Schwarze Löcher sind in der Astronomie seit Jahrzehnten ein Thema von großem Interesse. Diese Bereiche des Weltalls, in denen die Schwerkraft so stark ist, dass nichts entkommen kann, stellen für die Astronomen ein Element von besonderem Interesse dar und stellen eine wichtige Verbindung zur Relativitätsphysik dar.
Ein Schwarzes Loch ist ein Bereich des Weltalls, in dem die Schwerkraft so stark ist, dass nichts, nicht einmal Licht, ihrer Anziehungskraft entkommen kann. Im Wesentlichen handelt es sich dabei um eine gewaltige Konzentration in sich zusammengefallener Materie, die eine extreme Verzerrung des Raum-Zeit-Gefüges verursacht hat.
Das Konzept eines Schwarzen Lochs leitet sich von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie ab, die unser Verständnis der Schwerkraft revolutionierte. Dieser Theorie zufolge krümmt die Masse eines Objekts die Raumzeit um sich herum und die Schwerkraft ist lediglich die natürliche Reaktion anderer Objekte auf diese Krümmung.
Wenn die Krümmung der Raumzeit so stark ist, dass ein Punkt ohne Wiederkehr entsteht, der sogenannte „Ereignishorizont“, entsteht ein Schwarzes Loch.
Wie entsteht ein Schwarzes Loch?
Ein Schwarzes Loch entsteht, wenn ein massereicher Stern das Ende seines Lebenszyklus erreicht und ihm der Brennstoff für die Kernfusion ausgeht, die seine eigene Schwerkraft ausgleicht. In diesem Fall kann der innere Druck der Schwerkraft nicht mehr entgegenwirken und der Stern kollabiert abrupt.
Wenn seine Masse groß genug ist (mehr als dreimal so groß wie die der Sonne), ist dieser Kollaps nicht mehr aufzuhalten und konzentriert alle Materie auf ein extrem kleines Volumen. Dadurch entsteht ein Raumbereich mit einer so starken Schwerkraft, dass nichts, nicht einmal Licht, ihm entkommen kann.
Diese Grenze, aus der nichts mehr hervorgehen kann, wird Ereignishorizont genannt und markiert die Grenze des Schwarzen Lochs. Im Inneren komprimiert sich die Materie weiter, bis eine Singularität entsteht, ein Punkt unendlicher Dichte, an dem die bekannten Gesetze der Physik nicht mehr gelten.
Schwarze Löcher können wachsen, indem sie mehr Materie absorbieren oder mit anderen Schwarzen Löchern verschmelzen. Sie spielen eine grundlegende Rolle in der Entwicklung von Galaxien und der Struktur des Universums.
Arten von Schwarzen Löchern
Schwarze Löcher können in drei Hauptkategorien eingeteilt werden:
Hervorragend
Diese schwarzen Löcher entstehen durch den Kollaps massereicher Sterne. Wenn ein Stern seinen nuklearen Brennstoff aufgebraucht hat, wird die Schwerkraft zur dominierenden Kraft und der Stern kollabiert unter seinem eigenen Gewicht.
Wenn der Stern massereich genug ist, kann er sich zu einem stellaren Schwarzen Loch entwickeln.
Die Massen dieser Schwarzen Löcher reichen von einigen wenigen Sonnenmassen bis hin zu mehreren zehnfachen Sonnenmassen.
Supermassiv
Sie sind wesentlich größer als die Sternmassen und können Massen besitzen, die dem Millionen- oder gar Milliardenfachen der Masse der Sonne entsprechen.
Sie befinden sich im Zentrum der meisten Galaxien, einschließlich unserer eigenen, der Milchstraße.
Die Entstehung supermassiver Schwarzer Löcher ist weiterhin ein Rätsel, man geht jedoch davon aus, dass ihre Entwicklung sich über Äonen erstreckt und sie Materie aus ihrer Umgebung ansammeln.
Urwesen
Im Gegensatz zu den beiden vorherigen Typen entstanden die ursprünglichen Typen im Frühstadium des Universums, kurz nach dem Urknall.
