Schwarzes Loch

Supermassereiche Schwarze Löcher

Sgr A* und IRS 13 im Zentrum der Milchstraße

Supermassereiche (auch supermassiv genannte) Schwarze Löcher können die millionen- bis milliardenfache Sonnenmasse haben und befinden sich vermutlich in den Zentren der meisten Galaxien. Wie sie entstanden sind und wie ihre Entstehung mit der Entwicklung der Galaxien zusammenhängt, ist Gegenstand aktueller Forschung.

So wird hinter der starken Radioquelle Sagittarius A* (kurz Sgr A*) im Zentrum der Milchstraße ein supermassives Schwarzes Loch von 4,3 Millionen Sonnenmassen vermutet.^[4] Vor wenigen Jahren lag die Massenabschätzung, die auf der Beobachtung von Gaswolken (z. B. der sogenannten Mini-Spirale) fußte, noch bei etwa 2,7 Mio. Sonnenmassen. Dank verbesserter Auflösung und Empfindlichkeit der Teleskope konnte die Masse für das Schwarze Loch im Zentrum der Galaxis genauer angegeben werden, durch Analyse der Bahnkurven der sog. S0-Sterne, wobei die 0 lediglich bedeutet, dass die Umlaufbahnen der Sterne unter einem relativen Winkel von einer Bogensekunde zu beobachten sind (Entsprechendes gilt für S1- und S2-Sterne).

Natarajan und Treister^[5] haben ein Modell entwickelt, das eine obere Massengrenze in der Größenordnung von 10 Milliarden Sonnenmassen vorhersagt. Die Begründung liegt – anschaulich erklärt – darin, dass die hineinstürzende Materie durch die Gravitationskraft eines solchen supermassiven Schwarzen Lochs derart beschleunigt wird, dass sich ein stabiler Orbit außerhalb des Schwarzschild-Radius ergibt. Zusätzlich wirken auch die elektromagnetische Strahlung und die „Materiewinde“, die von der Materie in der Akkretionsscheibe ausgestrahlt werden, als Widerstand gegen weiter einfallende Materie, sodass sich letztlich ein Gleichgewicht zwischen einfallender und abgestoßener Materie einstellt.

2008 hat ein schweizerisches Team der Technischen Hochschule Lausanne (EPFL) um Alexander Eigenbrod ein energiereiches Ringgebilde um einen 10 Milliarden Lichtjahre entfernten Quasar, das Einsteinkreuz im Sternbild Pegasus, am VLT beobachtet und damit die Theorie der supermassereichen Löcher sehr gut bestätigt.^[6]

Im Zentrum der Galaxie M87 wurde ein Schwarzes Loch mit einer Masse von 6,6 Milliarden Sonnenmassen nachgewiesen.^[7][8] Aktuelle Rekorde stellen ein Schwarzes Loch von 18 Milliarden Sonnenmassen dar, das im Quasar OJ 287 entdeckt wurde (2008),^[9] und eines von geschätzten 21 Milliarden Sonnenmassen im Zentrum der Galaxie NGC 4889 (2011).^[10] Im November 2012 wurde in der Galaxie NGC 1277 ein Schwarzes Loch entdeckt, das mit rund 17 Milliarden Sonnenmassen ca. 14 % der gesamten Masse der Galaxie umfasst.^[11]

Mittelschwere Schwarze Löcher

Mittelschwere Schwarze Löcher entstehen möglicherweise in Folge von Sternenkollisionen und -verschmelzungen. Ihre Existenz ist noch nicht sicher erwiesen, allerdings veröffentlichten Forscher Anfang 2004 Ergebnisse einer Untersuchung von Nachbargalaxien mit dem Weltraumteleskop Chandra, in der sie Hinweise auf Mittelschwere Schwarze Löcher in sogenannten ultrahellen Röntgenquellen (ULX) fanden. Inzwischen gibt es allerdings aufgrund neuerer Beobachtungen mit dem VLT und dem Subaru-Teleskop starke Zweifel daran, dass ULX mittelschwere Schwarze Löcher sind.^[12] Ein neuer Kandidat für ein solches wird im Zentrum einer Zwerg-Seyfert-Galaxie vermutet.^[13] Wird in einem Röntgendoppelstern einer der Partner zu einem Schwarzen Loch, kann im weiteren Verlauf der Entwicklung sehr viel Masse vom leichteren Partner auf das entstandene Schwarze Loch abfließen. Die meisten Schwarzen Löcher schaffen es jedoch nicht, mehr als einige Sonnenmassen Material aus der Umgebung einzufangen. Welche Bedingungen für die mögliche Entstehung mittelschwerer Schwarzer Löcher notwendig sind, ist unklar. Als derzeit einzige Kandidaten für solche Objekte werden die Zentren der Kugelsternhaufen Omega Centauri in der Milchstraße und Mayall II in der Andromeda-Galaxie gewertet.^[14]

Stellare Schwarze Löcher

Stellare Schwarze Löcher stellen den Endzustand der Entwicklung massereicher Sterne dar. Sterne, deren Anfangsmasse kleiner als drei Sonnenmassen ist, können nicht zu einem Schwarzen Loch werden. Sie beenden ihr Leben als vergleichsweise unspektakulär auskühlender Sternenrest (Weißer Zwerg/Neutronenstern). Sterne, deren Anfangsmasse drei Sonnenmassen übersteigt (etwa Blaue Riesen), durchlaufen am Ende ihres Lebens die höheren Stufen der Nukleosynthese bis zum Siliciumbrennen.

