterschiedlichen Modelle an der Natur testen. Ziel ist es, durch astronomische Beobachtungen zu entscheiden, um was es sich genau bei dem kompakten, dunklen Objekt handelt.
Bei aller Fürsprache zu klassischen Schwarzen Löchern und bei all ihrer Mächtigkeit plausible Erklärungen für astronomische Beobachtungen liefern zu können: ein endgültiger Beweis für ihre Existenz steht noch aus! Aus der Sicht so manchen Theoretikers wäre dieser Beweis sogar sehr verwunderlich. Man könnte es salopp so umreißen, dass bisher etwas sehr Kompaktes, Massereiches, Dunkles am Himmel entdeckt wurde. Aber es wurden weder der Ereignishorizont, noch die Singularität exakt bestätigt. Das spornt natürlich die Astronomen an, die räumliche Auflösung ihrer Teleskope zu erhöhen. Aber vielleicht finden sie auch etwas Neues, etwas Unbekanntes. Schwarze Löcher sind das dunkelste Geheimnis der Gravitation.
Ein Schwarzes Loch ist ein Objekt, an dessen Oberfläche die Schwerkraft so stark ist, dass nichts dieses Objekt verlassen kann - noch nicht einmal Licht. Daher kann man Schwarze Löcher auch nicht direkt beobachten, sondern kann nur durch ihre Auswirkungen auf ihre Umgebung auf ihre Existenz schließen, zum Beispiel durch intensive Röntgenstrahlung die von der extrem erhitzten Materie abgestrahlt wird, die gerade in ein Schwarzes Loch hineinspiralt.
Man unterscheidet stellare Schwarze Löcher (stellar black hole) und supermassereiche Schwarze Löcher (supermassive black hole): Stellare Schwarze Löcher sind eine Folge der Sternentwicklung: Während massearme Sterne wie unsere Sonne ihr Leben recht unspektakulär als auskühlender Sternenrest beenden (als so genannter Weißer Zwerg), sieht das bei Sternen, die die vielfache Masse unserer Sonne haben anders aus: Sie explodieren am Ende ihres Lebens als Supernova und der übrig bleibende Sternenrest kann zu einem Schwarzen Loch kollabieren. Diese Schwarzen Löcher haben vielleicht acht bis 15 Mal die Masse unserer Sonne.
Supermassereiche Schwarze Löcher können die Millionen bis Milliardenfache Masse unserer Sonne haben und finden sich vermutlich in den Zentren der meisten Galaxien. Wie sie entstanden sind und wie ihre Entstehung mit der Entwicklung der Galaxien zusammenhängt ist Gegenstand aktueller Forschung.
Die Schwarzschildlösung gilt nur für wenige Schwarze Löcher Es sollte klar sein, dass diese Simulationsergebnisse sich auf Schwarze Löcher beziehen, die kugelsymmetrisch sind und keine Rotation aufweisen. Solche stationären Zustände nehmen Schwarze Löcher allerdings erst nach einem sehr langen Zeitraum an, nachdem sie durch Abstrahlung von Gravitationswellen ihre Rotationsenergie weitgehend verloren haben. Die Schwarzschildlösung der Einsteinschen Feldgleichungen beschreibt also nur einen kleinen Teil der Schwarzen Löcher im Universum.
Unrealistische Beobachtungsszenarien Des Weiteren ist die Vorstellung, ein Beobachter (Kamera) könne sich in 600 Kilometern Entfernung stationär vor einem Schwarzen Loch aufhalten, das die zehnfache Sonnenmasse beinhaltet, technisch gesehen absurd, weil dort Gravitationskräfte herrschen würden, die die der Erde um viele Millionen Male übersteigen würden. Selbst mit einem Fernrohr müsste man wenigstens so weit an das Schwarze Loch herangehen, dass das Auflösungsvermögen der Optik noch ausreichte, um die etwa 150 Kilometer durchmessende schwarze Scheibe und die Umgebung noch einigermaßen detailreich darzustellen. Auch in solchen Entfernungen wäre die Gravitation noch gewaltig.
Der didaktische Vorteil Dennoch: Auch wenn die dargestellten Situationen nicht sehr real erscheinen mögen, sind diese Reduzierungen vom didaktischen Standpunkt eher von Vorteil, denn sie ermöglichen den Schülerinnen und Schülern einen überschaubaren und nachvollziehbaren Zugang zur Physik der Schwarzen Löcher.