Man geht davon aus, dass sie das Ergebnis winziger Dichteschwankungen sind, die zum Kollaps schwarzer Löcher führen. Ihre Masse variiert stark, von kleinen Bruchteilen der Erdmasse bis zu Tausenden von Sonnenmassen.
Schwarze Löcher und die Relativitätstheorie
Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie liefert die theoretische Grundlage für die Existenz Schwarzer Löcher und beschreibt, wie sie funktionieren.
Im Jahr 2019 erreichte das Event Horizon Telescope (EHT) einen historischen Meilenstein, indem es das erste Bild eines Schwarzen Lochs im Zentrum der Galaxie M87 aufnahm. Diese monumentale Leistung bestätigte nicht nur die Existenz Schwarzer Löcher, sondern demonstrierte auch die Genauigkeit der relativistischen Physik unter extremen Bedingungen.
Hier sind einige Schlüsselkonzepte der relativistischen Physik, die mit Schwarzen Löchern in Zusammenhang stehen:
Krümmung der Raumzeit
Die allgemeine Relativitätstheorie postuliert, dass die Schwerkraft keine mysteriöse, auf die Ferne wirkende Kraft ist, wie dies in der Newtonschen Theorie angenommen wurde.
Die Schwerkraft hingegen beruht auf der Krümmung der Raumzeit, die durch die Anwesenheit von Masse und Energie verursacht wird. Schwarze Löcher sind das extreme Ergebnis dieser Krümmung. Dabei ist die Raumzeit so stark gekrümmt, dass sie einen bodenlosen Abgrund bildet.
Ereignishorizont
Der Ereignishorizont ist eine imaginäre Grenze um ein Schwarzes Loch. Sobald etwas diesen Horizont überschreitet, kann es der Schwerkraft des Schwarzen Lochs nicht mehr entkommen.
Sogar Licht, das sich mit der im Universum maximal zulässigen Geschwindigkeit bewegt , kann dem Ereignishorizont nicht entkommen, was Schwarzen Löchern ihr charakteristisches „schwarzes“ Erscheinungsbild verleiht.
Relativität und die Verzerrung der Zeit
Die allgemeine Relativitätstheorie sagt voraus, dass Zeit und Raum in der Nähe von massereichen Objekten verzerrt werden. Dies führt zu Phänomenen wie der Zeitdilatation, bei der die Zeit bei starker Schwerkraft langsamer vergeht.
In der Nähe eines Schwarzen Lochs wird diese Zeitdilatation extrem, was bedeutet, dass die Zeit für einen entfernten Beobachter langsamer vergeht als für jemanden, der sich dem Schwarzen Loch nähert.
Gravitationslinseneffekt
Schwarze Löcher können außerdem als Gravitationslinsen wirken, indem sie das Licht von dahinter liegenden Objekten beugen und so visuelle Verzerrungseffekte erzeugen.
Dadurch konnten Astronomen unsichtbare Schwarze Löcher indirekt entdecken, indem sie deren Einfluss auf das Licht weit entfernter Sterne und Galaxien beobachteten.
Schwarze Löcher in unserer Galaxie
Unsere Galaxie, die Milchstraße, beherbergt mehrere bekannte Schwarze Löcher, die in zwei Hauptkategorien eingeteilt werden können: stellar und supermassiv.
Zu den bemerkenswertesten Sternen in der Milchstraße zählen die folgenden:
- A0620-00 (V616 Monocerotis) : Dies ist ein binäres stellares schwarzes Loch im Sternbild Einhorn. Seine Masse beträgt etwa das 6- bis 12-fache unserer Sonne und er bildet mit einem Begleitstern ein Doppelsternsystem. Es war eines der ersten beobachteten stellaren Schwarzen Löcher.
- Cygnus X-1 : Cygnus X-1 befindet sich im Sternbild Schwan und ist eines der berühmtesten stellaren schwarzen Löcher. Seine Masse entspricht etwa dem 15-fachen der Sonnenmasse und er bildet ein Doppelsternsystem mit einem blauen Überriesenstern namens HDE 226868.
