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Astronomie+Physik

Die Materiefresser

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Auf der Spur der Schwerkraftfallen. Schwarze Löcher sind unersättliche Schlünde im All. Neue Beobachtungen zeigen immer mehr von ihrer Vielfalt und Entstehung. Die kosmischen Staubsauger beeinflussen die Entwicklung der Galaxien und können Raum und Zeit buchstäblich erschüttern. Nichts kann ihnen entkommen, nicht einmal das Licht.

Trotzdem mangelt es Astronomen und Physiker nicht an erhellenden Entdeckungen. Nachdem die kosmischen Mahlströme mehrere Jahrzehnte die unangefochtene Domäne der Theoretiker waren, gibt es inzwischen eine Flut von Beobachtungen. Sie betreffen einsame, verborgene Finsterlinge ebenso wie brachiale Energieschleudern und gigantische Massemonster im Zentrum ferner Galaxien.
Stellare Schwarze Löcher sind so schwer wie drei bis einige Dutzend Sonnen, aber nur wenige Kilometer groß. Seit langem steht fest, daß sie die Leichen ausgebrannter, massereicher Sterne sind, deren Kerne in sich zusammenstützen. Über die genauen Vorgänge rätseln die Forscher noch. Unklar ist beispielsweise, ob ein Stern direkt zu einem Schwarzen Loch kollabieren kann oder ob er zuerst als Supernova explodiert. Am anderen Ende des Spektrums der kosmischen Mahlströme stehen die galaktischen oder supermassiven Schwarzen Löcher. Sie wiegen so viel wie eine Million bis hundert Milliarden Sonnen. Möglicherweise hat jede Galaxie ein solches schweres, dunkles Herz. Inzwischen mehren sich sogar die Indizien, daß diese zentralen Massekonzentrationen die Entwicklung der Milchstraßen prägen und vielleicht sogar überhaupt erst in Gang gesetzt haben. Egal, wie sie entstanden sind – die dunklen „Herzen“ beeinflussen die Entwicklung der Galaxien, zum Beispiel die Gestalt und Sternentstehungsrate. Schwarze Löcher stehen uns also näher, als wir glauben: Wenn sie nicht wären, hätten sich die kosmischen Bedingungen ganz anders entwickelt, und wahrscheinlich gäbe es dann gar keine Menschen. Es ist erstaunlich, daß ein Objekt kleiner als das Sonnensystem eine riesige Galaxie aus Milliarden von Sternen beeinflussen kann.
Stellare und galaktische Schwarze Löcher sind noch nicht alles, was die Natur an kosmischen Kolossen zu bieten hat. Kürzlich fanden mehrere japanische und amerikanische Forschergruppen unabhängig voneinander Hinweise, daß es auch mittelschwere Schwarze Löcher gibt – Himmelskörper, die 100- bis 10000mal so schwer sind wie die Sonne, aber kleiner als unser Mond. Sie verraten sich durch subtile Veränderungen im Röntgenspektrum von Galaxien, die mit dem deutschen Röntgensatelliten Rosat und dem japanischen ASCA aufgenommen wurden. Die Kollision stellarer Schwarzer Löcher ist der wahrscheinlichste Weg, wie sich mittelschwere Schwarze Löcher bilden können. Zwar ist ein frontaler Zusammenstoß im All äußerst unwahrscheinlich. Doch die Mehrzahl der Sterne im Universum steht nicht allein, sondern kreist zu zweit oder dritt um einen gemeinsamen Schwerpunkt. Wenn sie genug Masse haben, kollabieren sie an ihrem Lebensende zu Schwarzen Löchern, die den kosmischen Tanz weitertreiben. Aber dabei geht Gravitationsenergie verloren. Dieser Energieverlust setzt eine Spirale der Zerstörung in Gang: Die Schwarzen Löcher kommen sich immer näher und prallen schließlich aufeinander. Physiker liegen bereits auf der Lauer, um diese kosmischen Erschütterungen zu messen. „Kollidierende Schwarze Löcher gehören zu den aussichtsreichsten Kandidaten für den Nachweis von Gravitationswellen“, sagt Edward Seidel, Professor am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in Golm bei Potsdam. Mit seinen Mitarbeitern Bernd Brügmann und Werner Benger sowie ausländischen Forschern hat er erstmals genau berechnet, was bei einem solchen Zusammenstoß geschieht.
Die Rechnungen zeigen, daß sich die Ereignishorizonte der Schwarzen Löcher erdnußförmig verzerren, bevor sie wie zwei Wassertropfen miteinander verschmelzen. Dabei nimmt die Stärke der Gravitationswellen innerhalb weniger millionstel Sekunden rasant zu. Auch ihre Frequenz steigt rapide. Zwei Schwarze Löcher mit 10 und 15 Sonnenmassen, die aus rund 50 Kilometern Abstand in weniger als 0,2 tausendstel Sekunden ineinanderfallen, senden ungefähr ein Prozent ihrer Gesamtmasse in Form von Gravitationswellen aus. „Das ist ein gigantischer Energiebetrag, der etwa tausendmal größer ist als die Strahlung, die unsere Sonne im Lauf ihres fünf Milliarden Jahre langen Lebens freigesetzt hat“, sagt Bernd Brügmann. Schließlich klingen die Schwingungen – ähnlich wie bei einer Kirchenglocke – allmählich aus, während der Ereignishorizont der vereinigten Schwarzen Löcher wieder eine kugelförmige Gestalt annimmt.
Auf der Erde ist von diesen kosmischen Supercrashs freilich kaum etwas zu spüren. Doch mit neuen Gravitationswellendetektoren, die in den nächsten Monaten mit ihren Messungen beginnen werden, wollen Physiker die Erschütterungen nachweisen. Leicht wird das nicht sein – doch das ist bei kosmischen Schwergewichten auch nicht zu erwarten.

===Rüdiger Vaas
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