Diese mysteriösen kosmischen Objekte faszinieren Wissenschaftler. In einem Universum, das vor Geheimnissen nur so strotzt, sind Schwarze Löcher eine der faszinierendsten Erscheinungen.
Was passiert mit Sternen, wenn sie keinen Brennstoff mehr haben?
Nachdem ein Stern mit der Größe unserer Sonne seinen Vorrat an Wasserstoff durch die andauernde Fusion zu Helium verbraucht hat, finden andere Reaktionen statt, die den Stern zu einem sogenannten Roten Riesen anwachsen lassen. Für ein Sternenleben lebt der Rote Riese sehr kurz. Nachdem der Rote Riese seinen Vorrat an Helium durch die andauernde Fusion zu schwereren Elementen verbraucht hat, finden andere Reaktionen statt, die nach dem Abstoßen der äußeren Hülle des Roten Riesen diesen zu einem Weißen Zwerg schrumpfen lassen.
Weiße Zwerge sind auskühlende tote Sterne im letzten Stadium ihres Lebens und besitzen typischerweise rund 60% der Sonnenmasse bei einem Volumen, das dem der Erde entspricht.
Max Camenzind
Nach einer Supernova-Explosion kann es je nach Masse zu einem Neutronenstern oder einem Schwarzen Loch werden.
Wie werden Schwarze Löcher eingeteilt?
Schwarze Löcher werden nach Masse, Rotation und Ladung eingeteilt. Es gibt Stellare Schwarze Löcher, Mittelschwere Schwarze Löcher und Supermassive Schwarze Löcher. Außerdem können Schwarze Löcher rotieren oder auch nicht.
Wie kann man Schwarze Löcher entdecken?
Da ein Schwarzes Loch schwarz ist, kann man es nicht direkt mit optischen Teleskopen beobachten. Es gibt jedoch Radioteleskope und indirekte Methoden, mit denen man Schwarze Löcher beobachten kann. Indirekte Methoden wären: Gravitationslinseneffekt, Kosmische Jets, Gravitationswellen und Quasare.
Bisherige Meilensteine
1916: Schwarzschild-Lösung der Einstein’schen Feldgleichungen
Karl Schwarzschild errechnete eine Gleichung zu Gravitationsfeldern, die besagt, dass im Zentrum eines sehr starken Gravitationsfeldes eine Singularität entsteht. Diese wird Schwarzschild-Singularität genannt. Man geht derzeit davon aus, dass sich im Zentrum eines jeden Schwarzen Lochs eine Schwarzschild-Singularität befindet.
1960: Der amerikanische theoretische Physiker John Wheeler nannte dieses Phänomen ein “Schwarzes Loch”. Somit war der Name geboren.
1963: Beschreibung Schwarzer Löcher als reine Geometrie
“Schwarze Löcher sind reine Geometrie.” (Albert Einstein)
Nachdem die allgemeine Relativitätstheorie mit den Einstein’schen Feldgleichungen aufgestellt wurde, fand man verschiedene Lösungen dieser Gleichungen, wie jene oben beschriebene von Schwarzschild. Eine weitere entdeckte Kerr im Jahr 1963. Sie beschreibt rotierende Schwarze Löcher. Interessant dabei ist, dass die Schwarzen Löcher allein als Lösung der Einstein’schen Feldgleichungen resultieren und keine Materie zu ihrer Konstruktion benötigen. Sie sind somit reine geometrische Objekte. Die Masse, durch die sie gebildet wurden, hat unser Universum verlassen. Nur die Krümmung bleibt übrig.
2015: Das Verschmelzen von zwei Schwarzen Löchern
Das Verschmelzen von zwei Schwarzen Löchern setzt enorme Energiemengen frei. Diese sind so gewaltig, dass die Raumzeit selbst gekrümmt wird und wie oben beschrieben dabei Gravitationswellen ausgesendet werden. Solche Stauchungen pflanzen sich als Welle mit Lichtgeschwindigkeit durch das Universum fort. Im Jahr 2015 haben Messinstrumente auf der Erde das erste Mal solche Gravitationswellen direkt gemessen. Vorausgesagt wurden sie allerdings schon von Einstein im Jahr 1916.
2019: Erstes Bild eines Schwarzen Lochs: M87*
Eine direkte Fotografie eines Schwarzen Lochs ist natürlich nicht möglich, da Licht ihm nicht entkommen kann. Im Jahr 2019 gelang ein Foto des Schattens eines Schwarzen Lochs mit Hilfe von acht aufeinander abgestimmten Radioteleskopen (Event Horizon Telescope EHT).
