Schwarze Löcher: Sternenfresser

Vor hundert Jahren sagte Albert Einstein sie voraus, nun ist es Wissenschaftlern zum ersten Mal gelungen, Gravitationswellen zu messen. Die Ergebnisse könnten helfen, Schwarze Löcher besser zu verstehen. Lesen Sie hier unsere Reportage "Sternenfresser" über diese rätselhaften Objekte und ihre Wirkung.

Unsere Sonne wird einen stillen Tod sterben,denn ihre Masse ist für einen Stern relativ klein. Wenn sie in etwa fünf Milliarden Jahren ihren Vorrat an Wasserstoff verbrannt hat, werden ihre äußeren Schichten ins All davontreiben, ihr Kern aber wird zu einem Weißen Zwerg zusammenfallen, einem erdgroßen Funken im Kosmos.

Das Ende eines zehnmal größeren Sterns verläuft dramatischer. Seine äußeren Schichten werden in einer Explosion ins All geschleudert, Beobachter von außerhalb sehen dann eine Supernova. Der Kern wird derweil durch die Schwerkraft zu einem Neutronenstern zusammengepresst, einer rotierenden, vielleicht gerade noch 20 Kilometer großen Kugel. Ein zuckerwürfelgroßes Stück eines solchen Neutronensterns würde auf der Erde eine Milliarde Tonnen wiegen. Die Anziehungskraft eines Neutronensterns ist so gewaltig, dass ein fallendes Stück Zuckerwatte beim Aufprall die Energie einer Atombombe freisetzen würde.

Unvergleichlich heftiger sind die Effekte beim Untergang eines Sterns, der 20­mal größer ist als die Sonne. Hätte man in jeder Millisekunde seit der Entstehung des Universums vor 13,8 Milliarden Jahren eine Hiroshima-­Bombe zur Explosion gebracht, wäre immer noch weniger Energie freigesetzt worden als beim finalen Kollaps eines Riesensterns. Sein Kern wird 55 Milliarden Grad heiß. Seine Anziehungskraft ist schier grenzenlos. Sie verdichtet Eisenbrocken von den Ausmaßen des Mount Everest blitzartig auf Sandkorngröße. Jedes Atom wird in seine Bestandteile zertrümmert, in Elektronen, Protonen und Neutronen. Die wiederum werden zu noch kleineren Elementarteilchen zerquetscht, zu Quarks, Leptonen und Gluonen. Und so geht es weiter, winziger und winziger, dichter und dichter, bis ...

Nun, bis ... wohin? Niemand weiß es. Bei dem Versuch, solch ein Phänomen zu erklären, versagen die beiden wichtigsten physikalischen Theorien, die beschreiben, was in unserem Universum geschieht: die Allgemeine Relativitätstheorie und die Quantenmechanik. Weil der kollabierende Stern zu einem Schwarzen Loch geworden ist.

Video: Stephen Hawking über Schwarze Löcher

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Was ein Schwarzes Loch zum dunkelsten Abgrund im Kosmos macht, ist die Geschwindigkeit, die nötig ist, um seiner Anziehungskraft zu entkommen. Die Gravitation unserer Erde überwindet man bereits, indem man eine Rakete auf rund elf Kilometer pro Sekunde beschleunigt – was etwa zehnmal so schnell ist wie eine abgefeuerte Gewehrkugel. Die höchste Geschwindigkeit, die ein Objekt in unserem Universum erreichen kann, beträgt 299.792 Kilometer pro Sekunde – es ist die Lichtgeschwindigkeit.

Aber selbst das ist zu wenig, um die Anziehungskraft eines Schwarzen Lochs zu überwinden. Deshalb kann nicht einmal ein Lichtstrahl aus dem Inneren eines Schwarzen Lochs entkommen. Und aufgrund einiger sehr seltsamer Folgen extremer Gravitation kann man auch nicht von außen hineinschauen. Ein Schwarzes Loch ist vom übrigen Universum isoliert. Der Übergang zwischen dem Inneren eines Schwarzen Lochs und dem All darum herum wird Ereignishorizont genannt. Alles, was diesen Horizont überschreitet – ob Stern oder Mensch – ist für immer verloren.

