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Wenn die Zeit still steht

Am Schwarzen Loch erstarrt der Augenblick zur Ewigkeit. Sie sind so mysteriös, daß selbst Albert Einstein an ihre Existenz nicht glauben mochte. Heute sind die meisten Astrophysiker davon überzeugt, daß es Schwarze Löcher gibt. Von ihrem Geheimnis haben sie allerdings nichts verloren.

Es war vor etwa vier Jahren, als eine Gruppe amerikanischer und japanischer Astronomen im Sternbild Jagdhunde den Spiralnebel M 106 beobachtete. Diese 20 Millionen Lichtjahre entfernte Galaxie ist bereits mit einem Amateurfernrohr gut erkennbar und weist auf den ersten Blick keine Besonderheiten auf – außer daß sich in ihrem Zentralgebiet sogenannte Maser zeigen.

Das sind Gaswolken, in denen Moleküle durch äußere energiereiche Strahlung zu eigenem Leuchten angeregt werden. Allerdings senden die Moleküle kein normales Licht aus, sondern sie erzeugen einen gebündelten natürlichen Laserstrahl im Mikrowellenbereich – einen Mikrowellen-Laser, kurz: Maser. Diese Wolken sind für Astronomen ideale „Markierungsbojen“, weil sich ihre Geschwindigkeit und Position äußerst genau messen läßt.

Makoto Miyoshi und seine Kollegen fanden noch etwas Besonderes: Sie stellten fest, daß die Maser-Wolken das nur ein halbes Lichtjahr von ihnen entfernte Zentrum mit fast vier Millionen Kilometer pro Stunde umkreisen. Daraus ließ sich ableiten, daß sich hier eine riesige Gesamtmasse befinden muß: 36 Millionen Sonnen schwer.

Es ist nahezu ausgeschlossen, daß es sich hierbei um einen von Staub verdeckten Sternhaufen handelt. Darin wären die Himmelskörper im Durchschnitt nur etwa 100 Astronomische Einheiten voneinander entfernt, was dem Durchmesser der Plutobahn entspricht. Die Sterne würden dort unablässig zusammenstoßen und ihren Verband selbst zerstören. Die Astronomen haben für eine so gewaltige Masse auf kleinstem Raum nur eine Erklärung: ein Schwarzes Loch.

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M 106 ist nicht die einzige Galaxie, in der Schwarze Löcher indirekt nachgewiesen wurden, auch wenn sie derzeit am genauesten vermessen ist. Im Andromeda-Nebel, unserer Nachbargalaxie, vermuten die Astronomen ebenfalls ein Schwarzes Loch – mit 37 Millionen Sonnenmassen. Und die Galaxie M 87 soll ein Schwarzes Loch mit sogar 2 Milliarden Sonnenmassen beherbergen.

Vorhergesagt hat diese Schwerkraftfallen schon vor über 200 Jahren ein weitgehend unbekannter Naturphilosoph: Reverend John Michell. Er fragte sich damals, auf welche Weise die Gravitation eines Sterns die Ausbreitung des Lichts beeinflußt.

Zu seiner Zeit waren die Naturforscher von der Physik Newtons beeinflußt, der sich Licht als einen Schwarm von Teilchen vorstellte. Es war bereits bekannt, daß sich die Lichtpartikel auf der Erde und im Weltraum mit etwa 300000 Kilometer pro Sekunde bewegen. Michell ging davon aus, daß Lichtteilchen langsamer werden, wenn sie aus dem Schwerefeld eines Sterns oder Planeten entweichen wollen. Er rechnete aus, wie stark die Schwerkraft eines Himmelskörpers mindestens sein muß, damit sie die Lichtteilchen gänzlich zurückhalten kann. Am 27. November 1783 trug Michell vor der ehrwürdigen Royal Society in London seine Überlegungen vor. Wenn ein Himmelskörper mit der mittleren Dichte der Sonne 500mal größer ist als unser Tagesgestirn, so kann von dessen Oberfläche das Licht nicht mehr entfliehen. „Wenn solche Körper in der Natur wirklich existieren sollten“, schloß der Forscher damals, „könnte uns ihr Licht nie erreichen“. Michells Ideen mögen damals einiges Aufsehen erregt haben, sie blieben jedoch zunächst folgenlos.