Der Schatten entsteht durch die Strahlung des Lichts, das in das Schwarze Loch fällt.
2022: Erstes Bild des Schwarzen Lochs im Zentrum unserer Galaxis: Sagittarius A*
Das Schwarze Loch im Zentrum der Milchstraße, Sagittarius A* (Sgr A*) genannt, ist deutlich schwerer abzubilden als Messier 87*. Sagittarius A* ist ungefähr 1600 mal heller und kleiner als Messier 87*. Die Materie, die Messier 87* umkreist, benötigt für eine Umrundung einige Tage bis mehrere Wochen, im Fall von Sagittarius A* sind es nur einige Minuten bis wenige Stunden. Dadurch ist Messier 87* ,stabiler’ und einfacher abzubilden. Sagittarius A* musste immer wieder abgebildet werden, da das umhüllende Gas sich so schnell bewegt. Man kann es sich wie ein ständiges, ungleichmäßiges und starkes Flackern vorstellen, wodurch das Fotografieren sehr schwer wird. Die zweite große Schwierigkeit verglichen mit dem Bild von Messier 87* war bei Sagittarius A* das Gas, das sich zwischen dem Zentrum der Milchstraße und der Erde befindet. Dieses Gas wirkt extrem störend beim Aufnehmen der Bilder. Es muss aus den Bildern ,herausgefiltert’ werden, aber ohne wichtige Informationen dabei zu verlieren. Bei Messier 87* war das nicht nötig, da Messier 87* weit entfernt von dieser störenden Region mit dichter Materiekonzentration liegt. Nachdem mit diesen Hürden durch lange Messungen und Aufbereiten der Daten mit teilweise sehr zeitaufwendigen und komplizierten Algorithmen umgegangen werden konnte, wurde das erste Bild von Sagittarius A* erstellt. Vergleicht man die Aufnahmen von Messier 87* und Sagittarius A*, fällt die große Ähnlichkeit der beiden Bilder auf. Beide weisen einen Kreisring auf, der noch dazu jeweils symmetrisch erscheint. Es wird als Hinweis auf die starke Gravitation des Schwarzen Lochs in diesem Bereich sowie als weitere Bestätigung der Einstein’schen Allgemeinen Relativitätstheorie gesehen. Sagittarius A* konnte also ebenfalls mehr oder weniger durch die erhitzte Materie, die es umkreist, abgebildet werden. Ein Kosmischer Jet konnte bisher bei Sagittarius A* allerdings nicht nachgewiesen beziehungsweise detektiert werden.
2023: Schwarzes Loch mit Kosmischen Jet auf einem Bild
Im Frühling 2023 erschien ein Artikel, in dem beschrieben wird, dass es nun auch nachweislich gelungen ist, ein Schwarzes Loch und den daraus entspringenden kosmischen Jet abzubilden. Es gelang wieder mit dem Schwarzen Loch, von dem schon das allererste Foto 2019 veröffentlicht wurde: Messier 87*. Ermöglicht wurde dies auch mit Hilfe eines weltweiten Verbandes an Radioteleskopen, des Global mm-VLBI Array (GVMA), der noch dazu mit Teleskopen in Grönland und Chile verstärkt wurde. Neu an dem Bild ist einerseits, dass der kosmische Jet gemeinsam mit dem Schwarzen Loch auf einer Panorama-Aufnahme zu sehen ist. Andererseits ist es auch das allererste Bild, in dem die ins Schwarze Loch fallende Materie direkt aufgenommen werden konnte.
Das Innere eines Schwarzen Lochs
Den äußeren Rand eines Schwarzen Lochs bezeichnet man als Ereignishorizont. Ab dieser Grenze ist die Zeit “eingefroren”. Alle jemals eingefangenen Lichtstrahlen sind ab hier sozusagen in Schichten vorhanden. Daher geht man derzeit davon aus, dass die vergangenen Informationen hier – also am Ereignishorizont – erhalten bleiben. Demnach wäre das Schwarze Loch sogar ein Speicher an Informationen.
Nach diesen Schichten folgt der sogenannte Innere Horizont, in dem keinerlei Information vorhanden ist und der die Schwarzschild-Singularität umgibt.
Mit Singularität bezeichnet man einen Bereich der Raumzeit, in dem die einschlägigen physikalischen Formeln versagen. Die uns bekannten physikalischen Gesetze sind hier daher nicht mehr gültig. Es handelt sich bei der Singularität um einen unendlich dichten Punkt in der Raumzeit. – wir befinden uns spätestens ab hier im Bereich der Spekulationen.
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