Sie explodieren dann in einer Kernkollaps-Supernova, wobei der übrigbleibende Sternenrest zu einem Schwarzen Loch kollabiert, sofern er noch mehr als 2,5 Sonnenmassen besitzt (Tolman-Oppenheimer-Volkoff-Grenze). Ansonsten können Sterne bis zur fünfzehnfachen Sonnenmasse – abhängig davon, wie viel Masse sie als Supernova verlieren – auch als Neutronenstern enden, wenn die verbleibende Masse zwischen 1,5 und 2,5 Sonnenmassen liegt. Neutronensterne können sich – beispielsweise als kompakter Begleiter in einem Röntgendoppelstern – durch die Akkretion weiterer Materie auch im Nachhinein noch zu Schwarzen Löchern entwickeln.

Rekordhalter bei den stellaren Schwarzen Löchern mit der höchsten Masse stellt aktuell das Schwarze Loch in der Zwerggalaxie IC 10 im Sternbild Kassiopeia mit der 24- bis 33-fachen Sonnenmasse dar. Es ist Teil eines Doppelsternsystems. Das Schwarze Loch wurde indirekt durch die in ihrer Stärke schwankende Röntgenstrahlung des begleitenden Sterns entdeckt, was ein Hinweis auf ein periodisch die Quelle verdeckendes Objekt sein kann. Berechnungen aus Daten des Satelliten Swift sowie des Gemini-Teleskops auf Hawaiʻi bestätigten die Vermutungen.^[15]

Rekordhalter mit der aktuell geringsten Masse ist XTE J1650-500, ebenfalls ein Röntgendoppelstern mit vielleicht nur ca. 3,8 Sonnenmassen. Als Kandidat für das kleinste schwarze Loch wird zur Zeit IGR J17091-3624 untersucht. Es handelt sich um ein Doppelsternsystem aus einem normalen Stern und einem Schwarzen Loch, das anhand der Veränderungen seines Röntgensignals auf weniger als die dreifache Masse unserer Sonne geschätzt wird.^[16]

Primordiale Schwarze Löcher

Anfang der 1970er Jahre stellte Stephen W. Hawking als Erster die Vermutung auf, neben den durch Supernovae entstandenen Schwarzen Löchern könnte es auch sogenannte primordiale Schwarze Löcher geben. Das sind Schwarze Löcher, die sich bereits beim Urknall in Raumbereichen gebildet haben, in denen die lokale Massen- und Energiedichte genügend hoch war (rechnet man die ständig abnehmende Materiedichte im Universum zurück, so findet man, dass sie in der ersten Tausendstelsekunde nach dem Urknall die Dichte des Atomkerns überstieg). Auch der Einfluss von Schwankungen der gleichmäßigen Dichteverteilung (siehe hierzu kosmische Hintergrundstrahlung) im frühen Universum war für die Bildung von primordialen Schwarzen Löchern ausschlaggebend, ebenso die beschleunigte Expansion während der Inflationsphase nach dem Urknall. Damals könnten sich kleine Schwarze Löcher mit einer Masse von etwa 10¹² Kilogramm gebildet haben. Seit Mitte der 1990er Jahre wird diskutiert, ob die kürzesten auf der Erde gemessenen Gammastrahlungsausbrüche von verstrahlenden primordialen Schwarzen Löchern stammen könnten, denn deren berechnete Lebensdauer liegt in der Größenordnung des Alters des heutigen Universums.

Aus seinen Überlegungen über kleine Schwarze Löcher folgerte Hawking im Jahre 1974 die Existenz der nach ihm benannten Hawking-Strahlung, dass also Schwarze Löcher Materie nicht nur schlucken, sondern auch wieder freisetzen können. Obwohl die Existenz von primordialen Schwarzen Löchern keineswegs gesichert ist, haben sich also allein aus hypothetischen Betrachtungen wertvolle neue Erkenntnisse im Bereich der Kosmologie, der Quantenphysik und der Relativitätstheorie ergeben.

Schwarze Mikro-Löcher

Einigen sogenannten vereinheitlichenden Theorien wie der Stringtheorie zufolge könnte es bald möglich sein, extrem kurzlebige Schwarze Mikro-Löcher im Labor (vorrangig in Teilchenbeschleunigern) herzustellen.^[17] Sollte es sich erweisen, dass dies tatsächlich so ist, so ist aber gleichzeitig davon auszugehen, dass sich diese Schwarzen Mikro-Löcher ebenfalls bei Teilchenkollisionen von kosmischer Strahlung mit Molekülen in der Hochatmosphäre bilden (seit Milliarden Jahren) und daher keine Gefahr darstellen können.^[18]

Gegen die jüngsten Experimente am LHC-Beschleuniger von CERN wurde in der Tat seit 2008 opponiert,^[19] und es kam sogar zu Gerichtsprozessen,^[20] weil bei den Experimenten angeblich gefährliche Schwarze Mikrolöcher entstehen würden. Von den Experten von CERN wurde das bestritten, mit den im vorausgehenden Abschnitt genannten Argumenten. Es scheint, dass sich diese Kontroverse, u. a. nach der im Sommer 2012 bekanntgegebenen Serie von Experimenten zum Higgs-Boson, fürs Erste „von selbst erledigt“ hat. Im Oktober 2012 ist jedenfalls nachträglich vor dem Berufungsgericht in Münster (Westfalen) die obige Klage gegen CERN wegen Inkaufnahme einer voraussehbaren Gefährdung der Öffentlichkeit durch Schwarze Mikrolöcher endgültig gescheitert.^[20]

Beobachtung

Akkretionsscheibe eines Röntgendoppelsterns.

Eine Galaxie zieht hinter einem Schwarzen Loch vorbei (Simulation).

