Eine Einführung in Black Holes

Schwarze Löcher sind Objekte im Universum, in deren Grenzen so viel Masse gefangen ist, dass sie unglaublich starke Gravitationsfelder haben. Tatsächlich ist die Gravitationskraft eines Schwarzen Lochs so stark, dass nichts mehr entweichen kann, wenn es erst einmal hineingegangen ist. Nicht einmal Licht kann aus einem Schwarzen Loch entweichen, es wird zusammen mit Sternen, Gas und Staub im Inneren eingeschlossen. Die meisten Schwarzen Löcher enthalten ein Vielfaches der Masse unserer Sonne und die schwersten können Millionen von Sonnenmassen haben.

Dieses computer-simulierte Bild zeigt ein supermassereiches Schwarzes Loch im Kern einer Galaxie. Der schwarze Bereich in der Mitte stellt den Ereignishorizont des Schwarzen Lochs dar, an dem kein Licht dem Gravitationsgriff des massiven Objekts entgehen kann. Die starke Schwerkraft des Schwarzen Lochs verzerrt den Raum um es herum wie ein Funhouse-Spiegel. Das Licht der Hintergrundsterne wird gedehnt und verschmiert, während die Sterne am Schwarzen Loch vorbeiziehen. NASA, ESA und D. Coe, J. Anderson und R. van der Marel (Institut für Weltraumteleskopforschung), Science Credit: NASA, ESA, C.-P. Ma (Universität von Kalifornien, Berkeley) und J. Thomas (Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik, Garching, Deutschland).

Trotz all dieser Masse wurde die eigentliche Singularität, die den Kern des Schwarzen Lochs bildet, nie gesehen oder abgebildet. Es ist, wie das Wort schon sagt, ein winziger Punkt im Raum, aber es hat eine Menge Masse. Astronomen können diese Objekte nur durch ihre Wirkung auf das sie umgebende Material untersuchen. Das Material um das Schwarze Loch bildet eine rotierende Scheibe, die sich direkt hinter einer Region befindet, die als "Ereignishorizont" bezeichnet wird und der Gravitationspunkt ohne Rückkehr ist.

Die Struktur eines Schwarzen Lochs

Der grundlegende "Baustein" des Schwarzen Lochs ist die Singularität: eine punktgenaue Region des Raums, die die gesamte Masse des Schwarzen Lochs enthält. Um ihn herum befindet sich eine Raumregion, aus der das Licht nicht entweichen kann und die dem "Schwarzen Loch" seinen Namen gibt. Der äußere "Rand" dieser Region bildet den Ereignishorizont. Es ist die unsichtbare Grenze, an der die Anziehungskraft des Gravitationsfeldes gleich der Lichtgeschwindigkeit ist. Hier sind auch Schwerkraft und Lichtgeschwindigkeit im Gleichgewicht.

Die Position des Ereignishorizonts hängt von der Anziehungskraft des Schwarzen Lochs ab. Astronomen berechnen die Position eines Ereignishorizonts um ein Schwarzes Loch mithilfe der Gleichung R_s = 2 g / c². R ist der Radius der Singularität, G ist die Schwerkraft, M ist die Masse, c ist die Lichtgeschwindigkeit. 

Black Hole-Typen und wie sie sich bilden

Es gibt verschiedene Arten von Schwarzen Löchern, die auf unterschiedliche Weise entstehen. Der häufigste Typ ist ein Schwarzes Loch mit Sternenmasse. Diese enthalten ungefähr das wenigefache der Masse unserer Sonne und bilden sich, wenn großen Hauptreihensternen (das 10-15fache der Masse unserer Sonne) der Kernbrennstoff in ihren Kernen ausgeht. Das Ergebnis ist eine massive Supernova-Explosion, die die äußeren Schichten der Sterne in den Weltraum schießt. Was zurückbleibt, bricht zusammen und es entsteht ein schwarzes Loch.

Die Vorstellung eines Künstlers von einem Schwarzen Loch mit Sternenmasse (in Blau) entstand wahrscheinlich, als ein supermassereicher Stern zusammenbrach und sich von Material ernährte, das von einem nahe gelegenen Stern ausgeworfen wurde. ESA, NASA und Felix Mirabel)

Die beiden anderen Arten von Schwarzen Löchern sind supermassive Schwarze Löcher (SMBH) und Mikroschwarze Löcher. Ein einzelnes SMBH kann die Masse von Millionen oder Milliarden von Sonnen enthalten. Mikroschwarze Löcher sind, wie der Name schon sagt, sehr winzig. Sie könnten vielleicht nur 20 Mikrogramm Masse haben. In beiden Fällen sind die Mechanismen für ihre Entstehung nicht ganz klar. Mikroschwarze Löcher existieren theoretisch, wurden jedoch nicht direkt nachgewiesen.