13 Jahre später kam der französische Philosoph Pierre Simon de Laplace angeblich ohne Kenntnis von Michells Überlegungen in seinem Buch „Exposition du Système du Monde“ zu einem ähnlichen Ergebnis. Doch weitere zehn Jahre später führten physikalische Experimente zu der Vorstellung, daß Licht eine Wellenerscheinung ist, auf die Michells und Laplaces Überlegung nicht mehr zutraf. Aus diesem Grunde strich Laplace seine Gedanken über die „dunklen Sterne“ aus späteren Auflagen seines Buches heraus.

Über 100 Jahre lang ruhte die Idee der dunklen Sterne, bis Einstein Ende 1915 seine Allgemeine Relativitätstheorie vorstellte: eine neue, revolutionäre Beschreibung der Schwerkraft. Nun hatte man sich die Gravitation nicht mehr länger als Kraft vorzustellen, die ähnlich wie gespannte Gummibänder alle Körper an sich zieht. Sie wirkt vielmehr auf den umgebenden Raum ein und krümmt ihn um sich herum.

Zur Veranschaulichung kann man sich den ungekrümmten Weltraum wie ein Gummituch vorstellen. Rollt man eine Billardkugel, die einen Stern darstellen soll, auf dem Tuch umher, so dellt sie das Material um sich herum ein. Ein anderer Körper, etwa eine zweite Kugel, der in dieses verbogene Raumgebiet hineingerät, muß der Krümmung folgen. Er wird von seiner geradlinigen Bahn so abgelenkt wie ein Komet beispielsweise beim Umlauf um die Sonne.

Nicht nur materielle Körper müssen dieser Raumkrümmung folgen, sondern auch Licht. Im Gegensatz zu Himmelskörpern bleibt es zwar stets gleich schnell, aber es wird in einem Schwerefeld von der geradlinigen Bahn abgelenkt.

Der deutsche Astronom Karl Schwarzschild war von Einsteins Gravitationstheorie so begeistert, daß er untersuchte, wie sie sich speziell auf Sterne auswirken müßte. Hierbei machte er eine merkwürdige Entdeckung: Bei einem bestimmten Abstand vom Stern schienen Zeit und Raum ihre Rollen zu vertauschen: Der Raum wurde zur Zeit und die Zeit zum Raum – so jedenfalls besagten es die Formeln. Erst Jahrzehnte später entschlüsselten die Theoretiker gänzlich die in den Schwarzschild-Gleichungen enthaltene Botschaft. Zunächst ignorierten sie diese aus reiner Mathematik entstandene physikalische Katastrophe.

Sie trat nämlich erst bei sehr kleinen Sternradien auf: Ein Objekt mit der Masse der Sonne beispielsweise müßte auf einen Halbmesser von drei Kilometer schrumpfen, um innerhalb des Schwarzschild-Radius, wie man diese magische Grenze bald nannte, zu liegen. Ein solcher Fall schien in der Natur einfach nicht realisiert zu sein – und damit ließen es die Theoretiker bewenden.

In den folgenden Jahren enträtselten Astrophysiker weiter die Natur der Sterne: Sie sind heiße Gaskugeln, die im Innern ihre Energie durch das Verschmelzen von Wasserstoffkernen zu Helium beziehen. Was aber passiert mit einem Stern, wenn er seinen Brennstoff verbraucht hat?

Der indisch-amerikanische Astrophysiker und spätere Nobelpreisträger Subrahmanyan Chandrasekhar fand 1930, daß ein Stern von maximal 1,4 Sonnenmassen am Ende seines Lebens zu einem „Weißen Zwerg“ schrumpft, der nur noch etwa so groß ist wie unsere Erde.

In einem solchen Himmelskörper muß die Materie so stark zusammengepreßt sein, daß die Elektronen von den Atomen abgerissen werden und ein „Eigenleben“ führen. Sie erzeugen eine Gegenkraft zur Schwerkraft und halten den Kollaps des ausgebrannten Sterns auf. Schwerere Sterne müßten indes – so schien es zunächst – unter der eigenen Schwerkraft ohne Halt zusammenbrechen – ein unvorstellbarer Vorgang.

