Schwarzes Loch

Aus Radioaufnahmen des Event Horizon Telescope berechnete Darstellung, die das supermassereiche Schwarze Loch der Galaxie M87 zeigt. Die schwarze Scheibe in der Bildmitte ist etwa 2,5-mal so groß wie der Ereignishorizont (Schwarzschild-Durchmesser ca. 38·10¹² m) des supermassereichen Schwarzen Lochs im Zentrum.

Simulation eines nichtrotierenden Schwarzen Lochs von 10 Sonnenmassen, wie es aus einer Entfernung von 600 km aussähe. Die Milchstraße im Hintergrund erscheint durch die Gravitation des Schwarzen Lochs verzerrt und doppelt. Die Bildbreite entspricht einem Blickwinkelbereich von etwa 90°.

Computersimulation eines nichtrotierenden Schwarzen Lochs von 10 Sonnenmassen, wie es aus einer Entfernung von 600 km aussähe. Die Milchstraße im Hintergrund erscheint durch die Raumzeitkrümmung verzerrt und doppelt. Die Bildbreite entspricht einem Blickwinkelbereich von 90°.

Ein Schwarzes Loch ist ein astronomisches Objekt, das in seiner unmittelbaren Umgebung eine so starke Gravitation erzeugt, dass weder Materie noch Information (etwa Licht- oder Radiosignale) diese Umgebung verlassen kann. Nach der Allgemeinen Relativitätstheorie verformt eine ausreichend kompakte Masse die Raumzeit so stark, dass sich ein Schwarzes Loch bildet. Außerhalb des sog. Ereignishorizonts verhält sich ein Schwarzes Loch wie ein normaler Massenkörper und kann von anderen Himmelskörpern auf stabilen Bahnen umrundet werden. Der Ereignishorizont erscheint von außen visuell als vollkommen schwarzes und undurchsichtiges Objekt, in dessen Nähe der dahinterliegende Raum wie durch eine optische Linse verzerrt abgebildet wird.

Forschungsgeschichte

Der Begriff „Schwarzes Loch“ ist erstmals 1964 in einem Bericht der Wissenschaftsjournalistin Ann Ewing über ein Symposion der American Association for the Advancement of Science zu den verschiedenen Endstadien von Sternen nachgewiesen und wurde schließlich 1967 durch John Archibald Wheeler etabliert. Zu jener Zeit galt die Existenz der erst theoretisch beschriebenen Schwarzen Löcher zwar als sehr wahrscheinlich, war aber noch nicht durch Beobachtungen bestätigt. Später wurden zahlreiche Beispiele für Auswirkungen Schwarzer Löcher beobachtet, z. B. ab 1992 die Untersuchungen des supermassereichen Schwarzen Lochs Sagittarius A* im Zentrum der Milchstraße im Infrarotbereich. 2016 wurde die Fusion zweier Schwarzer Löcher über die dabei erzeugten Gravitationswellen durch LIGO beobachtet und 2019 gelang eine radioteleskopische Aufnahme eines Bildes des supermassereichen Schwarzen Lochs im Zentrum der Galaxie M87.

Schon 1783 hatte der englische Naturphilosoph und Geologe John Michell (1724-1793) einen Einfluss der Gravitation auf das Licht vermutet und auch die Existenz von „Dunklen Sternen“ postuliert. Der Begriff verweist auf den Umstand, dass sich im Außenraum von hinreichend kompakten Massen oder Energieanhäufungen ein durch den Ereignishorizont (eng. event horizon) charakterisiertes Raumgebiet bildet, in das Materie nur hineinfallen, aber nicht wieder hinausgelangen kann (Loch), und das auch eine elektromagnetische Welle, wie etwa sichtbares Licht, niemals verlassen kann und daher schwarz erscheint.

