| | | | | | | | | | | Dirk Lorenzen
Astrophysiker, Autor der Sternzeit | | | | | |
| | | Liebe Leserinnen und Leser,
liebe Weltraumfans,
Schwarze Löcher. Ein Begriff mit geradezu magischem Klang. Manche Menschen sind fasziniert, andere schaudert es, wieder andere begeistern sich für die extreme Physik. In schlechter Science-Fiction spielen Schwarze Löcher oft die Rolle der Bösewichte, die alles hemmungslos verschlingen. Es stimmt: Wer einmal hineinfällt, kommt nie wieder hinaus. Doch diese Objekte sind alles andere als „böse“: Ohne Schwarze Löcher gäbe es wohl keine Galaxien wie die Milchstraße, vielleicht keine Sterne, keinen Planeten Erde – kein Leben. Womöglich sind Schwarze Löcher schon beim Urknall entstanden und bilden die ominöse Dunkle Materie. Kurz: Schwarze Löcher sind keine Monster. Sie sind kosmische Tausendsassas. | |
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| | | | Ein Nichts im Sternenmeer: Diese Illustration zeigt ein Schwarzes Loch vor unzähligen Sternen einer Zwerggalaxie. Dieses Bild wird oft fälschlicherweise als Hubble-Foto bezeichnet. Solche Aufnahmen eines Schwarzen Lochs sind bisher unmöglich – auch für Hubble und Webb. (NASA) | | |
| | | In Schwarzen Löchern ist die Materie extrem zusammengepresst. Aufgrund der enormen Dichte ist die Anziehungskraft der Schwarzen Löcher so stark, dass nichts entkommen kann – nicht einmal Licht. Um dem Griff der Erde zu entkommen, muss eine Rakete etwa elf Kilometer pro Sekunde schnell fliegen. Könnten wir die Erde immer mehr zusammenpressen, so würde die Anziehungskraft an der zusammenschnurrenden Oberfläche immer stärker – und die Rakete müsste immer mehr Schub entwickeln, um zum Mond aufzubrechen. Irgendwann ist die Dichte so hoch und die Anziehung so stark, dass selbst Lichtgeschwindigkeit (300.000 Kilometer pro Sekunde) nicht mehr ausreicht, um die Erdoberfläche zu verlassen. Dafür müsste man die Erde auf die Größe einer 2-Cent-Münze zusammenquetschen. Achtung, zu Hause bitte nicht nachmachen! | |
| | | Kein Licht, aber strahlend hell | |
| | | Obwohl Schwarze Löcher kein Licht aussenden, sind sie oft über Milliarden Lichtjahre Entfernung zu sehen. Das klingt paradox. Genau genommen sind nicht die Schwarzen Löcher zu sehen, sondern ihre unmittelbare Umgebung. Ein „nacktes“ Schwarzes Loch ist tatsächlich einfach ein runder dunkler Bereich. Ganz anders, wenn Materie in ein Schwarzes Loch stürzt: Die fällt nicht einfach hinein wie in einen Müllschlucker. Sie bildet zunächst eine rotierende Scheibe und bewegt sich spiralförmig in Richtung des Schwarzen Lochs, ähnlich einem Strudel am Abfluss der Badewanne. In der rotierenden Scheibe gibt es viel Reibung und so heizt sich das Material extrem auf. Es strahlt schließlich im energiereichen Röntgenlicht. Oft spricht man vom Todesschrei der Materie (Todesleuchten wäre passender), bevor sie verschwindet. Das unsichtbare Schwarze Loch trägt geradezu eine Signalweste.
Das erste Objekt, bei dem sich die Fachleute sicher waren, dass es ein Schwarzes Loch ist, wurde anhand der Röntgenstrahlung entdeckt. Dies gelang bei Cygnus X-1 im Sternbild Schwan. Dieses Doppelsystem zählt für mich zu den kuriosesten Objekten in der Milchstraße. Ich wäre zu gerne mal vor Ort, um mir dieses Spektakel anzusehen. | |
| | | Schwarzes Loch und Riesenstern | |
| | | Ein aufgeblähter Riese von etwa 40-facher Sonnenmasse und gut 20 Millionen Kilometern Durchmesser zieht in rund fünf Tagen um ein Schwarzes Loch. Das hat zwar etwa 20-fache Sonnenmasse, ist aber nicht einmal 200 Kilometer groß. Der Riesenstern pustet viel Material seiner dünnen Außenschichten, die eine Konsistenz ähnlich wie Zuckerwatte haben, in den umgebenden Weltraum. Ein Teil davon stürzt auf das nahe Schwarze Loch, bildet eine rotierende Scheibe und glüht im Röntgenlicht.