Albert Einstein, einer der klügsten Köpfe in der Geschichte der Physik, glaubte nicht, dass es Schwarze Löcher überhaupt gibt. Er meinte, sie seien zwar mathematisch denkbar, aber die Natur würde solche Phänomene nicht entstehen lassen. Er war damit nicht allein. Noch in der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts verwarfen die meisten Physiker die Idee, ein Objekt könne eine so hohe Dichte und Anziehungskraft erreichen, dass es sogar das Licht festhalten würde.

Andererseits: Nachgedacht hatten Wissenschaftler darüber sogar schon im 18. Jahrhundert. Der englische Philosoph John Michell erwähnte die Idee 1783 in einem Bericht an die Londoner Royal Society. Der französische Philosoph Pierre-Simon Laplace sagte ihre Existenz in einem 1796 veröffentlichten Buch voraus. Von Schwarzen Löchern sprach allerdings noch niemand. Sondern von gefrorenen Sternen, dunklen Sternen oder Schwarzschild-Singularitäten. Der deutsche Astronom Karl Schwarzschild war 1915 der Erste, der für viele theoretische Gleichungen zu diesen superdichten Kuriositäten Lösungen fand. Die Bezeichnung „Schwarzes Loch“ wurde erstmals 1967 gebraucht – in der Diskussion nach einem Vortrag des amerikanischen Physikers John Wheeler an der Columbia-Universität in New York.

Zu jener Zeit nahm die Debatte eine radikale Wendung. Das lag vor allem an den neuen Möglichkeiten der Himmelsbeobachtung. Erstmals registrierten die Menschen nicht mehr nur das für unsere Augen sichtbare Spektrum des Lichts. Seit den sechziger Jahren fingen sie auch die Röntgen-, Infrarot- und Radiostrahlung der Sterne auf. Plötzlich konnten Astronomen durch den interstellaren Staub hindurchschauen und wie auf einem Röntgenbild auch die innere Struktur der Galaxien sehen.

Dabei fanden sie Erstaunliches: Im Zentrum der meisten Galaxien – von denen es mehr als hundert Milliarden im Universum gibt – findet sich eine an Sternen, Gas und Staub besonders reiche Zone. Und in nahezu jeder beobachteten Galaxie einschließlich unserer Milchstraße existiert im Mittelpunkt dieses Materiehaufens ein so massereiches Objekt mit einer so gewaltigen Anziehungskraft, dass es dafür nur eine Erklärung geben kann: Es ist ein Schwarzes Loch.

Daraus, wie es den Raum um sich herum beeinflusst, kann man errechnen, dass das Schwarze Loch im Zentrum der Milchstraße so viel wiegt wie 4,3 Millionen Exemplare unserer Sonne. Das Schwarze Loch in der Andromeda- Galaxie hat die Masse von hundert Millionen Sonnen. In anderen Galaxien, so wird spekuliert, gibt es Monster mit zehn Milliarden Sonnenmassen. Schwarze Löcher werden mit der Zeit größer. Sie verschlingen Sterne, die ihnen zu nahe kommen, und legen dadurch an Masse zu.

Es hat nur eine einzige Generation von Astrophysikern gebraucht, um Schwarze Löcher von provozierenden Gedankenexperimenten zu einem Phänomen werden zu lassen, das in der Physik mehrheitlich akzeptiert wird.

Dabei hat noch niemand ein Schwarzes Loch gesehen. Es wird auch niemandem je gelingen. Es gibt nichts zu sehen. Es ist eine leere Stelle im Universum – eine Menge Nichts, wie Physiker gern sagen. Dass ein solches Loch da ist, lässt sich nur aus seiner Wirkung auf die Umgebung ableiten. Es ist, wie wenn man aus dem Fenster schaut und sieht, dass sich alle Bäume in eine Richtung neigen. Dann ist die Wahrscheinlichkeit groß, dass dort ein kräftiger Wind bläst.

99,9 Prozent aller Experten bejahen deshalb die Frage nach der Existenz Schwarzer Löcher. Sonst müsste es im Zentrum der meisten Galaxien etwas aus physikalischer Sicht noch viel Verrückteres geben. Die letzten Zweifel könnten in den kommenden Monaten zerstreut werden. Astronomen wollen ein Schwarzes Loch dabei beobachten, wie es eine Gaswolke verschlingt: Sagittarius A* . So wird das Schwarze Loch im Zentrum unserer Milchstraße genannt.

