Todesgruben für Licht: Schwarze Löcher

Titelbild: NASA/ Hubble

Eines der faszinierensten Elemente im Universum sind sogenannte schwarze Löcher. Bereits seit über 200 Jahren spekuliert man über Himmelskörper, die so massereich sind, dass ihre Gravitation so groß ist, dass selbst Licht ihnen nicht entkommen kann. Mit der Entwicklung der Relativitätstheorie konnte man diese Überlegungen präzisieren und hat sie in den Jahrzehnten seitdem immer weiter präzisiert. Heute kann man schwarze Löcher recht genau modellieren.

Aber was genau ist ein schwarzes Loch? Ich habe schon früher einmal beschrieben, dass große Massen den Raum krümmen, so dass Licht umgelenkt wird. Eine sehr große Masse oder vielmehr ein Objekt mit gewaltiger Dichte krümmt den Raum so stark, dass das Licht nicht nur umgelenkt sondern eingefangen wird. Es kann dem massenreichen Objekt nicht mehr entkommen und deshalb erscheint dieses schwarz. Der Grenze, die vom Licht nicht mehr überwunden werden kann – und auch von nichts anderem – ist der sogenannte Ereignishorizont. Dieser erscheint kugelförmig um das eigentliche schwarze Loch herum. Wenn dieses rotiert, verzerrt er sich zudem noch durch die Fliehkraft (wie man bei einem Kettenkarussel nach außen getragen wird).

Ein solches Objekt entsteht dann, wenn eine Masse auf einen sehr kleinen Raum komprimiert wird. Jedes Objekt wird von seiner Gravitationskraft zusammengezogen – jedes einzelne Elementarteilchen zieht an dem anderen. Atome an Atomen, Atomkerne and Atomkernen und so weiter. Dagegen gibt es Kräfte, wie ich schon einmal beschrieben habe, die abstoßend wirken, hinzukommt thermodynamischer Druck. Wenn diese Kräfte in Balance mit der Schwerkraft sind, dann ergibt sich die Form eines Objekts, z.B. die Kugelgestalt der Erde. Die Kräfte verändern sich unterschiedlich mit der Entfernung – die Schwerkraft ist abhängig von 1/r². Eine Halbierung der Entfernung bewirkt also eine Vervierfachung der Gravitationskraft.

Ab einer gewissen Entfernung wächst die Gravitationskraft schneller als die abstoßenden Kräfte, so dass das Objekt immer mehr zusammengezogen wird. Durch die dadurch folgende Krümmung der Raumzeit verlangsamt sich – für den äußeren Beobachter – die Zeit so sehr, dass das Objekt zwar auf einen sehr kleinen Raum zusammenfällt, aber nie den Zustand erreicht, dass es nur ein Punkt mit den Ausmaßen 0 ist. Aber eben fast. Deswegen spricht man auch von einer Singularität oder vereinfacht einem Loch in der Raumzeit. Da ist die Raumzeit so undefiniert, dass wir sie nicht mehr beschreiben können – die Gleichungen der Relativitätstheorie sind dafür nicht lösbar.

In der Mathematik gibt es viele Fälle von Singularitäten. Beispielsweise hat die Funktion 1/x bei 0 eine Singularität, d.h. sie ist dort nicht definiert. Je mehr man sich der 0 nähert, umso stärker wächst die Funktion an (im Betrag). Für ein x = 1 hat sie auch den Wert 1. Für ein x = 0,5 beträgt ihr Wert 2. Für ein x = 0,1 ist ihr Wert schon 10. Für ein x = 0,001 ist ihr Wert schon 1000 und so weiter. Dies sieht ungefähr so aus:

singularität
Die Funktion 1/x für x zwischen -1 und 1.

Zusammengefasst kann man also sagen, dass schwarze Löcher Objekte sind in denen eine (große) Masse auf sehr, sehr kleinen Raum komprimiert ist, so dass eine Art „Loch“ in der Raumzeit entsteht. Dadurch wird der Raum so gekrümmt, dass selbst Licht dem nicht entkommen kann. Die Grenze dafür nennt man Ereignishorizont. Eine Skizze zum Verlauf des Lichts, kann man hier sehen:

event horizon
Der Weg von Licht in der Nähe eines schwarzen Lochs. Je weiter weg vom schwarzen Loch, um so weniger stark ist die Beeinflussung.