Einst bewegten sich dort – 7000 Lichtjahre von uns entfernt – zwei Riesensterne umeinander. Einer ist bereits bei einer Supernova-Explosion zum Schwarzen Loch geworden. Der verbleibende Riese, der gerade ein wenig „ausblutet“, wird es dem Kompagnon bald nachtun. Dann rasen dort zwei Schwarze Löcher umeinander.
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| | | | Ungleiches Doppel: Bei Cygnus X-1 verschlingt das Schwarze Loch (links) Materie seines aufgeblähten Begleiters (Illustration). Das meiste Gas stürzt ins Schwarze Loch und verschwindet, ein Teil wird entlang enger Kegel („Jets“) nach oben und unten aus der Scheibe herausgeschleudert. (NASA/CXC/M.Weiss) | | |
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Dass es solch extreme Objekte überhaupt gibt, gilt vielen Fachleuten lange als unvorstellbar. Dabei folgt ihre Existenz schon aus der Allgemeinen Relativitätstheorie, veröffentlicht von Albert Einstein im November 1915, mitten in den Wirren des Ersten Weltkriegs. Damals ahnt niemand – auch ihr Schöpfer nicht –, was für ein physikalisches Füllhorn diese Theorie darstellt. Karl Schwarzschild, Direktor des Observatoriums in Potsdam und einer der weltweit führenden Astrophysiker, erfasst schnell, was die Relativitätstheorie für einzelne Objekte bedeutet.
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| | | | Entdeckung an der Ostfront | | |
| | | Selbst während seines freiwilligen Einsatzes im Weltkrieg führt er Berechnungen durch. Er erkennt, dass die Anziehungskraft eines Körpers so stark werden kann, dass ihn nicht einmal Lichtstrahlen verlassen können. In einem Fachartikel legt er dar, bis auf welchen Radius ein Objekt zusammengepresst werden muss, damit kein Licht mehr entkommen kann. Er beschreibt damit ein Objekt, das wir seit den 60er Jahren als Schwarzes Loch bezeichnen. Deswegen heißt der Radius eines Schwarzen Lochs Schwarzschildradius: der der Erde beträgt neun Millimeter, der der Sonne drei Kilometer. Karl Schwarzschild stirbt im Mai 1916 im Alter von nur 42 Jahren an einer schweren Hauterkrankung – nur wenige Monate nach Abschluss seiner Arbeiten zu den Schwarzen Löchern. | |
| | | | Ein Schwarzes Loch hat keine Oberfläche | | |
| | | Was innerhalb des Schwarzschildradius in einem Schwarzen Loch passiert, ist vollkommen unklar. Von dort kann nichts und niemand nach außen gelangen. Fachleute sprechen vom Ereignishorizont. Der ist wie ein undurchdringlicher Vorhang, hinter dem sich alles abspielt. Dieser Rand ist keine feste Oberfläche des Schwarzen Lochs. Ob dahinter die Materie bis auf einen Punkt – eine Singularität – komprimiert ist, weiß niemand. | |
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| | | | Das kolorierte Schwarze Loch als Ikone der Wissenschaft: So hat das Event Horizon Telescope (ein Verbund von Radioteleskopen in aller Welt) das Schwarze Loch im Zentrum der Galaxie M87 gesehen. An dieser Beobachtung war das Team des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie in Bonn maßgeblich beteiligt. (EHT Collaboration) | | |
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Neben den recht kleinen Schwarzen Löchern, die nach der Explosion eines Sterns übrigbleiben, gibt es wahre Schwergewichte: Die haben Millionen- oder Milliarden-mal mehr Masse als unsere Sonne. Solche Schwarzen Löcher befinden sich im Zentrum großer Galaxien, auch in der Mitte unserer Milchstraße. Das ist etwa 26.000 Lichtjahre von uns entfernt. Wir brauchen keinerlei Sorge zu haben – das tut nichts. Selbst wenn unsere Sonne plötzlich zum Schwarzen Loch würde, zöge unsere Erde unbeirrt ihre Bahn. Es würde dunkel und kalt und das Leben wäre bald am Ende. Aber die Anziehungskraft auf unseren Planeten würde sich nicht ändern.
