Das schwarze Loch im Herz der Galaxien - wissenschaft.de
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Das schwarze Loch im Herz der Galaxien

„Herum geht unser Tanz der Fragen im Kreis, und in der Mitte sitzt das Geheimnis, das alles weiß.“ Auf diesen Vers des amerikanischen Dichters Robert Frost können Astrophysiker ein Lied singen. Ihre Fragen tanzen noch immer um die einfachste und zugleich gewichtigste Sache der Welt: die Schwarzen Löcher.

Einfach sind diese rätselhaften Himmelskörper, die ihren einprägsamen Namen 1967 von dem amerikanischen Physiker John Archibald Wheeler erhielten, weil man nur drei Größen braucht, um sie vollständig zu beschreiben: ihre Masse, ihre elektrische Ladung und ihren Drehimpuls. Komplizierter wird es, wenn man verstehen will, wie diese exotischen Objekte entstehen. Schwarze Löcher sind „bodenlos“: Alles, was dort hineingerät, wird auf Nimmerwiedersehen verschlungen.

Das Gravitationsfeld an ihrem Rand ist so stark, daß selbst Licht nicht mehr entweichen kann. Deshalb sind Schwarze Löcher kohlrabenschwarz und niemals direkt zu beobachten. In ihrem Zentrum hören Raum und Zeit auf zu existieren, und Dichte wie Temperatur wachsen ins Unendliche.

In den letzten Jahren haben die Astronomen nicht nur viele Hinweise auf stellare Schwarze Löcher gefunden – wenige Kilometer große Reste, die bei der Explosion schwerer Sterne entstehen können -, sondern auch viele Anzeichen sogenannter galaktischer Schwarzer Löcher entdeckt. In der Spiralgalaxie NGC 3113 im Sternbild Sextant werden beispielsweise Sterne mit Geschwindigkeiten bis zu 600 Kilometer pro Sekunde um den Galaxienmittelpunkt gewirbelt. Und um das Zentrum der elliptischen Galaxie M 87 im Sternbild Jungfrau kreisen Gaswolken sogar mit 1000 Kilometern pro Sekunde.

Daraus läßt sich errechnen, daß im Inneren dieser Galaxien eine Masse von jeweils mehr als zwei Milliarden Sternen vom Typ unserer Sonne konzentriert ist. Ihre Anziehung ist so gewaltig, daß ihr keine Materie zu trotzen vermag.

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Mittlerweile haben die Astronomen gute Gründe zu vermuten, daß sich in vielen, wahrscheinlich sogar den meisten Galaxien solche finsteren Herzen verbergen. Auch im Zentrum unserer Milchstraße sitzt eines von knapp drei Millionen Sonnenmassen und ein paar 100000 Kilometer Durchmesser.

Weil Schwarze Löcher die effektivsten Energieverwerter überhaupt sind – wenn sie Materie einsaugen, kann davon bis zu zehn Prozent in Strahlung umgewandelt werden -, läßt sich mit ihrer Hilfe auch die gewaltige Leuchtkraft ferner Quasare und Radiogalaxien erklären (bild der wissenschaft 6/1997, „Die feurige Jugend der Galaxien“). Dazu würde es ausreichen, wenn sie sich im Verlauf eines Jahres Masse in der Größenordnung unserer Sonne einverleiben.

Die meisten Forscher gehen inzwischen davon aus, daß die supermassiven Schwarzen Löcher nicht so schwer in die Welt kamen, wie sie heute sind, sondern im Lauf der Zeit ständig oder schubweise große Mengen an Materie verschlangen und dabei immer mächtiger wurden. Die einstürzende Masse bestand zuerst aus Wasserstoff und Helium – dem Urgas, das mit dem Urknall entstanden war. Später kamen Sterne und ganze Sternhaufen hinzu, die den Schwerkraftfallen zu nahe traten, von den Gezeitenkräften zerfetzt und dann von den unersättlichen Mahlströmen verschluckt wurden. Doch über die Frage, was die Bildung der supermassiven Schwarzen Löcher auslöste, herrscht noch Unklarheit.

Eine Möglichkeit besteht darin, daß ihre Keimzellen bereits kurz nach dem Urknall angelegt waren, vielleicht schon in den allerersten Sekundenbruchteilen. Denkbar ist, daß der turbulente Beginn des Universums zu Unregelmäßigkeiten in dem explodierenden Feuerball führte. Solche Irregularitäten könnten sehr früh zu Schwarzen Löchern kollabiert und vielleicht sogar die Entstehung von Galaxien ausgelöst haben.

Eine andere Möglichkeit ist, daß sich große Schwarze Löcher während der ersten 100 Millionen Jahre aus zufälligen Dichteschwankungen im Urgas gebildet haben. Diese Hypothese entwickelte Jeremiah P. Ostriker von der amerikanischen Princeton University.

Auch der Kollaps von Sternhaufen und galaktischen Zentralregionen kann zur Bildung supermassiver Schwarzer Löcher führen. Wenn Galaxien entstehen, konzentrieren sich in ihrem Inneren große Mengen an Gas. Modellrechnungen von Martin Rees und seinen Mitarbeitern an der Universität Cambridge zeigen, daß solche Ansammlungen aus Gas ab einer bestimmten Dichte zum Kollaps neigen. Rees: „Dieser Prozeß dauert etwa eine Milliarde Jahre, verläuft also rasch genug, um auch die Leuchtkraft der fernsten und somit ältesten Quasare zu erklären.

Selbst manche Schwarzen Löcher, die aus dem Kollaps eines einzelnen sterbenden Sternes hervorgingen, wuchsen möglicherweise zu Objekten von der Masse einiger Millionen Sonnen heran. Dazu mußte in ihrer weiteren Umgebung lediglich genügend Materie vorhanden gewesen sein. Daß das Alter des Universums für eine solche allmähliche Entstehung ausreicht, hat schon 1988 Wolfgang Duschl mit seinen Modellrechnungen gezeigt. „Dazu ist ein Massenzufluß von nur einer tausendstel Sonnenmasse pro Jahr nötig“, schätzt der Physiker von der Universität Heidelberg. „Schwarze Löcher können im Lauf der Zeit also angespart werden.“

Auch Kollisionen ganzer Galaxien, die in der Geschichte des Universums recht häufig waren, könnten die Bildung der massereichen Ungetüme ausgelöst oder wenigstens beschleunigt haben. Beobachtungen des Quasars 4C73.18 lassen sogar darauf schließen, daß sich hier zwei 100 Millionen Sonnenmassen schwere Schwarze Löcher umkreisen.

Dies dürfte kein Einzelfall sein. Im Lauf der Zeit kommen sich solche riesigen Schwerkraftfallen immer näher und verschmelzen schließlich. Dabei wird das Raum-Zeit-Gefüge förmlich erschüttert. „Bis zu zehn Prozent der Bewegungsenergie der Schwarzen Löcher wird in Gravitationswellen sehr niedriger Frequenz umgewandelt“, erläutert Martin Rees und schlägt vor, nach diesen schon von Einstein beschriebenen Deformationen des Raumes zu fahnden. Die hierfür erforderliche Technik wird zur Zeit entwickelt.

„Vielleicht wurden bei Zusammenstößen von Galaxien bereits vorhandene Schwarze Löcher mitunter in den intergalaktischen Raum geschleudert“, überlegt Rees. Dann würden noch heute finstere Heerscharen unbemerkt durch die leeren Abgründe zwischen den Galaxien treiben.

Rüdiger Vaas

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