- GS 2000+25 : Dieses stellare schwarze Loch befindet sich im Sternbild Pegasus. Seine Masse wird auf etwa 7,5 Sonnenmassen geschätzt und er ist Teil eines Doppelsternsystems mit einem Begleitstern.
- Sagittarius A (Sgr A) : Im Zentrum der Milchstraße befindet sich ein supermassives Schwarzes Loch namens Sagittarius A. Seine Masse entspricht etwa 4 Millionen Sonnenmassen. Obwohl es eines der nächstgelegenen supermassiven Schwarzen Löcher ist, ist es aufgrund seiner Lage im galaktischen Zentrum und der Anwesenheit großer Mengen interstellaren Staubs und Gases schwer direkt zu beobachten.
- Schwarzes Loch im Zentrum der Galaxie M87 : Obwohl M87 eine riesige elliptische Galaxie ist, die nicht Teil der Milchstraße ist, ist bekannt, dass sie eines der massereichsten supermassiven Schwarzen Löcher beherbergt, das jemals beobachtet wurde. Dieses Schwarze Loch hat eine Masse von etwa dem 6,5-Milliardenfachen der Sonnenmasse und befindet sich im Zentrum der Galaxie M87, die etwa 53 Millionen Lichtjahre von uns entfernt ist.
Beobachtungstechniken
Schwarze Löcher sind extrem dichte Objekte, die von sich aus kein Licht aussenden, was eine direkte Beobachtung erschwert. Sie können jedoch auf verschiedene Weise erkannt werden:
- Beobachtung der Auswirkungen auf nahe gelegene Objekte: Seine Anwesenheit kann durch Beobachtung seiner Auswirkungen auf nahe gelegene Objekte wie Sterne oder Gas festgestellt werden. Wenn beispielsweise ein Stern ein unsichtbares, aber sehr massereiches Objekt umkreist, können Veränderungen seiner Geschwindigkeit oder des von ihm ausgestrahlten Lichts beobachtet werden, die auf die Existenz eines schwarzen Lochs hindeuten.
- Emission elektromagnetischer Strahlung: Obwohl sie kein Licht direkt aussenden, kann das sie umgebende Material Strahlung unterschiedlicher Wellenlängen aussenden. Hierzu gehört die Strahlung, die durch die Ansammlung von Material in der umgebenden Akkretionsscheibe entsteht, sowie die Strahlung, die durch Partikelstrahlen erzeugt wird, die von den Polen des Schwarzen Lochs ausgestoßen werden.
- Radiointerferometrie: Diese Technik kombiniert Signale von mehreren Teleskopen, um ein detailliertes Bild der umgebenden Region zu erstellen. Das Event Horizon Telescope (EHT) nutzte 2019 Radiointerferometrie, um das erste direkte Bild eines Schwarzen Lochs aufzunehmen.
Entdecker
Die theoretische Existenz Schwarzer Löcher geht auf das frühe 20. Jahrhundert zurück, doch es war der Physiker Karl Schwarzschild, der im Jahr 1916 die ersten exakten Lösungen für Einsteins Feldgleichungen entwickelte, mit denen diese Objekte in der allgemeinen Relativitätstheorie beschrieben werden. Später, im Jahr 1939, demonstrierten J. Robert Oppenheimer und sein Student Hartland Snyder theoretisch, dass ein massereicher Stern, dem sein nuklearer Brennstoff ausgeht, unter dem Einfluss seiner eigenen Schwerkraft kollabieren und ein schwarzes Loch bilden kann.
Die direkte Beobachtung Schwarzer Löcher erfolgte jedoch erst Jahrzehnte später, als im Jahr 2019 dank des Event Horizon Telescope, einer gemeinsamen Leistung zahlreicher Wissenschaftler und internationaler Kooperationspartner, das erste Bild eines solchen Lochs gelang.