Grundlagen

Eine direkte Beobachtung von Schwarzen Löchern gilt als praktisch unmöglich. Moderneren Theorien zufolge sind Schwarze Löcher zwar vielleicht in der Lage, Energie in Form von sogenannter Hawking-Strahlung abzugeben. Sollte dies zutreffen, würde das bedeuten, dass Schwarze Löcher allmählich „verdampfen“, wobei dieser Prozess umso schneller verläuft, je kleiner die Masse des Schwarzen Loches ist. Doch die Hawking-Strahlung wäre so energiearm, dass sie vom üblichen Hintergrund nicht zu unterscheiden wäre. Außerdem ist das Schwarze Loch selbst mit nur wenigen Kilometern Durchmesser auf kosmische Entfernungen für eine Beobachtung viel zu klein.

Beobachtet werden dagegen Materiestrahlen. In diesen Jets wird ein Teil der verschlungenen Materie in Energie umgewandelt und als Gammastrahlung oder Teilchenstrom weggeschleudert. Beobachtet wurde dies Ende 2007 bei dem Schwarzen Loch im Zentrum der Galaxie 3C 321.

Es gibt viele Arten von aktiven Galaxienkernen, wie etwa Quasare, die eine hohe und sehr variable Leuchtkraft aufweisen; diese können durch zahlreiche Effekte entstehen. Einer der energiereichsten Prozesse findet statt, wenn Materie mit hoher Geschwindigkeit auf ein Schwarzes Loch zufällt, sich dabei erhitzt und einen Teil ihrer Masse in Form von Gammastrahlung emittiert.

Kinematischer Nachweis

Dabei werden die Bahn und die Geschwindigkeit von Sternen, die das Schwarze Loch umkreisen, als Nachweis herangezogen. Wird eine enorm hohe Masse, die auch noch dunkel und dicht ist, festgehalten, so liegt die Vermutung nahe, dass es sich um ein Schwarzes Loch handelt. Die Vermessung der Bahn des Sterns S2, der Sgr A* auf einer Keplerbahn umkreist, erlaubte sehr genaue Aussagen über die Massenkonzentration im Zentralbereich von Sgr A*. Bei einer weiteren kinematischen Methode werden die Dopplerverschiebung und der Abstand zwischen dem dunklen Objekt und dem um ihn kreisenden Stern festgestellt, wodurch sich die Masse abschätzen lässt.^[21]

Eruptiver Nachweis

Sterne, die dem Gezeitenradius eines Schwarzen Lochs zu nahe kommen, können durch die auftretenden Gezeitenkräfte zerrissen werden und dabei eine charakteristische Röntgenstrahlung freisetzen.

Akkretiver Nachweis

Schwarze Löcher sammeln in ihrer Umgebung interstellares Gas auf (Akkretion). Durch Reibung der angesammelten Teilchen und Vernichtung von Magnetfeldern entgegengesetzter Polarität heizt sich das Gas zu einer ionisierten Form auf. Bei diesem Ansammeln entsteht eine Akkretionsscheibe. Die dabei entstehende Strahlung ist durch moderne Teleskope sichtbar.^[21]

Aberrativer Nachweis

Schwarze Löcher besitzen die Eigenschaft, elektromagnetische Strahlung abzulenken oder zu bündeln, wodurch es möglich ist, sie zu identifizieren. Sollte beispielsweise die Form der elliptischen Bahn eines Sterns verzerrt erscheinen, liegt die Annahme nahe, dass ein Schwarzes Loch zwischen dem Beobachter und dem Stern vorhanden ist.^[21]

Obskurativer Nachweis

Durch die Gravitationsrotverschiebung lässt sich eine schwarze Färbung am Rand der Schwarzen Löcher erkennen, da der relativistische Rotverschiebungsfaktor elektromagnetische Wellen beeinflusst und somit die Strahlungen in der Nähe des Ereignishorizonts unterdrückt werden, sodass ein Schwarzes Loch sichtbar wird.^[21]

Temporaler Nachweis

Durch die zeitliche Verzerrung (die sogenannte Zeitdilatation), die ein Schwarzes Loch bei Objekten auslöst, die es umkreisen oder sich in der Nähe befinden, ist es möglich, durch die Analyse der Lichtkurven diese Verzerrung zu erkennen und ein Schwarzes Loch als solches zu identifizieren.^[21]

Spektro-relativistischer Nachweis

Linseneffekte und Gravitationsverschiebungen verfremden die Spektren der Sterne, die sich in der Umgebung von Schwarzen Löchern befinden.^[21]

Sagittarius A*

Sagittarius A* ist ein supermassereiches Schwarzes Loch im Zentrum der Milchstraße. Seit 1992 wird seine Umgebung vor allem im infraroten Bereich von einem Team von Astronomen untersucht. Dabei wurden die Umlaufbahnen und die Geschwindigkeiten von 28 Sternen vermessen. Eingesetzt wurden Nah-Infrarot-Kameras mit adaptiver Optik beim Very Large Telescope in Cerro Paranal in Chile, der bildgebende Spektrograph Sinfoni, die Speckle-Abbildungskamera SHARP I und andere Instrumente der europäischen Südsternwarte. Außerdem wurden Beobachtungen des Keck-Teleskops auf Hawaiʻi, des New Technology Teleskops sowie Aufnahmen des Hubble-Teleskops ausgewertet.^[22]

Die Untersuchungen zeigten, dass die zentrale Masse nur durch ein Schwarzes Loch erklärt werden kann und dass circa 95 % der gesamten Masse im beobachteten Sektor sich in diesem Schwarzen Loch befinden muss. Die Vermessung der Infrarot- und Röntgenemission in der Akkretionszone deutet darauf hin, dass das Schwarze Loch ziemlich stark rotiert.^[23]

Weitere Schwarze Löcher in der Milchstraße

Neben dem vermuteten zentralen Schwarzen Loch in unserer Galaxie, nämlich Sagittarius A* mit einer Masse von ca. 4,3 Millionen Sonnen, gibt es eine Reihe weiterer vermuteter kleiner Schwarzer Löcher, die in der Milchstraße verteilt sind und eine Masse von mehreren bis einem Dutzend Sonnenmassen aufweisen. Sie alle sind Bestandteile von Doppel- oder Mehrfachsternsystemen, ziehen von ihrem Partner anscheinend in einer Akkretionsscheibe Materie ab und strahlen im Röntgenbereich.^[25][26]

Neueste Forschungsergebnisse zeigen, dass sich in der Sternengruppe IRS 13, die nur drei Lichtjahre von Sgr A* entfernt liegt, ein zweites Schwarzes Loch mit vergleichsweise geringen 1300 Sonnenmassen befindet. Es ist derzeit nicht geklärt, ob es sich in Zukunft mit Sgr A* vereinigen wird, oder ob es sich auf einer stabilen Umlaufbahn befindet, oder sich sogar von ihm entfernt.