Ereignishorizont und Schwarzschild-Radius

→ Hauptartikel: Ereignishorizont

Bei statischen Schwarzen Löchern mit einer zentralen Singularität bei $r=0$ ist der Ereignishorizont identisch mit dem sog. Schwarzschild-Radius $r_{\mathrm {S} }$. Mit der Gravitationskonstante $G=6{,}673\;84\;(80)\cdot 10^{-11}\,\mathrm {{m^{3}}/{kg\cdot s^{2}}}$ und der Lichtgeschwindigkeit $c=299\,792\,458\;\mathrm {m/s}$ errechnet er sich wie folgt:

$r_{\mathrm {S} }={\frac {2\cdot G\cdot M}{c^{2}}}=M\cdot 1{,}485\cdot 10^{-27}{\frac {\mathrm {m} }{\mathrm {kg} }}$

Für die Masse der Sonne beträgt der Schwarzschild-Radius $2952\;{\text{m}}$, für die Erde $9\;{\text{mm}}$

Singularität

Ein statisches schwarzes Loch mit seiner zentralen Singularität

Die sogenannte Singularität im Inneren des schwarzen Lochs ist jener Ort, an dem die Gravitation so stark wird, dass die Krümmung der Raumzeit divergiert und in diesem Sinn „unendlich“ ist. Die Frage, ob es auch nackte Singularitäten geben kann, d.h. Singulatitäten ohne Ereignishorizont, ist noch nicht geklärt.

Nach der Urknalltheorie entstand unser ganzes Universum aus einer mathematischen Singularität. Zugleich entstanden dabei überhaupt erst Raum und Zeit.

Hawking-Strahlung

Quantentheoretische Überlegungen von Stephen Hawking (1942-2018) zeigen, dass jedes Schwarze Loch dennoch auch Strahlung abgibt. Dies scheint im Widerspruch zu der Aussage zu stehen, dass nichts das Schwarze Loch verlassen kann. Jedoch lässt sich der Vorgang als Produktion von Teilchen/Antiteilchen-Paaren nahe am Schwarzschildradius deuten, bei dem eines der Teilchen ins Zentrum des Schwarzen Lochs fällt, während das andere in die Umgebung entkommt. Auf diese Weise kann ein Schwarzes Loch Teilchen abgeben, ohne dass etwas den Ereignishorizont von innen nach außen überschreitet. Die Energie für diesen Hawking-Strahlung genannten Prozess stammt aus dem Gravitationspotential des Schwarzen Lochs. Das heißt, es verliert durch die Strahlung an Masse.

Von außen betrachtet sieht es also so aus, als würde das Schwarze Loch „verdampfen“ und somit langsam kleiner werden. Den Teilchen der Hawking-Strahlung kann eine Wellenlänge und damit auch eine Temperatur zugeordnet werden. Diese Temperatur ist umgekehrt proportional zu der Masse des Schwarzen Lochs. Aus Sternen der Hauptreihe entstandene Schwarze Löcher sind allerdings so kalt, dass sie nur sehr wenig Hawking-Strahlung abgeben. Ihre Temperatur ist deutlich niedriger als die Temperatur der Hintergrundstrahlung, was bedeutet, dass das Schwarze Loch mehr Energie und damit Masse aus der Wärmestrahlung des Universums aufnimmt, als es durch Hawking-Strahlung abgibt.

Siehe auch

• Schwarzes Loch - Artikel in der deutschen Wikipedia
• Ereignishorizont - Artikel in der deutschen Wikipedia

Literatur

• Kip S. Thorne: Gekrümmter Raum und verbogene Zeit, Droemer Knaur, München 1996, ISBN 3-426-77240-X
• Stephen Hawking: Eine kurze Geschichte der Zeit, rororo, 1991, ISBN 3-499-60555-4
• Stephen W. Hawking: Die kürzeste Geschichte der Zeit, Rowohlt Tb., Reinbek bei Hamburg 2006, ISBN 3-499-62197-5
• Dominik Elsässer: Urknall, Sterne, Schwarze Löcher: Vergangenheit, Gegenwart und Zukunft des Universums, Springer-Verlag 2019, ISBN 978-3-662-57912-1, eBook ISBN 978-3-662-57913-8

Weblinks

• Photo eines Schwarzen Lochs "mit" Hawking-Strahlungspunkt