Es ist 26.000 Lichtjahre von der Erde entfernt und wird Sgr A* abgekürzt. Seit geraumer Zeit zieht es eine Gaswolke an (G2), die sich mit etwa 3000 Kilometern pro Sekunde nähert. In einem Jahr könnte G2 den Ereignishorizont von Sgr A* erreichen. Dann werden rund um den Globus Radioteleskope auf das Schwarze Loch gerichtet sein. Im Idealfall gelingt es, alle Observatorien zu einem „Ereignishorizont-Teleskop“ zu synchronisieren. Damit könnte man zwar immer noch nicht das Schwarze Loch selbst sehen, aber die sogenannte Akkretionsscheibe, also den Ring aus Materie, der das Loch umgibt. Das sollte ausreichen, um die letzten Zweifel an der Existenz Schwarzer Löcher zu entkräften.

VIELLEICHT IST UNSER KOSMOS TEIL EINES MULTIVERSUMS.

Die Materie, die in der Akkretionsscheibe um ein Schwarzes Loch herumwirbelt, entwickelt eine beträchtliche Reibungshitze. Manche Schwarze Löcher rotieren auch selbst, sie sind reißende Strudel im Weltraum. Reibung wie Rotation führen dazu, dass eine erhebliche Menge – manchmal mehr als 90 Prozent – der auf das Schwarze Loch zustürzenden Materie gar nicht durch den Ereignishorizont eingesaugt, sondern vorher nach außen geschleudert wird wie Funken von einem rotierenden Schleifstein.

Mit dem Unterschied, dass bei einem Schwarzen Loch diese heiße Materie in Strahlen gebündelt wird. Diese sogenannten Jets erreichen beinahe Lichtgeschwindigkeit und können vom Zentrum einer Galaxie aus Millionen Lichtjahre weit ins All schießen. Nur zur Erinnerung: Ausgangsprodukt dieser Jets ist die Materie von Gaswolken und Sternen, die ein Schwarzes Loch an sich herangezogen hat. Mit anderen Worten: Das Schwarze Loch im Zentrum einer Galaxie zermalmt alte Materie und schießt einen großen Teil der dabei entstehenden heißen gasförmigen Stoffe zurück in ihre Außenbereiche. Das Gas kühlt ab, ballt sich wieder zusammen und bildet neue Sterne – Nachwuchs für die Galaxie.

Ein paar Vorstellungen über Schwarze Löcher müssen noch richtiggestellt werden. Zunächst einmal die in Science-­Fiction­-Romanen geschürte Furcht, dass Schwarze Löcher Monster sind, die alles im All in sich hineinsaugen würden. Ein Schwarzes Loch hat aber nicht mehr Saugkraft als der Stern, aus dem es hervorgegangen ist. Die Anziehungskraft ist nur in Bezug auf seinen Durchmesser so außerordentlich groß. Falls unsere Sonne plötzlich zu einem Schwarzen Loch würde – was nicht geschehen wird, nur ein Gedankenspiel – bliebe ihre Masse ja gleich. Ihr Durchmesser allerdings würde von knapp 1,4 Millionen Kilometer auf weniger als 6,5 Kilometer schrumpfen. Die Erde wäre fortan ohne ihre wärmenden Strahlen zwar dunkel und eisig, das Schwarze Loch hätte aber die gleiche Anziehungskraft wie zuvor die Sonne. Unsere Umlaufbahn bliebe unverändert.

So weit, so gut. Das nächste Thema, die Zeit, erfordert etwas mehr Gedankenakrobatik. Eigentlich ist schon die Zeit an sich ein schwer verständliches Konzept. Zeit vergeht nicht an jedem Ort mit der gleichen Geschwindigkeit. Sie wird, wie Einstein entdeckte, von der Gravitation beeinflusst. Zeit ist relativ.

Das soll ein weiteres Gedankenexperiment anschaulich machen: Nehmen wir einen Wolkenkratzer und stellen in jedem Stockwerk eine äußerst genaue Uhr auf. In den unteren Stockwerken wären die Uhren der Erdmitte näher und der Gravitation stärker ausgesetzt. Deshalb würden sie unten langsamer gehen als die ganz oben – allerdings nur um Bruchteile einer Milliardstel Sekunde. In unserem Alltag spielt das keine Rolle. Aber schon die Uhren auf den Satelliten für das Navigationssystem GPS müssen geringfügig langsamer laufen als solche auf der Erdoberfläche, sonst könnte das GPS keine genauen Ortsangaben errechnen.

