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  • 16.02.2018
  • von Otto Wöhrbach

Schwarze Löcher: Das Unsichtbare soll sichtbar werden

von Otto Wöhrbach

Vor etwa einem Jahr haben Forscher mit mehreren Röntgenteleskopen das Schwarze Loch in der Mitte der Milchstraße vermessen. Seitdem werden die Daten ausgewertet und sollen in den nächsten Tagen zu einem Bild zusammengesetzt werden, das dieser Computersimulation ähneln könnte. Bild: ESO/Bronzwaer/Davelaar/Moscibrodzka/Falcke/Radboud University

Sie verschlingen alles, auch Licht. Trotzdem soll es bald die erste Aufnahme, eine Art Schattenriss, eines Schwarzen Lochs geben.

Niemand hat bis jetzt ein „Schwarzes Loch“ direkt gesehen. Geht auch gar nicht. Die anziehende Gravitation um Schwarze Löcher herum ist so groß, dass selbst elektromagnetische Wellen wie etwa Licht oder Röntgenstrahlung zurückgehalten werden. Deshalb sind Schwarze Löcher absolut schwarz – schwärzer noch als das Weltall selbst. Oder genauer: Sie werden umhüllt von ihrem so genannten „Ereignis-Horizont“. Nur was außerhalb von ihm liegt, können wir beobachten. Genau diesen Raum um den Ereignis-Horizont eines Schwarzen Lochs herum soll nun erstmals ein Teleskop zeigen: Das „Ereignis-Horizont-Teleskop“ wird, wenn alles geklappt hat, demnächst das erste echte Bild mit Schwarzem Loch liefern.

Mathematisch korrekte Hirngespinste?

Schon 1916 sagte der deutsche Astronom Karl Schwarzschild die Existenz Schwarzer Löcher voraus. Er erkannte, dass die Gravitation in der Nähe einer Kugel sehr seltsame Eigenschaften aufweist, wenn diese Kugel kleiner ist als ein von ihrer Masse abhängiger Grenzradius. Mit Hilfe der kurz zuvor von Albert Einstein entwickelten Allgemeinen Relativitätstheorie konnte er diesen Grenzradius sogar berechnen. Heute heißt er Schwarzschild-Radius. Zur Masse unserer Sonne von zwei Quintillionen Kilogramm (eine Zahl mit 30 Nullen) gehört ein Schwarzschild-Radius von etwa drei Kilometern. In Wahrheit besitzt die Sonne aber einen Radius von 700 000 Kilometern. Würde die Sonne bei gleichbleibender Masse zu einer kleinen Kugel mit einem Radius von weniger als drei Kilometern schrumpfen, würde sie sich in ein Schwarzes Loch verwandeln. Sie würde verschwinden hinter dem Ereignis-Horizont, der die Sonne kugelförmig mit Schwarzschild-Radius umhüllen würde, und was dahinter geschehen würde, bliebe uns auf ewig verborgen. Von außen jedoch würden Licht und Materie unwiederbringlich durch den Ereignis-Horizont hindurch in das Schwarze Loch stürzen.

Einstein hielt die Berechnungen Schwarzschilds für mathematisch korrekt, aber Hirngespinste. Bis zu seinem Tod 1954 meinte er, dass „Schwarzschild-Singularitäten“ in der physikalischen Realität nicht existieren.

Dutzende Schwarze Löcher in der Milchstraße

Er sollte sich täuschen. Es gibt sogar mindestens zwei verschiedene Sorten von Schwarzen Löchern. Die erste Sorte, stellare Schwarze Löcher, sind die letzte Station im Leben eines großen, massereichen Sterns. Wenn er an seinem Ende als Supernova explodiert, und wenn dabei eine Zentralregion von mindestens dreifacher Sonnenmasse die Explosion übersteht, dann stürzt dieses ehemalige Sternzentrum unter seinem eigenen Gewicht immer weiter in sich zusammen. Keine Kraft des Kosmos kann diesen Zusammensturz aufhalten, so dass der kollabierende Reststern schließlich seinen Schwarzschild-Radius überschreitet und hinter seinem Ereignis-Horizont verschwindet.

In der Milchstraße haben Astronomen mittlerweile rund ein Dutzend solcher stellaren Schwarzen Löcher entdeckt. Das erste wurde 1970 im Sternbild Schwan aufgespürt: Cygnus X-1, rund 6 000 Lichtjahre von uns entfernt. Mit seiner starken Gravitation zieht Cygnus X-1 Materie von einem Begleitstern zu sich herüber. Ehe diese Materie aber endgültig in das Schwarze Loch hineinstürzt, strudelt sie zuerst noch außerhalb des Ereignis-Horizonts um das Schwarze Loch herum – ähnlich wie Wasser um ein Abflussrohr. Durch Reibung erhitzt sich die herumwirbelnde Materie auf so hohe Temperaturen, dass sie Röntgenlicht abstrahlt. Und genau diese Röntgenstrahlung aus der Umgebung von Cygnus X-1 können Röntgenteleskope an Bord von Satelliten auffangen.