Sonstige

In der Galaxie NGC 6240 befinden sich zwei Schwarze Löcher, die einander im Abstand von 3000 Lichtjahren umkreisen und in einigen hundert Millionen Jahren verschmelzen werden.

Das derzeit im beobachtbaren Universum am weitesten entfernte stellare Schwarze Loch wurde von Astronomen der Europäischen Südsternwarte (ESO) mit Hilfe des Very Large Telescope am Paranal-Observatorium in der Galaxie NGC 300 aufgespürt.^[27]

Das erste Schwarze Loch außerhalb unserer Galaxie wurde 1982 in der etwa 150.000 Lichtjahre entfernten Großen Magellanschen Wolke nachgewiesen und bildet eine Komponente des Röntgendoppelsterns LMC X-3.^[28]

Im Zentrum von NGC 4889 befindet sich (Stand Dezember 2011) das größte bisher direkt gemessene schwarze Loch, mit einer Masse von geschätzten 21 Milliarden Sonnenmassen ('best fit' aus dem Bereich 6 bis 37 Milliarden Sonnenmassen).^[10]

Physikalische Beschreibung

Entstehungsdynamik

Äußere Schwarzschildlösung

Allgemein hat die Masse eines Körpers immer Gravitationskräfte zur Folge. Wenn die Masse auf ein genügend kleines Volumen begrenzt ist (siehe auch Roche-Grenze), hält sich der Körper von alleine zusammen: Die Gravitationskraft führt zu einer Kompression des Körpers. In den meisten Fällen endet die Kompression durch Gegenkräfte im Inneren, nämlich sobald sich diese Kräfte mit der Gravitation im Gleichgewicht befinden. Die letzte stabile Massengrenze liegt bei etwa 1,5 Sonnenmassen (Chandrasekhar-Masse); bei Objekten, die leichter sind, kann der Entartungsdruck in der in entartetem Zustand vorliegenden Materie einem Gravitationskollaps erfolgreich entgegenwirken.

Wenn eine kritische Dichte überschritten wird, reichen die Gegenkräfte nicht mehr aus, um die Gravitation zu kompensieren. Ein Gravitationskollaps ist die Folge: Die Gravitationskraft steigt schneller an als die durch Abstoßung der Atome resultierenden Gegenkräfte. Dadurch beschleunigt sich der Prozess selbst. Die Masse fällt auf ein verschwindendes Volumen zusammen. Die immer weiter ansteigende Gravitation verzerrt lokal den Raum und den Ablauf der Zeit. Das bedeutet, dass – von einem äußeren Beobachter betrachtet – der Kollaps immer langsamer abläuft und sich das Volumen nie auf einen einzelnen Punkt zusammenzieht.

Gravitative Auswirkungen

Da die Masse erhalten bleibt, wächst die Dichte des Körpers über alle Grenzen. Solche Körper krümmen die Raumzeit um sich herum so stark, dass man anschaulich von einem Loch im Gefüge des Raums sprechen könnte, man nennt sie jedoch exakter Singularität. Die Singularität wird von einem Raumzeitbereich umgeben, aus dem weder Materie noch Information nach außen gelangen kann. Die Grenze dieses Bereichs ist der sogenannte Ereignishorizont.

Der Ereignishorizont ist kein physisches Gebilde, er bezeichnet nur einen Ort oder genauer eine Grenzfläche. Ein Beobachter, der durch den Ereignishorizont hindurchfällt, würde daher selbst nichts davon bemerken. Relativistische Effekte (Allgemeine Relativitätstheorie) führen aber dazu, dass ein von einem zweiten, weit entfernten Beobachter betrachteter Körper aufgrund der Zeitdilatation unendlich lange braucht, um den Ereignishorizont zu erreichen, wobei er zunehmend in rotverschobenem Licht erscheint und lichtschwächer wird.

Das Gravitationsfeld im Außenraum kugelförmiger, nichtrotierender und elektrisch ungeladener Körper wird durch die Schwarzschild-Metrik beschrieben. Sie gilt nicht nur für Schwarze Löcher, sondern für alle Körper mit diesen Eigenschaften und stellt für Sterne oder Planeten meist eine gute Näherung dar. Die Größe des Schwarzschildradius beträgt für ein Schwarzes Loch von einer Sonnenmasse etwa 2,9 Kilometer, für ein Objekt von einer Erdmasse etwa 9 Millimeter.

Es ist ein weitverbreiteter Irrtum, dass das Gravitationsfeld eines Schwarzen Loches bzw. die von ihm hervorgerufene Krümmung von Raum und Zeit bei üblichen Entfernungen von außerordentlich großer Stärke sei. Da sowohl Schwarze Löcher als auch Sterne von derselben Metrik beschrieben werden, würde sich am Gravitationsfeld im Sonnensystem nichts ändern, wenn man die Sonne durch ein Schwarzes Loch gleicher Masse ersetzte. Abgesehen vom Fehlen des Sonnenlichts wäre lediglich in unmittelbarer Umgebung des Schwarzen Loches (innerhalb etwa des vorherigen Sonnenradius) ein enormer Zuwachs der Gravitationsbeschleunigung festzustellen.

