Schwarzes Loch, massives Objekt im Universum, das durch sein Gravitationsfeld das Raumzeitgefüge um sich herum so verzerrt, dass weder Materie noch Licht aus dieser Region nach außen gelangen können.
Der Ausdruck "Schwarzes Loch" wurde von dem Physiker John Wheeler 1967 eingeführt, da ein solches Objekt wegen des Einschlusses aller Lichtwellen dem Auge völlig schwarz erscheinen würde. Tatsächlich sind seitdem Dutzende Schwarzer Löcher im Universum gefunden worden. Eines gibt es im Zentrum unserer Milchstrasse, weitere in den Zentren anderer Galaxien. Im Herbst 2005 fanden Astronomen ein Schwarzes Loch, das außerhalb aller Galaxien in etwa 5 Milliarden Lichtjahren Entfernung einsam durch das Universum treibt.
Die literarische Beschreibung eines Schwarzen Loches findet man in Stanislaw Lem's Roman ►Fiasko. Leider merkt man der ansonsten guten deutschen Version des Romans an, dass der Übersetzer deutlich weniger über Schwarze Löcher weiß als der Autor.
Geburt eines Monsters
Ein Schwarzes Loch entsteht, wenn Materie eine bestimmte Dichte überschreitet. Die ►Allgemeine Relativitätstheorie besagt, dass massive Objekte durch ihr Gravitationsfeld den Raum um sich herum krümmen. Dies macht sich dadurch bemerkbar, dass Lichtstrahlen in der Nähe eines solchen Objekts nicht mehr geradlinig verlaufen. Sie werden wie von einer Sammellinse in Richtung des Objekts abgelenkt. Dieser Effekt macht sich bereits bei unserer Sonne bemerkbar, ist aber bei Neutronensternen oder noch dichteren Objekten entsprechend stärker. Ist das massive Objekt sehr klein, kann es das Licht auf eine Kreisbahn zwingen und den Raum komplett 'abschnüren'. Ein Schwarzes Loch ist entstanden. In seinem Zentrum befindet sich eine ►Singularität, ein Punkt unendlicher Dichte und Gravitation.
Die Größe, unterhalb der ein Objekt zu einem Schwarzen Loch wird, nennt man den Schwarzschild-Radius (nach dem Physiker Karl Schwarzschild). Er hängt von der Masse des Objekts ab. Bei unserer Sonne - die allerdings wegen ihrer zu geringen Masse nicht zu einem Schwarzen Loch werden kann - beträgt der Schwarzschild-Radius 3 Kilometer*. Bei einem Objekt von der Masse der Erde würde er etwa 9 Millimeter betragen.
Der Schwarzschild-Radius ist zugleich der ►Ereignishorizont des Schwarzen Loches, die Grenze, innerhalb derer keine Materie oder Strahlung das Schwarze Loch mehr verlassen kann. Man kann ihn nur in eine Richtung durchschreiten. Er wirkt daher als eine Art Kausalgrenze: Ereignisse außerhalb dieses Horizonts können keine Ursache innerhalb des Horizonts haben (abgesehen von dem Schwarzen Loch selbst), umgekehrt jedoch schon.
Gravitationsfeld
um ein Schwarzes Loch
In der Abbildung bildet das untere Ende des Trichters den Ereignishorizont. Darunter geht es noch viel tiefer hinab - ein unendlich tiefer Tunnel, der direkt in die Singularität im Zentrum des Schwarzen Loches führt. Doch dieser Bereich ist außerhalb des Schwarzen Loches prinzipiell nicht beobachtbar. Da sich die Singularität zur Zeit noch einer mathematischen Beschreibung entzieht, spekuliert man darüber, ob sie als Wurmloch in ein anderes Universum oder eine andere Dimension führen könnte. Da es jedoch nicht ratsam erscheint, sich zur Überprüfung dieser Theorie in ein Schwarzes Loch zu begeben, wird dies wohl Spekulation bleiben.
Wegen des hohen Gravitationsfeldes ändert sich die Schwerkraft in der Nähe eines Schwarzen Loches sehr stark. Ein Raumfahrer würde dies bereits lange vor dem Ereignishorizont zu spüren bekommen. Seine dem Loch zugewandten Körperteile werden stärker beschleunigt - und fallen infolgedessen schneller - als die abgewandten. Der Geschwindigkeitsunterschied zwischen Füßen und Kopf führt dazu, dass der Raumfahrer auseinandergezogen wird, und zwar - bei einem Schwarzen Loch mit Sonnenmasse - mit einer Kraft, die am Ereignishorizont 100 Milliarden Kilo erreicht. Zugleich pressen ihn gleich große Kräfte von den Seiten zusammen. Unser bedauernswerter Raumfahrer wird also auf seinem Weg ins Loch eine sehr schlanke und längliche Form erhalten - ein Prozess, der von dem Physiker Stephen Hawking treffend als Spaghettisierung bezeichnet wurde.
Schwarze Löcher sind nicht schwarz
Ein Schwarzes Loch hat, ebenso wie ein ►Elementarteilchen, keinerlei individuelle Merkmale. Schwarze Löcher unterscheiden sich in nichts außer ihrer Masse, Ladung und Drehgeschwindigkeit. Sie sind dagegen keineswegs immer schwarz. Zum einen zeigte der Hawking 1981 anhand theoretischer Berechnungen, dass ihr Ereignishorizont aufgrund des extrem starken Gravitationsfeldes selbst eine geringfügige Strahlung aussendet (Hawking-Strahlung)**. Zum anderen wird die von der Gravitation angezogene Materie vor dem Sturz ins Loch durch Reibung so stark erhitzt, dass dieses - wenn sich genügend Materie in seiner Nähe befindet - nach außen hell leuchtet.