Nur zwei Jahre später entdeckte der Physiker Charles Chadwick den neutralen Kernbaustein, das Neutron. Damit änderten sich die Vorstellungen über den Aufbau der Materie, und eine zweite Klasse noch eigenartigerer Objekte sollte möglich sein: die Neutronensterne. Ist ein Stern nämlich schwerer als 1,4 Sonnenmassen, so preßt die Schwerkraft – vereinfacht gesagt – die freien Elektronen in die positiven Kernbausteine, die Protonen, hinein. Die dadurch entstandenen Neutronen müßten dem enormen Gravitationsdruck standhalten. In einem solchen Neutronenstern wiegt Materie von der Größe eines Stücks Würfelzucker eine Milliarde Tonnen. Schon ein kaum noch sichtbares Sandkörnchen wäre so schwer wie zehn moderne E-Loks.

Diese Neutronensterne sollten aber nur existieren können, solange der Stern nicht mehr als etwa drei Sonnenmassen wiegt. Doch was passiert, wenn er noch schwerer ist?

Die Antwort auf diese Frage fanden Johann Robert Oppenheimer und sein Schüler Hartland S. Snyder im Jahre 1939. Nach ihrer Theorie gibt es keine Kraft, die den Kollaps eines Sterns aufhalten könnte, wenn er die Massengrenze zum Neutronenstern überschritten hat. Dann wird er theoretisch bis auf einen Punkt zusammenbrechen. Die Mathematiker nennen einen solchen Fall, in dem die Materiedichte unendlich groß wird, eine Singularität. Ein so kompakter Stern würde natürlich auch den Schwarzschild-Radius unterschreiten. Damit hatte Karl Schwarzschilds rätselhafte Lösung der Gravitationstheorie einen physikalischen Sinn bekommen.

Während der Stern zusammenfällt, wächst seine Schwerkraft in unmittelbarer Umgebung enorm an, und der Raum krümmt sich immer stärker. Unterschreitet er den Schwarzschild-Radius, so schließt sich der Raum sogar um ihn herum. Der Körper schnürt sich sozusagen vom Universum ab. Keine Materie und auch kein Licht kann mehr aus seinem Innern entweichen. Er wird unsichtbar – ganz so wie es John Michell vermutet hatte. Da einen äußeren Beobachter keine Kunde mehr aus dem Innern des Schwarzen Lochs erreicht, nennen die Astrophysiker die Grenze zum Inneren „Ereignishorizont“. Seine Ausdehnung ist durch den Schwarzschild-Radius festgelegt.

Allerdings blieb die Geschichte damals mysteriös. Sogar Einstein selbst, dessen Relativitätstheorie den Stein erst ins Rollen gebracht hatte, glaubte nicht an die Realität dieser Monster-Sterne. In einer 1939 veröffentlichten Arbeit meinte er sogar bewiesen zu haben, daß es sie gar nicht geben könne. Der große Physiker beging jedoch einen Denkfehler. Einstein beschäftigte sich – soweit bekannt ist – nie wieder mit den ungeliebten Singularitäten, und auch Oppenheimer griff dieses Thema nach dem Zweiten Weltkrieg nicht mehr auf. Erst in den sechziger Jahren rückten die seltsamen Objekte wieder ins Blickfeld der Astrophysiker.

1963 enträtselte der amerikanische Astronom Maarten Schmidt die Natur einiger punktförmiger Radioquellen, die man kurz zuvor entdeckt hatte. Es handelte sich um Milliarden von Lichtjahre entfernte Quasare. Schnell wurde klar, daß es sich um die leuchtkräftigsten Objekte im Universum handeln mußte. In einem Gebiet, das nicht größer als unser Sonnensystem sein kann, erzeugen sie bis zu einige tausendmal mehr Energie als sämtliche 100 Milliarden Sterne unserer Milchstraße zusammen.