Rotation

Das rotierende Schwarze Loch ist die allgemeine Form dieses astrophysikalischen Phänomens. Als rotierende Schwarze Löcher werden solche bezeichnet, die einen Eigendrehimpuls besitzen. Wie alle Schwarzen Löcher verursachen auch sie, bedingt durch ihre enorme Gravitation, eine entsprechend große Veränderung der geometrischen Struktur von Raum und Zeit (siehe: Raumzeitkrümmung). Bei einem rotierenden Schwarzen Loch nimmt die Singularität jedoch eine Kreis- oder Ringform an und reißt die Raumzeit um sich herum mit anstatt sie nur zu krümmen: Der Raum wird in der Drehrichtung des Schwarzen Lochs mitgedreht. Diese Art der Raumzeitkrümmung erscheint nicht bei einem ruhenden Schwarzen Loch, sondern tritt bei rotierenden Schwarzen Löchern sozusagen zusätzlich außerhalb des Ereignishorizonts mit der Form eines an den Polen abgeplatteten Rotationsellipsoids auf. Alle Objekte um ein rotierendes Schwarzes Loch werden mitgedreht, eben weil sich auch die Raumzeit selbst mitdreht. Einem zu seiner Umgebung stillstehenden Beobachter käme es so vor, als würde sich das ganze Universum um ihn herum drehen. Dieser Effekt nimmt mit der Entfernung stark ab. Aber bis zu einem bestimmten Abstand (der sogenannten statischen Grenze), in einem Bereich, der Ergosphäre genannt wird, ist die Drehgeschwindigkeit so hoch, dass alle Objekte (und auch Energie wie Lichtstrahlen) wiederum schneller als Licht sein müssten, um diese Ergosphäre zu verlassen. Die Winkelgeschwindigkeit eines Teilchens am eigentlichen Ereignishorizont entspricht genau der Rotationsgeschwindigkeit des Schwarzen Loches und nimmt nach außen ab, die Bahngeschwindigkeit entspricht dabei aber immer der Lichtgeschwindigkeit. Das heißt nicht, dass seine Eigengeschwindigkeit größer als die Lichtgeschwindigkeit ist, sondern dass es innerhalb der Ergosphäre keine nicht-mitrotierenden Teilchen geben kann. Dieses Frame-Dragging ist ein Extremfall des seit 1918 bekannten Lense-Thirring-Effekts. Eine Besonderheit dieses Bereichs ist, dass die kinetische Energie in diesem Bereich negativ sein kann. Ein Teilchen, das sich in der Ergosphäre befindet, kann deshalb so in zwei Teilchen zerfallen, dass die kinetische Energie eines der beiden größer ist als die des ursprünglichen Teilchens. Das betreffende Teilchen kann die Ergosphäre verlassen, während sein Komplement mit negativer kinetischer Energie (ohne weitere Wechselwirkung) notwendig und in endlicher Eigenzeit den Ereignishorizont überschreitet. Die scheinbar aus dem Nichts generierte Energie wird der Rotationsenergie des Schwarzen Lochs entzogen. Dieser Mechanismus zur Energiegewinnung wurde zuerst von Roger Penrose vorgeschlagen.

Die Ausdehnung der Ergosphäre ist vom Polarwinkel (entspricht dem Komplementärwinkel der geographischen Breite auf der Erde) abhängig; sie ist null an den Polen des rotierenden Schwarzen Lochs - d. h. statische Grenze und Ereignishorizont fallen hier zusammen - und erreicht einen vom Drehimpuls des Schwarzen Lochs abhängigen Abstand - maximal den doppelten Schwarzschildradius - in der Äquatorregion. Der Drehimpuls eines Schwarzen Lochs ist dabei, wie unten beschrieben wird, begrenzt.

Einige Beobachtungen, beispielsweise von extrem schnellen Materiestrahlen (Jets), die senkrecht zur Akkretionsscheibe stehen, werden durch Effekte beschrieben, die nur innerhalb einer Ergosphäre oder bei Vorhandensein derselben auftreten können. Aus allgemeinen Überlegungen zur Drehimpulserhaltung kann man schließen, dass alle Schwarzen Löcher rotieren, zumindest zum Zeitpunkt ihrer Entstehung. Aber natürlich zeigen nur sehr schnell rotierende Schwarze Löcher starke Auswirkungen der unter Frame-Dragging bekannten Phänomene. Andererseits verdrillt jede rotierende Masse, unabhängig vom Auftreten eines Ereignishorizonts, also auch der Planet Erde, die umgebende Raumzeit. Diese Effekte bei der Erde sollten durch Messungen zum Beispiel mit Hilfe der LAGEOS-Satelliten quantifiziert werden. Erste Ergebnisse aus dem Jahr 1997 lagen noch so dicht am Bereich der Messungenauigkeit, dass sie kontrovers diskutiert wurden, erst eine Wiederholung der Messung im Jahr 2004 mit dem Satelliten Gravity Probe B bestätigte den Sachverhalt.^[29]

Größenordnungen

Größenvergleich eines schwarzen Lochs (links) und eines sog. Neutronensterns (rechts) je einer Sonnenmasse mit einer simulierten Stadt auf einer Fläche von 40 × 40 km

Die Größenordnung Schwarzer Löcher (z. B. die Ausdehnung des Ereignishorizonts) ist in die nebenstehende Simulation eingearbeitet: Der Radius eines etwa eine Sonnenmasse schweren Schwarzen Loches (genauer: seines Ereignishorizonts) beträgt R_Horizont ~ 10 km. Neutronensterne sind etwas größer. Hauptreihensterne wie unsere Sonne haben dagegen sehr viel größere Sternradien (R_Stern ~ 10⁶ km), sog. Weiße Zwerge haben R_Stern ~ 10⁴ km, sodass für die letzten zwei Sternarten, da sie im Außenbereich ebenfalls durch die Schwarzschild-Metrik beschrieben werden, durch Fortsetzung ins Innere sich formal der gleiche Ereignishorizont berechnet wie oben, der aber wegen der angegebenen Größenverhältnisse bei den letzten zwei Sternarten nicht direkt relevant ist.^[30]