Schwarze Löcher mit ihrer hohen Anziehungskraft sind im Grunde so etwas wie Zeitmaschinen. Gesetzt den Fall, man könnte mit einer Rakete zu Sgr A* fliegen und sich ganz dicht an seinen Ereignishorizont heranbegeben, würde ihn aber nicht überschreiten. Sgr A* ist so groß, dass sein Ereignishorizont etwa 13 Millionen Kilometer von seinem Zentrum entfernt ist. Je näher man ihm kommt, umso langsamer verstreicht für die Besatzung der Rakete die Zeit. Irgendwann vergehen für jede Minute an Bord tausend Jahre auf der Erde. Das ist schwer zu verstehen, aber mathematisch bewiesen.

Was aber geschieht, wenn etwas den Ereignishorizont dennoch überschreitet? Jemand, der von außen zuschaut, würde nichts hineinfallen sehen. Für den Beobachter würde sich die Zeitdehnung ins Unendliche verlängern, das Objekt seiner Beobachtung am Rand des Schwarzen Lochs zum Stillstand kommen. Eingefroren für die Ewigkeit.

Für die Rakete und ihre Besatzung verhält sich die Sache anders. Unter Physikern ist aber noch umstritten, was mit ihnen geschähe, wenn sie den Ereignishorizont überfliegen würden.

Es wird oft behauptet, Schwarze Löcher seien unendlich tief. Das stimmt nicht. Es gibt einen Boden. Nur würde nichts, was hineinfällt, es am Stück erreichen. Weil die Anziehungskraft während des Falls unvorstellbar schnell stärker wird. Stellen wir uns einen Menschen vor, der mit den Stiefeln voran hineinfällt. In diesem Fall zerrte die Gravitation an seinen Füßen so viel stärker als an seinem Kopf, dass er gedehnt und schließlich auseinandergerissen würde. Physiker nennen dies „Spaghettisierung“.

Ganz unten am Boden eines Schwarzen Loches schließlich liegt ein rätselhaftes Gebilde, die Singularität. Sein Wesen zu erklären wäre einer der größten Durchbrüche in der Geschichte der Wissenschaft. Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie und die Quantenmechanik beschreiben zwar unsere sichtbare Realität hinreichend gut, doch an extremen Orten wie dem Inneren eines Schwarzen Loches reicht weder die eine noch die andere aus.

Eine Singularität ist etwas. Zumindest im mathematischen Sinn. Etwas unendlich Kleines und unvorstellbar Schweres, eine durch die Schwerkraft verursachte Krümmung des Raums. Wobei die Möglichkeit besteht, dass die Vereinigung von Allgemeiner Relativitätstheorie mit der Quantenphysik noch zu einer anderen Vorstellung führt. Die Mehrheit der Physiker sagt: Ja, es gibt Schwarze Löcher, aber was im Inneren einer Singularität ist, werden wir nie erfahren.

Spekulationen sind jedoch erlaubt. In jüngster Zeit vertreten immer mehr theoretische Physiker die Ansicht, dass unser Universum nicht einzig sei. Wir lebten eher in einem Multiversum – einer Ansammlung von Universen, jedes einzelne wie ein Loch im Schweizer Käse des großen Ganzen. Um ein neues Universum zu schaffen, müsse man eine gewisse Menge Materie von einem bestehenden Universum wegnehmen, verdichten und vom Rest isolieren.

Klingt verrückt? Immerhin glauben wir zu wissen, was aus einer speziellen Singularität geworden ist: unser eigenes Universum. Es entstand in einem gewaltigen Urknall. Einen Moment zuvor waren Raum, Zeit und Materie noch in einem unendlich winzigen, unendlich dichten Punkt zusammengeknüllt – der Singularität.

Vielleicht funktioniert das Multiversum aber auch so: Es vermehrt sich wie eine Eiche. Es bildet Eicheln, die herabfallen und zu neuen Eichen auskeimen. Vielleicht ist jede Singularität im Zentrum eines Schwarzen Lochs das Samenkorn eines neuen Universums.

(NG, Heft 3 / 2014, Seite(n) 64 bis 75)