Einem internationalen Forscherteam ist nun allerdings etwas Spektakuläres gelungen: Sie haben den Schatten eines schwarzen Lochs aufgenommen und zwar der Galaxis M87. Das schwarze Loch befindet sich in seinem Zentrum und wird als M87* bezeichnet.

Black_hole_-_Messier_87_(cropped)
Eine Darstellung der Mikrowellenstrahlung verursacht durch Reibung innerhalb einer Material- und Gasscheibe um das schwarze Loch M87*. Der dunkle Fleck ist der Schatten des schwarzen Lochs. (Bild: Event Horizon Collaboration)

Der schwarze Fleck ist besagter Schatten der Strahlung, die von der Gas- und Materialscheibe, die um das schwarze Loch herum rotiert, verursacht wird. Diese Scheibe rotiert sehr schnell, die Teilchen bewegen sich mit annähernd Lichtgeschwindigkeit. Dadurch entsteht Reibung und Bremstrahlung, was das Material aufleuchten lässt, bzw. einen sogenannten Jet enstehen lässt. Dieser ist im Beitragsbild ganz oben zu sehen.

Das Bild entstand durch die Kombination mehrerer Radioteleskope, die die Mikrowellenstrahlung aufgezeichnet haben. Den Radius des Ereignishorizonts (genannt Schwarzschildradius) kann man leicht bestimmen, wenn die Masse bekannt ist; der schwarze Fleck hat eine Ausdehnung von 2,5 mal dieser Entfernung. Unter der Annahme, dass das schwarze Loch nicht rotiert, bedeutet das, der Fleck ist ungefähr 300 mal so groß wie die Erde von der Sonne entfernt ist.

Arten von schwarzen Löchern

Es gibt verschiedene Arten von schwarzen Löchern, deren Natur und Herkunft wir nicht unbedingt verstehen. Eine recht einfache Form sind sogenannte stellare schwarze Löcher. Ich habe ja schon einmal erklärt, dass auch die Sonne nur ihre Form hat, da die Schwerkraft im Gleichgewicht mit inneren Druckkräften steht. Wenn nun am Lebensende eines Sterns die Fusion aufhört und damit auch keine Druckkräfte mehr erzeugt werden, dann kann das Material in sich zusammenfallen. Bei ausreichend großer Masse wird es dabei so schnell, dass es zu einem schwarzen Loch kollabiert (unserer Sonne wird dies nicht passieren). Ab der dreifachen Masse der Sonne können Sterne zu schwarzen Löchern zusammenfallen, wenn sie all ihr Gas fusioniert haben.

Dann gibt es noch mittlere schwarze Löcher, die aus Verschmelzungen von Sternen oder auch schwarzen Löchern entstehen. Viel spektakulärer sind allerdings die sogenannten supermassereichen schwarzen Löcher. M87* ist ein solches. Seine Masse ist ca. 6 Milliarden mal so groß wie die der Sonne. Wie genau sie entstehen, ist noch immer nicht klar. Einige sind schon „kurz“ nach dem Urknall entstanden, weniger als eine Milliarden Jahre nach der Entstehung des Universums.

Eine bisher nur vermutete Variante sind die primordialen schwarzen Löcher (also urtümlich), welche aus der Anfangszeit des Unviersums stammen könnten und aus Dichteschwankungen in der Raumzeit resultieren. Ob es sie wirklich gibt oder nicht, kann man nicht sagen – aber, wenn es sie gäbe, könnten sie bestimmte Phänomene erklären, die man Gammablitz nennt.

Unsterblicher Ruhm für die Nachwelt

Was passiert aber eigentlich, wenn man in ein schwarzes Loch fällt. Nun, die Kräfte werden dafür sorgen, dass man ihm, sobald man den Ereignishorizont überschreitet nicht mehr entkommen kann. Irgendwann wird man dann durch sie zerstört. Aber dank der Zeitdilletation wird das für einen äußeren Beobachter nie eintreten. Eine perfekte Möglichkeit für ewigen Ruhm ist es also, sich einem schwarzen Loch zu nähern, denn als Folge der Relativitätstheorie wird man niemals – für einen äußeren Beobachter – den Ereignishorizont erreichen. Man selbst wird allerdings sehr wohl das Erreichen und das Sterben spüren.

Als „Grenzwerterscheinung“ der Raumzeit sind schwarze Löcher faszinierende Objekte, die uns viel über das Universum verraten können. Ich bin gespannt, was in Zukunft noch folgen wird.

 

 

 

 

 

 

 

 

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