Der hypothetische quantenphysikalische Kern eines Schwarzen Loches (siehe unten) hat vermutlich in allen Fällen nur einen extrem kleinen Radius. Für Hauptreihensterne und Weiße Zwerge läge also der Ereignishorizont tief im Sterninnern und ist deshalb irrelevant; für Neutronensterne ist dagegen der Sternradius nur wenig größer als der Ereignishorizont. Umgekehrt sind Effekte der Quantengravitation selbst bei schwarzen Löchern in der Regel extrem unwichtig.

Theoretische Betrachtungen

Mathematische Beschreibung

Ein Schwarzes Loch lässt sich durch lediglich drei physikalische Kenngrößen vollständig beschreiben (sogenannte Haarlosigkeit Schwarzer Löcher): Masse, Drehimpuls und Elektrische Ladung. Die Multipolmomente entfallen. Es gibt also folgende Klassen:

• Schwarze Löcher, die keine elektrische Ladung tragen ($ Q=0 $) und nicht rotieren ($ L=0 $), werden durch die Schwarzschild-Metrik beschrieben.
• Schwarze Löcher, die keine elektrische Ladung tragen ($ Q=0 $) und rotieren ($ L\neq 0 $), werden durch die Kerr-Metrik beschrieben.
• Schwarze Löcher, die elektrisch geladen sind ($ Q\neq 0 $) und nicht rotieren ($ L=0 $), werden durch die Reissner-Nordström-Metrik beschrieben.
• Schwarze Löcher, die elektrisch geladen sind ($ Q\neq 0 $) und rotieren ($ L\neq 0 $), werden durch die Kerr-Newman-Metrik beschrieben.

Schwarze Löcher in der allgemeinen Relativitätstheorie

Formell ergibt sich ein Schwarzes Loch aus einer speziellen Vakuumlösung der allgemeinen Relativitätstheorie, der sogenannten Schwarzschild-Lösung (nach Karl Schwarzschild, der diese Lösung als erster fand), bzw. für rotierende und elektrisch geladene Schwarze Löcher aus der Kerr-Newman-Lösung. Eine „Vakuumlösung“ ist eine Lösung der Vakuumfeldgleichungen – also etwa im Außenraum um einen Stern herum, wo sich näherungsweise keine Materie aufhält und damit der Energie-Impuls-Tensor verschwindet. Im Zentrum des Schwarzen Loches befindet sich eine physikalische Singularität; die Krümmung der Raumzeit wird an dieser Stelle unendlich groß und die Gleichungen der Relativitätstheorie versagen, weil für die Beschreibung dieses Ortes eine „Theory of Everything“ (TOE) notwendig wäre. Die ganze Masse des Schwarzen Loches ist in einem Punkt (bei rotierenden Schwarzen Löchern in einem Ring ohne Ausdehnung) konzentriert. Nach heutigem Stand des Wissens kann dies zustande kommen, weil die Gravitation in einem Schwarzen Loch so groß ist, dass keine der anderen drei Grundkräfte der Physik der Komprimierung entgegenwirken kann. Die gesamte Materie stürzt in sich zusammen und konzentriert sich in der Singularität. Aus diesem Grund ist die Dichte der Singularität unendlich groß.

Die Grenze, ab der keine Information mehr zu einem im Unendlichen befindlichen Beobachter gelangen kann, heißt Ereignishorizont, ihr Radius ist der Schwarzschildradius. Da ein nichtrotierendes Schwarzes Loch von außen gesehen kugelförmig ist, hat auch der Ereignishorizont die Form einer Kugeloberfläche. Schwarze Löcher können bei gegebener Masse nicht beliebig große Ladung und nicht beliebig großen Drehimpuls besitzen. Setzt man jedoch in die entsprechenden Lösungen der allgemeinen Relativitätstheorie eine zu hohe Ladung und/oder einen zu hohen Drehimpuls ein, so ergibt sich statt eines Schwarzen Loches eine sogenannte nackte Singularität: Es bildet sich zwar eine zentrale Singularität aus, jedoch ist diese nicht von einem Ereignishorizont umgeben: Man kann sich vorstellen, dass durch die Drehung der Raumzeit die einfallende Materie so stark beschleunigt würde (Zentrifugalkraft), dass sie die Gravitation wieder aufhebt. Im Ergebnis würde es somit keinen Ereignishorizont geben, da die Materie wieder entkommen könnte. Allerdings kann man zeigen, dass aus einem normalen Schwarzen Loch durch Zufuhr von Ladung oder Drehimpuls keine nackte Singularität entstehen kann, denn die gleichzeitig zugeführte Energie würde seine Masse ausreichend erhöhen, sodass also stets verhindert wird, dass aus dem gewöhnlichen Schwarzen Loch eines mit einer nackten Singularität entsteht (Roger Penrose nannte dies Kosmische Zensur).

Der Ereignishorizont wird bei Sternen, die zu nicht rotierenden Schwarzen Löchern kollabierten, von Lichtstrahlen begrenzt (der sogenannten Photonensphäre). Diese Lichtstrahlen sind die letzten, die noch nicht von der Gravitation des Schwarzen Loches angezogen wurden. Im Falle von rotierenden Schwarzen Löchern (siehe oben) gibt es nicht nur einen Radius, auf dem Lichtstrahlen die Singularität umkreisen können, sondern unendlich viele innerhalb der Ergosphäre. Nahe der Singularität, also deutlich innerhalb des Schwarzschildradius, ist die Verzerrung der Raumzeit so stark, dass für ein hineinfallendes Objekt auch der Empfang von Nachrichten sich auf einen schrumpfenden Horizont beschränkt. Dieses nur theoretisch zugängliche Phänomen wird asymptotisches Schweigen genannt.

