Schwarzes Loch

In der Theorie kennt man schwarze Löcher seit geraumer Zeit, sie wurden jedoch erst in den letzten Jahren mit hoher Wahrscheinlichkeit nachgewiesen. Der Nachweis von Objekten, ie unsichtbar sind, ist naturgemäß nicht einfach und nur indirekt möglich. Man bedient sich dabei entweder der enormen Schwerkraft, die schwarze Löcher auf umgebende Sterne und Gaswolken ausüben, oder der Wechselwirkung mit Materie, die von benachbarten Objekten in ein schwarzes Loch gesogen wird und dabei hochenergetische Strahlung abgibt.

Schwarze Löcher sind Objekte, in denen eine riesige Masse auf ein derart kleines Volumen komprimiert wurde, dass wegen der ungeheuren Anziehungskraft aus ihrer unmittelbaren Umgebung weder Materie noch Licht entweichen kann. Der Außenrand dieses Gebiets wird Ereignishorizont genannt, weil alles, was sich innerhalb dieser »Schale« ereignet, für die Außenwelt unbeobachtbar bleibt. Damit sind schwarze Löcher scheinbar nicht mehr Teil unseres Universums. Die Existenz dieser Objekte folgt aus der allgemeinen Relativitätstheorie, die ALBERT EINSTEIN (1879 -1955) 1915 beschrieben hatte. Im Frühjahr 1916, kurz vor seinem Tod, erkannte der deutsche Astronom KARL SCHWARZSCHILD (1873 -1916), dass EINSTEINs Gleichungen Lösungen besaßen, welche die beschriebenen Eigenschaften eines schwarzen Lochs besitzen. Der Ereignishorizont von nicht rotierenden schwarzen Löchern wird zu seinen Ehren auch SCHWARZSCHILD-Radius genannt. SCHWARZSCHILDS Berechnungen zu schwarzen Löchern setzten voraus, dass sich diese Objekte nicht um ihre eigene Achse drehen und elektrisch neutral sind.

Entstehung schwarzer Löcher

Einen möglichen Weg zur Entstehung von schwarzen Löchern in implodierenden Sternen zeigte der Physiker JULIUS R. OPPENHEIMER (1904-1967) 1939 auf. Dennoch blieben schwarze Löcher bis in die späten 1960er Jahre Gebilde von allenfalls theoretischem Interesse, da kein Weg zu ihrer Beobachtung vorstellbar schien. Auch der Name »black hole« beziehungsweise schwarzes Loch wurde erst Ende der 1960er Jahre geprägt. Die ersten im Röntgenlicht nachgewiesenen astronomischen Objekte sowie der extreme Strahlungsausstoß sogenannter Quasare (siehe gesondertes Stichwort) führten jedoch schließlich zu einem Umdenken. Heutzutage kennt man mehrere schwarze Löcher unterschiedlicher Größe, die sich anhand ihres Einflusses auf ihre kosmische Umgebung bemerkbar machen.
Der britische Physiker STEPHEN HAWKING (geb. 1942) zeigte in den 1980er Jahren, dass in der Umgebung mancher schwarzen Löcher physikalische Effekte auftreten können, die dazu führen, dass diese Objekte Strahlung nach außen abgeben - etwas, was dem ursprünglichen Bild vom schwarzen Loch völlig zu widersprechen scheint. Anhand dieser »HAWKING-Strahlung« könnten solche schwarzen Löcher prinzipiell direkt nachgewiesen werden. Sie verlieren durch die Strahlungsabgabe andauernd Masse, sodass sich kleine Löcher dieser Art im Lauf der Zeit sogar auflösen können. Weil sie durch ihre Strahlung sichtbar werden, bezeichnet man sie auch als weiße Löcher.