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| | | Schwarzes Loch mit 6 Milliarden Sonnenmassen | |
| | | Vor einigen Jahren gelang es Astronominnen und Astronomen, „Bilder“ der Schwarzen Löcher in der Riesengalaxie M87 im Virgo-Galaxienhaufen und in der Milchstraße aufzunehmen. Dafür wurden Radioteleskope weltweit zusammengeschaltet: So ließ sich erkennen, wie glühendes Material den „Schatten“ des Schwarzen Lochs umgibt. Die Astronomen wissen inzwischen, wie man PR macht – und so wurde dieses in Schwarz-Weiß aufgenommene Leuchten schön feurig orange-rot eingefärbt. Wie solche extrem massereichen Schwarzen Löcher entstehen (das in M87 hat gut 6 Milliarden Sonnenmassen, das in der Milchstraße 4 Millionen), ist ein großes Rätsel. Es gab sie offenbar schon in der Frühzeit des Kosmos, nur ein oder zwei Milliarden Jahre nach dem Urknall. Schwer vorstellbar, dass sie durch das Verschmelzen vieler kleiner Schwarzer Löcher gewachsen sind. | |
| | | Galaktische Geburtshelfer? | |
| | Unklar ist auch, ob es zunächst die Schwarzen Löcher gab, die wie kosmische Saatkörner Gas angesammelt haben, aus dem dann ganze Galaxien wurden. Oder ob sich erst die Galaxien gebildet haben, die nach und nach große Schwarze Löcher haben entstehen lassen. Dies ist ein kosmisches Henne-Ei-Problem. Klar ist nur, dass praktisch alle Galaxien ein gewaltiges Schwarzes Loch im Zentrum haben. Doch wie genau Schwarze Löcher die Bildung und Entwicklung von Galaxien beeinflussen, ist nicht verstanden.
Die frühen großen Schwarzen Löcher sind vielleicht unmittelbar beim Urknall entstanden (sie waren im September Thema dieses Newsletters). Nach einer alternativen Theorie sind in der Frühphase des Alls riesige Wolken aus etwa 100.000 Sonnenmassen direkt in ein Schwarzes Loch kollabiert, ohne vorher Sterne zu bilden. Die Fachleute setzen große Hoffnung in das James-Webb-Teleskop: Wenn es die Spuren vieler Schwarzer Löcher schon etwa 300 Millionen Jahre nach dem Urknall findet, dann wären die Schwarzen Löcher wohl tatsächlich Teil der Grundausstattung des Kosmos – dann könnten sie auch hinter der ominösen Dunkle Materie stecken, die mit ihrer Anziehungskraft den Kosmos beherrscht. | |
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| | | | Die Spiralgalaxie NGC 7038 (Durchmesser 200.000 Lichtjahre) im Sternbild Indus ist rund 220 Millionen Lichtjahre entfernt. Das supermassereiche Schwarze Loch in ihrem Zentrum ist auf dieser Hubble-Aufnahme nicht zu erkennen. Auch die meisten der Galaxien im Hintergrund verfügen über ein gigantisches Schwarzes Loch. (NASA/ESA/CSA) | | |
| | | Die sanfte Umarmung des Schwarzen Lochs | |
| | | Zum Abschluss noch eine kleine Bemerkung zur „Gefährlichkeit“ der Schwarzen Löcher. Zugegeben: Wenn man ihnen zu nahe kommt, wird es unangenehm. Jedenfalls bei den kleinen Schwarzen Löchern von einigen Sonnenmassen. Begeben wir uns dort in die Nähe, so würden unsere Füße viel stärker angezogen als der weiter entfernte Kopf. Das Schwarze Loch würde uns recht brutal in die Länge ziehen. Fachleute sprechen – kein Witz – von der Spaghettifizierung. Fliegen wir aber zu einem riesigen Schwarzen Loch mit Millionen oder Milliarden Sonnenmassen, so spielen diese Gezeitenkräfte keine Rolle.
Die Physik dahinter erfreut Feinschmecker: Die Anziehungskraft und der Durchmesser eines Schwarzen Lochs nehmen proportional zur Masse zu. Also: Doppelte Masse bedeutet doppelte Kraft und doppelten Durchmesser. Allerdings nimmt die Anziehungskraft mit dem Quadrat der Entfernung ab. Am Rand – also am Ereignishorizont – ist die Anziehungskraft eines Schwarzen Lochs mit doppelter Masse nur halb so groß. Daher sind die riesigen Schwarzen Löcher geradezu gutmütig. Bei einer Reise dorthin würden wir sanft hinein driften – so ein Gigant schlösse uns fast zärtlich in seine Arme. | |
| | | Schwarze Löcher zum Hören | |
| | Aber auch da gilt: Wer einmal drin ist, kommt nie wieder raus – und kann keinen Newsletter mehr lesen. Also bleiben Sie lieber hier und hören sich bitte auch mein Feature „Das Gegenteil vom Nichts – Auf der Spur der Schwarzen Löcher“ im Deutschlandfunk Kultur an. Viel Vergnügen – und gut festhalten! | |
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| |  | | | | | Dirk Lorenzen berichtet seit mehr als 30 Jahren über Astronomie und Raumfahrt. Beim Spaziergang über den Friedhof seiner Geburtsstadt Göttingen besucht er oft das Grab von Karl Schwarzschild. Ganz in der Nähe sind viele große Persönlichkeiten aus Physik und Mathematik bestattet. Göttingen war bis Anfang der 1930er Jahre das Weltzentrum dieser Disziplinen – die NS-Diktatur beendete das schlagartig, weil die fähigsten Köpfe vertrieben wurden. | | | |