Die „Hauptsätze der Schwarzloch-Dynamik“

Für Schwarze Löcher folgen aus der allgemeinen Relativitätstheorie Gesetze, die auffallend jenen der Thermodynamik gleichen. Schwarze Löcher verhalten sich ähnlich wie ein Schwarzer Strahler, sie haben also eine Temperatur. Es gelten im Einzelnen die folgenden Gesetze:

• Der Erste Hauptsatz der „Schwarzloch-Dynamik“ ist, wie in der gewöhnlichen Thermodynamik, der Energieerhaltungssatz, jedoch unter Berücksichtigung der relativistischen Energie-Masse-Äquivalenz. Zusätzlich gelten die anderen Erhaltungssätze der Mechanik und Elektrodynamik: Neben der Energie bleiben Impuls, Drehimpuls und Ladung erhalten.
• Der Zweite Hauptsatz der „Schwarzloch-Dynamik“ – von Stephen W. Hawking postuliert – besagt, dass die Summe der Flächen der Ereignishorizonte niemals abnehmen kann, egal was mit den Schwarzen Löchern passiert. Dies gilt nicht nur, wenn Materie in das Schwarze Loch fällt (was dessen Masse – und damit dessen Ereignishorizont – vergrößert), sondern auch beispielsweise für die Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher und für jeden anderen denkbaren Prozess. Dies entspricht dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik, wobei die Fläche des Ereignishorizonts die Rolle der Entropie übernimmt. Die Entropie des Schwarzen Lochs ist $ S_{SL}={\frac {Ak_{B}c^{3}}{4\hbar G}} $ (Erklärung der Formelzeichen: siehe unten). Schwarze Löcher haben die höchste Entropie aller bekannten physikalischen Systeme gleicher Masse.

Hawking-Strahlung

Quantentheoretische Überlegungen zeigen, dass jedes Schwarze Loch auch Strahlung abgibt. Es findet dabei kein Materie- oder Energietransport aus dem Inneren des Schwarzen Lochs statt. Tatsächlich entstehen Paare von virtuellen Teilchen in der unmittelbaren Umgebung (Casimir-Effekt), von denen manchmal nur eines in das Schwarze Loch gerät und dort anschaulich als negative Energie verrechnet werden muss und somit die Gesamtenergie des Schwarzen Lochs vermindert. Dem außerhalb verbliebenen Teilchen wird gleichzeitig Energie zugeführt und dieses wird letztlich real. Durch theoretische Betrachtungen kann diesem Teilchen eine Wellenlänge und damit auch eine Temperatur zugeordnet werden. Von außen betrachtet sieht es also so aus, als würde das Schwarze Loch „verdampfen“ und somit langsam kleiner werden. Die beobachtbare Temperatur bzw. Strahlungsfrequenz hängt umgekehrt proportional von der Masse ab. Dies bedeutet für sehr kleine primordiale Schwarze Löcher, dass sie sehr heiß sein und dementsprechend stark strahlen müssten, aber auch schnell verdampfen sollten, eventuell sogar so schnell, dass die beim Urknall entstandenen bereits alle zerstrahlt sein könnten. Die dabei entstehende Strahlung wäre aber sehr charakteristisch und könnte vielleicht als Nachweis solcher Löcher dienen. Andererseits gibt die Tatsache, dass man diese Strahlung bisher nicht gesehen hat, eine Obergrenze für ihre Anzahl. Umgekehrt gilt jedoch schon für Schwarze Löcher stellarer Größe, dass sie sehr kalt sein müssen und damit nur sehr langsam an Masse verlieren würden. Ein Schwarzes Loch mit einer Masse von zehn Sonnenmassen hat eine Temperatur von nur wenigen Milliardstel Kelvin und ist damit viel kälter als seine Umgebung (rund 4 K). Effektiv würde es also sogar von seiner Umgebung aufgewärmt und gewänne daher Masse hinzu. Die Lebensdauer eines stellaren Schwarzen Lochs, die durch die Hawking-Strahlung begrenzt ist, ist größer als das bisherige Alter des Universums (rund 14 Milliarden Jahre).

Entropie und Temperatur

Hawking erkannte 1974 nach Vorarbeiten des israelischen Physikers Jacob Bekenstein, dass Schwarze Löcher eine formale Entropie und somit auch eine formale absolute Temperatur T haben. Die formale Entropie S_SL eines Schwarzen Lochs ist proportional zur Oberfläche A seines Horizonts und sonst nur von Naturkonstanten abhängig; die formale Temperatur ist umgekehrt proportional zur Masse:

$ S_{\mathrm {SL} }={\frac {Ak_{B}c^{3}}{4\hbar G}} $

$ T={\frac {\hbar c^{3}}{8\pi k_{B}GM}} $

Dabei ist $ \hbar $ das reduzierte Planck'sche Wirkungsquantum h/2π, c die Lichtgeschwindigkeit, $ \pi $ die Kreiszahl Pi, $ k_{B} $ die Boltzmannkonstante, G die Gravitationskonstante und M die Masse.^[31]

Lebensdauer

Da nach Hawking ein Schwarzes Loch stetig Energie in Form von Hawking-Strahlung verliert, wird es nach einer bestimmten Zeitspanne $ \Delta t $ vollständig zerstrahlt sein, sofern es während dieser Zeitspanne keine neue Masse aufnehmen kann. Diese Zeitspanne berechnet sich durch

$ \Delta t={\frac {M^{3}}{3\Lambda _{t}}}, $

wobei M die Masse des Schwarzen Loches zu Beginn der Zeitspanne und $ \Lambda _{t} $ eine Konstante mit $ \Lambda _{t}=3{,}968\cdot 10^{15}{\frac {\mathrm {kg} ^{3}}{\mathrm {s} }} $ ist.