Supermassereiche schwarze Löcher

Die größten und massereichsten schwarzen Löcher findet man wohl in den Zentren von Sternsystemen wie dem Milchstraßensystem, also in Galaxien. Ihre Massen liegen im Bereich von einer Million bis einer Milliarde Sonnenmassen und damit schon in der Größenordnung von kugelförmigen Sternhaufen oder kleinen Galaxien. Ihre Anwesenheit rief besonders in der Frühzeit des Kosmos eine weitreichende Aktivität in Galaxien hervor, die mit fortschreitendem Alter der Sternsysteme allmählich abgeklungen ist.
Die Details solcher supermassereichen schwarzen Löcher sind nur durch Modellrechnungen zugänglich, doch besonders mithilfe des hochauflösenden HUBBLE-Weltraumteleskops konnten ihre Wirkungen auf die umliegende Materie beobachtet werden. So wurde beispielsweise im Zentrum der Radiogalaxie M87 ein schwarzes Loch von drei Milliarden Sonnenmassen nachgewiesen. Durch seine Anziehungskraft bewegen sich das Gas und die Sterne in seiner Umgebung mit hohen Geschwindigkeiten um es herum, die zum schwarzen Loch hin noch stetig zunehmen.
Die unterschiedlichen Phänomene aktiver Galaxien erklärt man durch unterschiedliche Gasmengen, die in das schwarze Loch einstürzen. Bei Quasaren, die zumeist in jugendlichen Galaxien zu finden sind, steht noch sehr viel Gas zur Verfügung, das sich in Form einer Scheibe, der Akkretionsscheibe, ansammelt. Durch Stöße zwischen den Atomen in der Scheibe wird die Bewegungsenergie aufgezehrt und zur Aufheizung sowie Ionisierung des Gases verwendet, das heißt, das Gas wird teilweise elektrisch geladen. Da die Anziehungskraft des schwarzen Lochs weiter wirkt, bewegt sich Gas auf Spiralen in Richtung des schwarzen Lochs. Magnetfelder im Innern des Gases werden dabei im Wesentlichen senkrecht zur Scheibenebene ausgerichtet, sodass ein Teil der elektrisch geladenen Materie mit hoher Geschwindigkeit entlang der Magnetfeldlinien abströmt. Sie bildet die im Radiobereich und bisweilen auch im sichtbaren Licht beobachtbaren Jets, strahlförmige Materieströme, die sich oft über Entfernungen von einigen Hunderttausend Lichtjahren erstrecken.

Stellare schwarze Löcher

Schwarze Löcher, die aus Sternen entstanden sind, sollten nicht weniger häufig auftreten als supermassereiche schwarze Löcher, sie sind jedoch schwerer nachzuweisen. Der Theorie nach entstehen sie in einem bestimmten Typ von Sternexplosionen, den Supernovae, in denen ein Stern von mindestens acht Sonnenmassen völlig zerrissen wird. Die Explosion wird ausgelöst, wenn die Kernfusion, die im Sterninnern (und in verschiedenen um den Kern liegenden Schalen) Energie erzeugt, mangels Brennstoffs zum Erliegen kommt.
Hört die Energieerzeugung auf, beginnt der Stern unter seiner eigenen Anziehungskraft zusammenzubrechen. Im Innern des Sterns bildet sich dabei eine Stoßwelle aus, die, während sie nach außen läuft, die äußeren Bereiche des Sterns abreißt. Ein Teil der Stoßwelle läuft nach innen und verleiht dadurch dem Kernkollaps noch mehr Schwung. Bei masseärmeren Sternen wird der Kollaps durch die Entstehung eines vollständig aus Neutronen bestehenden Sterns gebremst, wobei Energie verbraucht wird. Wenn die Masse des Sterns größer als acht Sonnenmassen ist, reicht dieser Energieverlust jedoch nicht aus, um den Kollaps zu stoppen. Der entstehende Neutronenstern kollabiert weiter und sein Radius unterschreitet schließlich den seiner Masse entsprechenden Ereignishorizont, er wird zum schwarzen Loch.
Der Nachweis eines solchen stellaren schwarzen Lochs ist nur möglich, wenn es einen anderen Stern umkreist, mit diesem also einen Doppelstern bildet.
Stellare schwarze Löcher nachzuweisen ist sehr kompliziert, weil es verschiedene Gruppen von Doppelsternen gibt, die nahezu identisch aufgebaut sind. Auch in ihnen befindet sich ein kompaktes Objekt (ein Neutronenstern oder ein weißer Zwerg, das Endstadium eines normalen Sterns), das von einer Akkretionsscheibe umgeben ist. Aus ihr strömt die Materie auf die Sternoberfläche und sendet dort Röntgenstrahlung aus. Im Unterschied zu schwarzen Löchern haben Neutronensterne eine Massenobergrenze von etwa drei Sonnenmassen. Das Problem beim Nachweis stellarer schwarzer Löcher besteht also im sicheren Nachweis, dass das kollabierte Objekt mehr als drei Sonnenmassen besitzt.

Primordiale schwarze Löcher

Alle Arten von Objekten können prinzipiell zu einem schwarzen Loch werden, wenn sie nur genügend stark zusammengequetscht werden - die Erde müsste beispielsweise auf eine Größe von etwa einem Zentimeter gebracht werden. Im heutigen Universum ist dies nur noch selten möglich, daher beschränken sich die meisten schwarzen Löcher auf die beiden Massenbereiche »stellar« und »supermassereich«. Kurz nach der Entstehung des Universums war dies anders: Die mittlere Massendichte im Kosmos war vergleichbar oder größer als die Dichte in (jetzigen) Atomkernen, und aus lokalen Dichteschwankungen konnten sich winzige Massen zu sogenannten primordialen (urtümlichen) schwarzen Löchern entwickeln.
Primordiale schwarze Löcher könnten das Universium auch heute in großer Zahl bevölkern.