Schwarze Löcher

Ein Schwarzes Loch kann sich bilden, wenn ein Stern mit mehr als dreißig Sonnenmassen am Ende seines Lebens als Supernova vergeht. Die Druckwelle komprimiert den Kern dabei über den kritischen Punkt hinaus, wo die Materie der Gravitationskraft wiederstehen kann. Ist dieser Punkt überschritten gibt es kein halten mehr, der Stern fällt weiter zusammen bis sein Radius kleiner ist als der sogenannte Schwarzschild-Radius - benannt nach dem Physiker K. Schwarzschild der diesen Radius erstmals berechnet hat - bei dem sich der Ereignishorizont ausbildet und der Stern zu einem Schwarzen Loch wird.

Seine Anziehungskraft ist so groß, dass weder Materie noch Licht, die den Ereignishorizont passieren sich wieder aus seinem Griff lösen können, alles stürzt in die Singularität im Zentrum des Schwarzen Lochs.

Aber nicht nur Sterne, auch Gaswolken mit hinreichend großer Masse können zu schwer und zu dicht sein, um einen Sternenhaufen zu bilden und sofort zum Schwarzen Loch zusammenfallen. Fällt eine Gaswolke zusammen, muss eine Kraft diesem Kollaps entgegenwirken, um einen stabilen Zustand zu erreichen. Das kann zum Beispiel die thermische Energie sein, die beim zusammenpressen der Materie entsteht. Bei unserer Sonne ist es die durch die Kernfusion in inneren freigesetzte Strahlung. Bei massiveren Objekten sind es die abstoßenden Kernkräfte selbst, die sich der Schwerkraft entgegenstellen, wie das zum Beispiel bei Neutronensternen der Fall ist. Erst wenn jeder dieser Widerstände gebrochen ist, fällt der Sternenrest zu einem Schwarzen Loch zusammen.

Neben diesen gewöhnlichen Schwarzen Löcher spekulieren Astrophysiker aber auch über winzige Schwarze Löcher, die schon zur Zeit des Urknalls entstanden sein sollen. Aufgrund ihrer kurzen Lebensdauer dürften davon aber nur wenige bis zum heutigen Tag überlebt haben.

Kurz nach dem Urknall war die Energie im Universum so groß, dass es passieren konnte, dass Materie so stark zusammengepresst wurde, dass sich ein schwarzes Loch bilden konnte. Um 15 Mrd. Jahre bis heute zu überleben, hätte das Schwarze Löchchen aber immerhin eine Masse von einer milliarde Tonnen - nach kosmischen Maßstäben ist das sehr wenig, einige Asteroiden spielen in dieser Kategorie mit - gehabt haben und besäße dabei die Größe eines Atoms.

Noch bis vor kurzem waren sich die Astronomen noch uneinig, ob solche seltsamen Objekte wie sie durch die Anwendung der Relativitätstheorie auf Sterne vorhergesagt wurden, überhaupt existierten. Diese Skepsis ist durchaus verständlich, denn wie der Name schon sagt sind die Löcher im Weltraum nicht direkt zu beobachten.

Aber in letzter Zeit bestehen kaum noch Zweifel an der Existenz Schwarzer Löcher, denn die Hinweise die man gesammelt hat sind in ihrer Gesamtheit nur durch Schwarze Löcher schlüssig zu erklären. Da wären zum einen die Akkretionsscheiben, die sich um das Schwarze Loch herum bilden, wenn Materie hineingesaugt wird. Die Materie strudelt in das Schwarze Loch, wie Wasser in den Badewannenabfluss. Dabei entsteht durch die Reibung eine enorme Hitze, die man mit Infrarotteleskopen beobachten kann. Außerdem strahlen beschleunigte Ladungen, wie sie in der Ionisierten Materie vorkommen, Röntgenstrahlung aus. Auch diese gewaltigen Ausbrüche kann man mit entsprechenden Teleskopen von der Erde aus beobachten.

Die statistische Auswertung von Daten, die 1992 vom Hubble-Space-Telescope gesammelt wurden liefern einen eindeutigen Beweis für die Existenz einer Akkretionsscheibe im Sternbild Schwan. Wenn eine Gasblase in ein Schwarzes Loch stürzt sendet sie ultraviolettes Licht aus, das nach der Relativitätstheorie auf charakteristische Weise verzerrt wird, wenn das Gas sich auf einer Spiralbahn dem Ereignishorizont nähert. Diese Muster konnten in den Hubbledaten nachgewiesen werden. Das Objekt Cygnus XR-1 muss demnach ein schwarzes Loch sein.