Bereits ein Jahr nach Maarten Schmidts Entdeckung äußerten der amerikanische Physiker Edwin Salpeter und sein sowjetischer Kollege Boris Zeldowitsch die Vermutung, daß ein gigantisches Schwarzes Loch die treibende Kraft sein könne. Das von ihnen erdachte Modell gilt im Prinzip noch heute: Das Schwarze Loch zieht aus der Umgebung Gas an, das sich zunächst in einer Scheibe um den Zentralkörper ansammelt und ihn umkreist. Aufgrund von Reibung heizt sich das Gas auf, verliert an Energie und nähert sich auf spiralförmigen Bahnen dem Schwarzen Loch. In der Nähe des Ereignishorizontes wirbelt das viele Millionen Grad heiße Gas bereits mit etwa einem Drittel der Lichtgeschwindigkeit herum. Seine Strahlung läßt die Quasare hell leuchten. Schließlich erreicht die Materie den Ereignishorizont und verschwindet auf Nimmerwiedersehen im Schwarzen Loch. Die Maser von M 106 befinden sich in einer solchen Scheibe.

Nun sind die Schwarzen Löcher in den Quasaren und Galaxien wesentlich massereicher als jene, die nach Oppenheimers Theorie beim Zusammenbruch eines Sterns entstehen. Auf welche Weise sich die superschweren Giganten bilden, ist nicht geklärt. Computersimulationen haben in den vergangenen Jahren jedoch die These unterstützt, daß sich eine riesige Gaswolke im Zentrum einer sich bildenden Galaxie zu einem solchen Schwarzen Loch zusammenballen kann. Möglicherweise wird diese Riesenwolke zunächst in kleinere Unterwolken zerfallen und in diesen Fragmenten mehrere Supersterne von vielleicht einer Million Sonnenmassen bilden, die schon nach kurzer Zeit wieder explodieren. Über kurz oder lang aber sollte der Großteil des Gases unter seiner eigenen Schwerkraft zu einem Schwarzen Loch kollabieren.

Diese Theorie sagt überdies voraus, daß sich in fast jeder Galaxie ein Schwarzes Loch eingenistet hat – auch im Zentrum unserer Milchstraße. Tatsächlich lassen Beobachtungen aus den letzten zehn Jahren darauf schließen, daß sich dort ein Schwarzes Loch von drei Millionen Sonnenmassen verbirgt (bild der wissenschaft 11/1997, „Das Schwarze Loch der Milchstraße“).

Auch die von Oppenheimer und Snyder vorhergesagten „klassischen“ Schwarzen Löcher gibt es sehr wahrscheinlich: In manchen Doppelsternsystemen umrundet ein Stern ein mutmaßliches Schwarzes Loch. Beide Körper sind sich so nahe, daß das Schwarze Loch Materie von dem Begleiter absaugt und zu sich herüberzieht. Das Gas sammelt sich zunächst – wie in einem Quasar – in einer Scheibe an, wo es sich erhitzt und Röntgenstrahlung aussendet. In einigen Fällen ließ sich die Umlaufdauer und der Abstand des Begleitsterns ermitteln, und hieraus ergibt sich die Masse des Schwarzen Lochs.

Der erste Kandidat für ein solches Doppelpaar wurde zu Beginn der siebziger Jahre entdeckt. Es war die Röntgenquelle Cygnus X1 im Sternbild Schwan. Hier umkreisen sich ein heißer blauer Stern und ein Schwarzes Loch von 16 Sonnenmassen. Weitere Kandidaten sind V404 Cygni mit zwölf Sonnenmassen sowie die Röntgenquelle LMC X3 mit mindestens neun Sonnenmassen in der Großen Magellanschen Wolke. Diese Methode entspricht übrigens genau den Überlegungen John Michells, der 1783 über die „dunklen Sterne“ schrieb: „Falls andere helle Körper sie umkreisen, so sollten wir in der Lage sein, aus der Bewegung dieser umlaufenden Körper mit einiger Wahrscheinlichkeit auf die Existenz des zentralen Körpers zu schließen.“

Vom Standpunkt der Allgemeinen Relativitätstheorie aus betrachtet leben Schwarze Löcher unendlich lange. Diese Vorstellung änderte sich jedoch, als der Physiker Stephen Hawking die Schwarzen Löcher nach den Gesetzen der Quantenmechanik untersuchte – der Theorie über die Bausteine der Materie. Bis heute ist es zwar nicht gelungen, Quantenmechanik und Allgemeine Relativitätstheorie unter einen Hut zu bringen, Hawking hatte das aber ansatzweise versucht und war dabei auf einen merkwürdigen Effekt gestoßen.