Supermassives Schwarzes Loch, Röntgenstrahlung (Satellit Chandra / NASA)
Je nach Größe und Entstehungsgeschichte unterscheidet man mehrere Arten von Schwarzen Löchern:
Stellare Schwarze
Löcher sind der Endzustand der Entwicklung schwerer Sterne ab der
etwa zehnfachen Sonnenmasse. Sie explodieren am Ende ihres Lebens als Supernova und
stoßen dabei einen Teil ihrer Materie als Gaswolke ab. Der Rest stürzt
unter dem Einfluss der Schwerkraft in sich zusammen, bis sich all seine
Atomkerne berühren. Dieses extrem verdichtete Gebilde nennt man Neutronenstern.
Es ist noch kein Schwarzes Loch. Ab einer bestimmten Masse jedoch werden
die Atomkerne selbst von der Gravitation immer weiter zusammengepresst,
und der Radius des Neutronensterns nimmt weiter ab. Schließlich kollabiert
der Stern zu einem Schwarzen Loch. Der ganze Prozess vom Zusammenstürzen
des Sternrests bis zur Entstehung eines Schwarzen Lochs geht sehr schnell
vor sich, in Minuten bis Sekunden.
Mittelschwere
Schwarze Löcher können einige hundert Sonnenmassen haben und entstehen
durch Kollisionen mehrerer Sterne, z.B. in Doppel- oder Mehrfachsternsystemen.
Allerdings gibt es aus einem noch ungeklärten Grund recht wenige Schwarze
Löcher dieser mittleren Kategorie. Irgendein Mechanismus im All, den
man noch nicht kennt, scheint die Verschmelzung von Sternen oder von
mehreren Schwarzen Löchern zu verhindern.
Supermassive
Schwarze Löcher bis zur milliardenfachen Masse unserer Sonne sitzen
in den Zentren der meisten Galaxien wie Spinnen in ihren Netzen. Sie
haben ihre Größe durch das Ansammeln von interstellarem Gas und Staub
erreicht. Das Schwarze Loch in unserer Milchstraße schätzt man auf 3,6
Millionen Sonnenmassen. In der Frühzeit des Universums waren diese supermassiven
Schwarzen Löcher durch die Erhitzung der hineinstürzenden Materie die
hellsten Objekte weit und breit. Man sieht sie heute noch in weiter Entfernung
und ferner Vergangenheit als ►Quasare leuchten.
Mittlerweile haben sie jedoch die meiste Materie in ihrer Umgebung aufgesaugt,
so dass die Leuchtkraft der Galaxien nun weitgehend von ihren Sternen
bestimmt wird.
Der oben erwähnte Effekt der Spaghettisierung tritt bei supermassiven
Schwarzen Löchern nicht auf, da hier das Schwerefeld zwar stärker
ist, sich aber wegen des größeren Durchmessers des Loches
viel weniger ändert. Dadurch lassen sich Schwarze Löcher in
Galaxiezentren theoretisch zum Abbremsen und Beschleunigen von ►Raumschiffen verwenden.
Sie könnten in der Raumfahrt der Zukunft einmal eine wichtige
Rolle spielen.
Primordiale
Schwarze Löcher haben sich bereits kurz nach dem Urknall in Raumbereichen
hoher Massen- und Energiedichte gebildet. Da zu diesem Zeitpunkt extrem
hoher Druck im Universum herrschte und die Materie entsprechend komprimiert
war, können primordiale Schwarze Löcher theoretisch relativ wenig Masse
enthalten, etwa nur wenige tausend Kilogramm. Allerdings sind solche
'Minilöcher' heute vermutlich verschwunden, da sie durch die Hawking-Strahlung
permanent an Masse verlieren, bis sie vollständig 'zerstrahlt' sind.
Schwarze Löcher auf der Erde
Über Schwarze Löcher lässt sich nicht nur theoretisieren. Physiker planen, in einigen Jahren ein Schwarzes Loch auf der Erde herzustellen und zu untersuchen. Das klingt tollkühn, ist aber durchaus ernst gemeint. Der LHC (Large Hadron Collider) in Genf, der größte Teilchenbeschleuniger der Erde, der 2007 fertig gestellt sein wird, kann theoretisch Schwarze Löcher in der Größe eines Elementarteilchens produzieren***. Mit der Untersuchung dieser Mikrolöcher und ihres Zerfalls hofft man neue Erkenntnisse über die Zahl der ►Dimensionen unseres Raums und damit über die Stringtheorie zu gewinnen, die irgendwann einmal zur letzten und endgültigen Theorie der Physik werden soll.
* Die Formel lautet R = 2Gm/c2, wobei R der Schwarzschild-Radius ist, G die ►Gravitationskonstante, m die Masse des Objekts und c die ►Lichtgeschwindigkeit. Einsetzen der Werte ergibt R = 1.5·10-27·m, so dass der Schwarzschild-Radius eines durchschnittlichen Wissenschaftlers von 70 kg Körpergewicht etwa 10-25 Meter beträgt. Der Schwarzschildradius des ►sichtbaren Universums beträgt ungefähr 15 Milliarden Lichtjahre und liegt damit nicht weit unter seiner tatsächlichen Größe.
** Allerdings benutzte Hawking zur Berechnung dieser Strahlung eine Kombination aus Relativitäts- und Quantentheorie, obwohl beide Theorien für unterschiedliche Raumzeitbereiche gelten. Es ist daher noch nicht völlig sicher, ob die Hawking-Strahlung wirklich existiert.
*** Keine Angst: So kleine Schwarze Löcher können der Erde nicht gefährlich werden. Sie zerfallen rasch.
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