In den Kernen der meisten Galaxien gibt es supermassive Schwarze Löcher, deren Ursprung noch immer umstritten ist. Es ist möglich, dass supermassereiche Schwarze Löcher das Ergebnis einer Fusion von kleineren Schwarzen Löchern mit Sternenmasse und anderer Materie sind. Einige Astronomen schlagen vor, dass sie geschaffen werden könnten, wenn ein einzelner hochmassereicher Stern (hundertmal die Masse der Sonne) zusammenbricht. In beiden Fällen sind sie massiv genug, um die Galaxie auf vielfältige Weise zu beeinflussen. Dies reicht von Auswirkungen auf die Starbirth-Raten bis hin zu den Umlaufbahnen von Sternen und Material in ihrer näheren Umgebung.

Viele Galaxien haben supermassereiche Schwarze Löcher in ihren Kernen. Wenn sie aktiv "essen", geben sie riesige Jets ab und werden als aktive galaktische Kerne bezeichnet. NASA / JPL-Caltech

Andererseits könnten Mikroschwarze Löcher bei der Kollision zweier sehr energiereicher Partikel entstehen. Wissenschaftler vermuten, dass dies kontinuierlich in der oberen Erdatmosphäre geschieht und wahrscheinlich während Teilchenphysik-Experimenten an Orten wie dem CERN geschieht. 

Wie Wissenschaftler Schwarze Löcher messen

Da Licht nicht aus der Region um ein vom Ereignishorizont betroffenes Schwarzes Loch austreten kann, kann niemand ein Schwarzes Loch wirklich "sehen". Astronomen können sie jedoch anhand der Auswirkungen messen und charakterisieren, die sie auf ihre Umgebung haben. Schwarze Löcher, die sich in der Nähe anderer Objekte befinden, üben eine Gravitationswirkung auf sie aus. Zum einen kann die Masse auch durch die Materialbahn um das Schwarze Loch bestimmt werden.

Ein Modell eines Schwarzen Lochs, umgeben von erhitztem ionisiertem Material. So könnte das Schwarze Loch in der Milchstraße aussehen. Brandon DeFrise Carter, CC0, Wikimedia.   

In der Praxis leiten Astronomen das Vorhandensein des Schwarzen Lochs ab, indem sie untersuchen, wie sich Licht um dieses herum verhält. Schwarze Löcher haben, wie alle massiven Objekte, genug Anziehungskraft, um den Lichtweg zu biegen, wenn er vorbeigeht. Wenn sich Sterne hinter dem Schwarzen Loch relativ dazu bewegen, erscheint das von ihnen emittierte Licht verzerrt oder die Sterne scheinen sich auf ungewöhnliche Weise zu bewegen. Aus diesen Informationen kann die Position und Masse des Schwarzen Lochs bestimmt werden.

Dies zeigt sich besonders in Galaxienhaufen, in denen die kombinierte Masse der Haufen, ihre dunkle Materie und ihre schwarzen Löcher seltsam geformte Bögen und Ringe erzeugen, indem sie das Licht entfernterer Objekte beim Vorbeigehen biegen. 

Astronomen können auch schwarze Löcher durch die Strahlung sehen, die das erhitzte Material um sie herum abgibt, wie z. B. Radio- oder Röntgenstrahlen. Die Geschwindigkeit dieses Materials gibt auch wichtige Hinweise auf die Eigenschaften des Schwarzen Lochs, dem es zu entkommen versucht.

Hawking-Strahlung

Der letzte Weg, auf dem Astronomen möglicherweise ein Schwarzes Loch erkennen könnten, führt über einen Mechanismus, der als Hawking-Strahlung bekannt ist. Die Hawking-Strahlung, die nach dem berühmten theoretischen Physiker und Kosmologen Stephen Hawking benannt wurde, ist eine Folge der Thermodynamik, bei der die Energie aus einem Schwarzen Loch entweichen muss.

Die Grundidee ist, dass aufgrund natürlicher Wechselwirkungen und Schwankungen im Vakuum die Materie in Form eines Elektrons und eines Anti-Elektrons (Positron genannt) erzeugt wird. Wenn dies in der Nähe des Ereignishorizonts geschieht, wird ein Partikel vom Schwarzen Loch weggeschleudert, während das andere in die Gravitationsbohrung fällt.

Für einen Beobachter ist alles, was "gesehen" wird, ein Teilchen, das aus dem Schwarzen Loch ausgestoßen wird. Das Teilchen würde positive Energie haben. Aus Symmetriegründen bedeutet dies, dass das Teilchen, das in das Schwarze Loch gefallen ist, eine negative Energie hat. Das Ergebnis ist, dass ein Schwarzes Loch mit zunehmendem Alter Energie und damit Masse verliert (nach Einsteins berühmter Gleichung E = MC)², wo E= Energie, M= Masse und C ist die Lichtgeschwindigkeit).

Bearbeitet und aktualisiert von Carolyn Collins Petersen.