Ein Schwarzes Loch ist ein astronomisches Objekt, in dessen Nähe die Gravitation extrem stark ist. Es gibt einen inneren Raumbereich, in dem die Raumzeit so stark verzerrt ist, dass nichts nach außen gelangen kann. Die Fluchtgeschwindigkeit ist größer als die Lichtgeschwindigkeit. Der Bereich erscheint schwarz. Die Grenze, ab der die Fluchtgeschwindigkeit größer als die Lichtgeschwindigkeit ist, wird Ereignishorizont genannt. Er ist umso größer, je größer die Masse eines Schwarzen Lochs ist. Der Begriff „Schwarzes Loch" wurde 1967 von John Archibald Wheeler geprägt und verweist auf den Umstand, dass sich um eine Krümmungssingularität der Raumzeit ein Ereignishorizont bildet, in den Materie hineinfallen kann („Loch") und den elektromagnetische Wellen, wie etwa sichtbares Licht, nicht verlassen können (daher „schwarz"). Je nach Literatur kann sich der Begriff aber auch auf die Singularität selbst beziehen. Schon 1783 spekulierte der britische Naturforscher John Michell über Dunkle Sterne, deren Gravitation ausreicht, um Licht gefangen zu halten. In einem Brief, der von der Royal Society publiziert wurde, schrieb er: „Wenn der Radius einer Kugel der gleichen Dichte wie der Sonne den der Sonne in einem Verhältnis von 500 zu 1 überstiege, würde ein Körper, der aus unendlicher Höhe auf sie fiele, an ihrer Oberfläche eine höhere Geschwindigkeit als die des Lichts erreichen. Folglich, vorausgesetzt, dass Licht von anderen Körpern von der gleichen Kraft im Verhältnis zu seiner Masse angezogen wird, würde alles von einem solchen Körper abgegebene Licht infolge seiner eigenen Gravitation zu ihm zurückkehren. Dies gilt unter der Annahme, dass Licht von der Gravitation in der gleichen Weise beeinflusst wird wie massive Objekte."
Die Idee schwerer Sterne, von denen korpuskulares Licht nicht entkommen könne, wurde im Jahr 1796 auch von Pierre Simon Laplace in seiner Exposition du Système du Monde beschrieben. Er schuf dafür den Begriff „Dunkler Körper" (corps obscur). Diese Ideen bewegten sich innerhalb der newtonschen Physik.
Nach der Veröffentlichung Albert Einsteins im Jahr 1915, in der er die Feldgleichungen der allgemeinen Relativitätstheorie aufstellte, berechnete der deutsche Astronom Karl Schwarzschild 1916 erstmals die Größe und das Verhalten eines nicht rotierenden, statischen Schwarzen Lochs mit einem Ereignishorizont und einer zentralen Singularität.
In den späten 1920er Jahren zeigte der indische Astrophysiker Subrahmanyan Chandrasekhar, dass für ein astrophysikalisches Objekt ohne Kernreaktionen eine gewisse Masse, die so genannte Chandrasekhar-Grenze, existiert. Objekte oberhalb dieser Massegrenze kollabieren zu Neutronensternen oder zu stellaren Schwarzen Löchern. Chandrasekhars Arbeiten führten zur Kontroverse mit dem Astronomen Arthur Eddington. Ersterer war der Überzeugung, dass Sterne oberhalb der Massengrenze zu Objekten kollabieren könnten, deren Gravitation elektromagnetische Strahlen einfangen könnte. Eddington erwartete aber, dass es einen Mechanismus gibt, der den Zusammenbruch verhindern würde. Robert Oppenheimer wies 1939 zusammen mit Robert Serber und George Michael Volkoff anhand von Modellrechnungen nach, dass beim Kollaps eines großen Sterns ein Schwarzes Loch entstehen muss.
Der Mathematiker Roy Patrick Kerr fand 1963 eine Lösung für ein rotierendes Schwarzes Loch. Der Name Schwarzes Loch wurde im Jahr 1967 von John Archibald Wheeler eingeführt. Davor sprach man teilweise von schwarzen Sternen oder von gefrorenen Sternen -- eine Metapher dafür, dass die Zeit am Ereignishorizont für äußere Beobachter aufgrund der gravitativen Zeitdilatation stehen bleibt.
Im Jahr 1971 folgte mit der Entdeckung von Cygnus X-1 der erste Kandidat für ein Schwarzes Loch im Bereich der Astronomie. 1974 stellte Stephen Hawking die Theorie auf, dass Schwarze Löcher eine Strahlung abgeben, die Hawking-Strahlung. Nachdem Hawking bereits 1971 herausgefunden hatte, dass der Ereignishorizont niemals kleiner wird, veröffentlichten 2002 Abhay Ashtekar und Badri Krishnan eine Lösung für die Beschreibung wachsender Schwarzer Löcher, ohne dabei eine Näherung nutzen zu müssen, was bei einsteinschen Feldgleichungen der allgemeinen Relativitätstheorie nur selten gelingt.
Supermassereiche (auch supermassiv genannte) Schwarze Löcher können die millionen- bis milliardenfache Sonnenmasse haben und befinden sich vermutlich in den Zentren der meisten Galaxien. Wie sie entstanden sind und wie ihre Entstehung mit der Entwicklung der Galaxien zusammenhängt, ist Gegenstand aktueller Forschung.
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