Ein weiterer Hinweis sind die Galaxien selbst, in deren Zentren sich wie erwähnt Schwarze Löcher befinden sollen. Das verhalten der Galaxien lässt sich in Modellrechnungen aber nur mit extrem schweren Objekten in deren Mitte erklären. Nach den Beobachtungen, die mit dem Hubble-Weltraumteleskop gemacht wurden sollen wenigstens 14 von 15 Galaxien ein Schwarzes Loch in ihrem Kern verbergen.

Eine weitere Beobachtung, die sich am besten mit der Akkretionsscheibe eines schwarzen Loches erklären lässt ist die Existenz von sogenannten Jets, extrem energiereiche Materie- oder Gammastrahlung, die weit in den Weltraum hineinreichen. Eine plausible Erklärung für diese Jets ist, dass die um das Schwarze Loch kreisende Materie sich aufgeheizt hat, bis ein ca. eine millionen Grad heißes Plasma entstand, in dem die Atome ionisiert wurden. Die geladenen Atomrümpfe und die freien Elektronen bilden durch ihre Bewegung ein elektromagnetisches Feld, das Elektronen und Materie senkrecht zur Akkretionsscheibe beschleunigt.

Die Galaxie M87 ist ein Beleg für dieses Phänomen, es handelt sich um eine Radiogalaxie, das heißt sie sendet Strahlung im Radiobereich aus, und besitzt nach Beobachtungen des Hubble-Teleskops eine Akkretionsscheibe in ihrem Zentrum, die sich mit etwa 550 km/s dreht. Das dazugehörige Schwarze Loch muss eine Masse von 3 Mrd. Sonnenmassen haben und einen Durchmesser wie unser Sonnensystem.

Ein weiteres Indiz für schwarze Löcher bieten Doppelsternsysteme. Auch wenn einer der Partner unsichtbar ist kann man aus den Bewegungen des sichtbaren Begleiters die Masse des anderen ableiten und so Rückschlüsse auf seine Beschaffenheit gewinnen.

Auch wenn man Schwarze Löcher nicht direkt beobachten kann, besteht heute eigentlich kein berechtigter Zweifel mehr an der Existenz dieser exotischen Objekte, bleibt noch zu klären ob diese schwarzen Löcher am Ende des Universums alle Materie verschluckt haben werden.

Man kann sich eigentlich nicht vorstellen wie ein Objekt, dass seine ganze Existenz dem verschlingen von Materie verschrieben hat vergehen kann, aber die Quantenmechanik liefert einen Weg, wie selbst Schwarze Löcher Energie verlieren können.

Schwarze Löcher sind nicht ganz schwarz, sie emittieren eine ganz eigene Art von Strahlung, die Hawking-Strahlung - benannt nach dem Physiker Stephen Hawking. Durch Quantenfluktuationen entstehen im Vakuum ständig Teilchen und Antiteilchen, die sich in der Regel sofort gegenseitig wieder vernichten, bevor sie mit Materie interagieren können. In der Nähe eines Schwarzen Loches kann es passieren, dass ein Teilchen in das Schwarze Loch stürzt, während das andere in die Tiefen des Weltraums entschwindet, die Energie dafür muss dann das Schwarze Loch liefern.

Interessanterweise zerstrahlen kleine Schwarze Löcher auf diese weise sehr schnell, während große eine längere Gnadenfrist haben. Das liegt daran, dass die Veränderung der Schwerkraft mit dem Abstand um so stärker ist, je kleiner das Schwarze Loch ist - man spricht in diesem Zusammenhang auch von Gezeitenkräften. Je stärker sich das Gravitationsfeld von einem Punkt zum anderen unterscheidet, desto wahrscheinlicher ist es, dass das Teilchenpaar auseinandergerissen wird. Ein Schwarzes Loch von der Größe des Mount Everest würde in einer gewaltigen Explosion vergehen, während die oben erwähnten Minilöcher immernoch eine starke Strahlung aussenden würden, die sie langsam schrumpfen lässt.

Es sind aber noch exotischere Formen von Schwarzen Löchern möglich, auf die ich hier nicht weiter eingegangen bin. Das sind geladene und rotierende Schwarze Löcher. Sie verzerren den Raum unter Umständen so, dass sie Antischwerkraft erzeugen und Passagen zu anderen Universen oder Zeitreisen ermöglichen.

Zwei riesige schwarze Löcher die um einander kreisen und zu einem rotierenden Schwarzen Loch verschmelzen werden, sind vor kurzem vom Röntgensatelliten Chandra in der Galaxie NGC 6240 entdeckt worden. Aber ob ein Schwarzen Loch elektrisch geladen ist oder rotiert, lässt sich mit Teleskopen nicht feststellen, aber die Auswirkungen auf die Raumkrümmung und das Lichts in seiner Umgebung können von Teleskopen beobachtet werden und Gravitationsdetektoren können vielleicht in Zukunft die Gravitationswellen auffangen, die von ihnen ausgehen.


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