Für Physiker ist das Vakuum alles andere als ein Nichts: Darin entstehen und vergehen unablässig Teilchen. Man nennt sie virtuell, weil sie nur für eine sehr kurze Zeitspanne existieren. Virtuelle Teilchen entstehen stets paarweise. Bildet sich ein solches Teilchenpaar unmittelbar neben einem Schwarzen Loch, so kann die dort herrschende extrem starke Gezeitenkraft das Paar trennen. Bei diesem Vorgang führt das Schwerkraftfeld den Partikeln Energie zu. Diese zusätzliche Energie ermöglicht den Teilchen den Sprung in die Realität: Sie werden „wirklich“ (bild der wissenschaft 12/1996, „Explosionen im Nichts“).

Das eine der beiden Teilchen kann in das Schwarze Loch hineinfallen. Das andere aber entschwindet in den Weltraum und trägt die Energie fort, die ihm das Schwarze Loch zum Sprung in die Realität mitgegeben hat. Diese Energie verliert das Schwarze Loch: Es nimmt ab.

Die Abmagerungskur ist nicht gerade effizient. Ein Schwarzes Loch mit der dreifachen Sonnenmasse würde erst im Laufe von 1067 Jahren seine gesamte Masse verlieren. Das ist etwa 1057mal länger als das heutige Weltalter. Nun vermutet Hawking aber, daß sich kurz nach dem Urknall unter dem enormen Druck, der damals im Urgas herrschte, auch kleine Schwarze Löcher gebildet haben könnten. Sollten tatsächlich im Universum solche Minilöcher mit Massen von einigen hundert Millionen Tonnen, entsprechend der Schwere eines mittelgroßen Berges, entstanden sein, so sollten sie sich heute auflösen. Hawking vermutete, daß sie am Schluß explodieren und dabei Gammastrahlung aussenden. Die Suche nach dieser Strahlung blieb jedoch bis heute erfolglos – und damit Hawkings Szenario graue Theorie. Manche der hartnäckigen Probleme könnten sich nach Meinung der Physiker in Wohlgefallen auflösen, wenn es gelingt, Gravitationstheorie und Quantenmechanik zu einer „Theorie für Alles“ zu vereinheitlichen. Doch das ist eine bis heute ungelöste Aufgabe, an der sich die Forscher seit Einstein und Heisenberg die Zähne ausbeißen.

Wie groß sind Schwarze Löcher?

Die Größe eines Schwarzen Lochs ist durch seinen Schwarzschild-Radius festgelegt. Er grenzt das in sich geschlossene Universum des Schwarzen Loches vom umgebenden Raum ab. Bezeichnet man den Schwarzschild- Radius mit RS und die Masse des Schwarzen Lochs mit M, so ist RS = (2G/c2) Ÿ M, wobei G = 6,672Ÿ 10-11 m3 kg-1 s-2 die Gravitationskonstante und c = 3Ÿ 108 ms-1 die Lichtgeschwindigkeit sind. Gibt man RS in Kilometern und M in Einheiten der Sonnenmasse an (MS), so wird die Formel handlich: RS (km) = 3 MS.

Für die Sonne beträgt der Schwarzschild-Radius drei Kilometer. Ein Schwarzes Loch mit einer Million Sonnenmassen, wie es Astrophysiker im Zentrum unserer Milchstraße vermuten, besäße bereits einen Radius von drei Millionen Kilometern, wäre also viermal so groß wie die Sonne. Die riesigen Schwarzen Löcher im Innern der Galaxien und Quasare mit Massen von einigen hundert Millionen Sonnen wären etwa so groß wie der Durchmesser der Umlaufbahnen von Mars oder Jupiter.

Thomas Bührke

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