Womöglich liegt im Zentrum jeder Galaxie ein Schwarzes Loch

Es gibt aber auch noch Schwarze Löcher ganz anderen Kalibers: In diesen „Supermassiven Schwarzen Löchern“ steckt die Masse von Millionen oder gar Milliarden Sonnen. Sie sitzen im Zentrum vieler, vielleicht sogar aller Galaxien. Wie sie entstanden sein könnten – etwa durch die Verschmelzung vieler Sterne, oder durch eine Zusammenballung gigantischer Gasmassen – ist noch ungeklärt. Sicher ist aber, dass auch in der Mitte der Milchstraße, unserer Heimatgalaxis, ein Supermassives Schwarzes Loch sitzt, erkennbar an der starken Gravitation in seiner Umgebung. Sie zeigt sich durch die überraschend hohen Geschwindigkeiten der Sterne, die man nahe am Zentrum der Milchstraße beobachtet. Der schnellste unter ihnen rast mit einer Geschwindigkeit von bis zu 5 000 Kilometern pro Sekunde in jeweils nur 15 Jahren um die Mitte der Galaxis herum. Daraus kann man die Stärke der Gravitation berechnen, die diese Sterne trotz ihrer hohen Geschwindigkeiten auf ihre engen Kurvenbahnen um das Milchstraßenzentrum herum zwingt. Das Ergebnis: Das Supermassive Schwarze Loch in der Mitte unserer Galaxis besitzt eine Masse von rund vier Millionen Sonnen. Entsprechend groß ist auch der Radius seines Ereignis-Horizonts: Zwölf Millionen Kilometer.

Unser Sonnensystem fliegt in einem ausreichend großen Abstand von rund 26 000 Lichtjahren um das zentrale galaktische Schwarze Loch herum. Von der Erde aus gesehen ist sein Ereignis-Horizont deshalb so klein wie ein Tischtennisball auf dem Mond. Selbst wenn man den Ereignis-Horizont in der Mitte der Milchstraße sehen könnte – etwa als dünnen Lichtkreis, abgestrahlt von heißer Materie, die gerade über den Ereignis-Horizont in das Schwarze Loch fällt – könnte man ihn von der Erde aus mit keinem optischen Teleskop erkennen.

Vernebelte Sicht

Dazu kommt noch eine weitere Schwierigkeit: Sichtbehinderungen durch Nebel mit Sichtweiten unter 10 000 Lichtjahren. Zwischen den Sternen der Milchstraße treiben Nebel aus Gas und Staub dahin, die den optischen Blick in das Zentrum der Milchstraße verhindern. Elektromagnetische Wellen mit größeren Wellenlängen als sichtbares Licht können die galaktischen Materienebel dagegen durchaus durchdringen. Sie können aufgefangen werden mit Radioteleskopen. Der Nachteil: Die langen Radiowellen liefern nur ein unscharfes Bild von den weit entfernten Himmelsobjekten, welche die Radiowellen abstrahlen. Doch es gibt eine technische Möglichkeit, die Bilder von kosmischen Radioquellen zu schärfen: Man muss die Radiowellen, die sie abstrahlen, mit möglichst vielen möglichst weit auseinanderliegenden Radioteleskopen auffangen. Im April vergangenen Jahres richteten sich deshalb Radioteleskope in Europa, USA, Mexiko, Chile und am Südpol zehn Tage lang gleichzeitig auf die Mitte der Milchstraße und fingen die Radiowellen auf, die dort aus dem Umfeld des Supermassiven Schwarzen Lochs abgestrahlt werden. Damit bildete dieses „Event-Horizon-Telescope“ aus vielen Einzelteleskopen insgesamt ein hochauflösendes Radioteleskop mit einer Auffangfläche fast so groß wie die Erde. Noch ist das von ihm aufgenommene Bild der Umgebung des zentralen galaktischen Schwarzen Lochs verborgen in den riesigen Datenmengen, die jedes der Radioteleskope anhäufte. Auf Festplatten wurden die Daten nach Bonn zum Max-Planck-Institut für Radioastronomie und zum Haystack Observatory bei Boston, USA, transportiert. Die Daten des Radioteleskops am Südpol konnten aber erst vor wenigen Wochen – im antarktischen Sommer – ausgeflogen werden. Nun liegen alle Daten endlich vollständig vor und werden zur Zeit von den Großrechnern der beiden Institute verrechnet und zu dem erhofften Bild verarbeitet.

Nicht in aber um das Schwarze Loch lässt sich schauen

Was werden wir sehen? Gemäß der Allgemeinen Relativitätstheorie kann die große Gravitation eines Schwarzen Lochs dadurch beschrieben werden, dass der Raum und die Zeit in seiner Umgebung stark verbogen und verzerrt werden. Auch die vom Ereignis-Horizont-Teleskop aufgefangenen Radiowellen aus der Umgebung des Supermassiven Schwarzen Lochs folgten dieser Raum-Zeit-Krümmung, ehe sie aus der verbogenen Gravitationsgeometrie zu uns herausflogen. Das Bild der um das Schwarze Loch herumwirbelnden und dann durch seinen Ereignis-Horizont stürzenden Gas- und Staubwolken wird also vielfach verbogen und verkrümmt sein. Wir werden zwar nicht in das Schwarze Loch hineinsehen können, dank der Raum-Zeit-Krümmung werden wir aber um das Schwarze Loch herumblicken können – auf den Raum hinter ihm. Mit anderen Worten: Das Bild des Ereignis-Horizont-Teleskops vom Schwarzen Loch in der Mitte der Milchstraße wird uns vor Augen führen, was Einstein nur mit den komplizierten Formeln seiner Allgemeinen Relativitätstheorie ausdrücken konnte. Schauen wir mal.

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