Keine-Haare-Theorem und Informationsverlustparadoxon

Ein Eindeutigkeits-Theorem von Werner Israel besagt, dass ein Schwarzes Loch vollständig durch Masse (siehe Schwarzschild-Metrik), elektrische Ladung (siehe Reissner-Nordström-Metrik) und Drehimpuls (siehe Kerr-Metrik) charakterisiert ist. Das veranlasste John Archibald Wheeler zur Aussage „Schwarze Löcher haben keine Haare“. Man spricht deshalb im Englischen auch vom No-Hair-Theorem. Weitere Informationen aus dem Inneren seien nicht zu erhalten, auch nicht durch die Hawking-Strahlung, da sie rein thermisch sei.

Verschiedentlich wurde angenommen, dass Schwarze Löcher einen Verlust an Information erzwingen, da die bei der Auflösung entstehende Hawking-Strahlung keine Informationen mehr über die beliebig komplizierte Entstehungsgeschichte des Schwarzen Lochs enthält. Diese Verletzung der Unitarität der Zeitentwicklung, das heißt, dass entgegen allen sonstigen Vorgängen in der Quantenmechanik ein Zeitpfeil ausgezeichnet ist, wird auch als Schwarzes-Loch-Paradoxon bezeichnet.

Prominente Vertreter dieser Sicht waren Kip Thorne und anfangs auch Stephen Hawking, der jedoch auf der 17. „International Conference on General Relativity and Gravitation“ (18. – 23. Juli 2004 in Dublin) seine frühere Meinung änderte und erklärte, dass Schwarze Löcher doch „Haare“ haben könnten. Weiterhin nehmen unter anderem Roger Penrose, John Preskill und Juan Maldacena an, dass zumindest gewisse Informationen zusätzlich nach außen dringen könnten. Auch in seinem Buch „Das Universum in der Nussschale“ äußert Stephen Hawking die Annahme, dass Schwarze Löcher bei ihrem Ableben die gesammelte Information wieder abgäben.

Ein neuerer Ansatz schlägt vor, das Keine-Haare-Theorem anhand der Präzession der Bahnellipsen zweier eng um Sagittarius A* umlaufender Sterne zu testen. Wenn das Keine-Haare-Theorem zutrifft, dann sollte das Verhältnis der beiden Präzessionsraten nur vom Drehimpuls des vermuteten Schwarzen Lochs Sagittarius A* abhängen. Sollte sich herausstellen, dass das Verhältnis der Präzessionsraten komplizierteren Beziehungen gehorcht, so wäre das Keine-Haare-Theorem widerlegt.^[32][33]

Verschmelzen von Schwarzen Löchern

Durch Ereignisse wie die Kollision von Galaxien können Schwarzes-Loch-Paare entstehen, die zu einem einzelnen Schwarzen Loch verschmelzen. So wird vermutet, dass das supermassereiche Schwarze Loch im Zentrum von M87 durch Verschmelzung entstanden ist. Im 300 Millionen Lichtjahre entfernten Galaxienhaufen Abell 400 hat man Hinweise auf die bevorstehende Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher gefunden.^[34]

Alternativen

Aufgrund der Probleme mit der Singularität der Raumzeit und dem Informationsparadoxon bei einem Schwarzen Loch wurden einige alternative Modelle für ultrakompakte dunkle Objekte vorgeschlagen. Da diese Modelle keine mit heutigen Mitteln beobachtbaren Vorhersagen machen, über die sie sich von einem Schwarzen Loch unterscheiden ließen, ist die Akzeptanz denkbar gering. Ein Beispiel sind die Gravasterne.

Adaptionen in der Science Fiction

• Schwarze Löcher werden in der Science-Fiction-Literatur oft als Mittel zu überlichtschnellem Transport verwendet, so in Stanisław Lems Fiasko.
• Die mythische Schwärze Schwarzer Löcher ist ein dramaturgisches Mittel im Film „Das schwarze Loch“ (1979) mit Maximilian Schell und Anthony Perkins in den Hauptrollen.
• Schwarze Löcher werden auch in manchen Serien, wie in der Serie „Stargate“ als ultimative Energiequellen verwendet, indem sie Energie an andere Objekte abgeben, weil sie dauerhaft Energie abstrahlen.

Dämonik

In vielen Darstellungen erscheint ein Schwarzes Loch als die ultimative Bedrohung, der alles verschlingende Schlund. Das ist zwar zutreffend, aber relativiert sich rasch, wenn man den Sturz in ein Schwarzes Loch mit beispielsweise einer zu starken Annäherung an einen Allerweltsstern wie unsere Sonne vergleicht: Auch hier hat man bei Unterschreitung einer Sicherheitsdistanz so gut wie keine Überlebensmöglichkeiten.

Literatur

• Kip S. Thorne: Gekrümmter Raum und verbogene Zeit. Droemer Knaur, München 1996, ISBN 3-426-77240-X.
  • Kip S. Thorne: Black Holes and Time Warps: Einstein’s Outrageous Legacy. W. W. Norton & Company, New York 1994, ISBN 0-393-31276-3.
• Max Camenzind: Von der Rekombination zur Bildung Schwarzer Löcher. In: Sterne und Weltraum. Heidelberg 44.2005,3, S. 28–38. ISSN 0039-1263.
• Stephen W. Hawking: Eine Kurze Geschichte der Zeit. Rowohlt Tb., Reinbek bei Hamburg 1988, ISBN 3-499-60555-4.
• Stephen W. Hawking: Das Universum in der Nussschale. 2. Auflage, Dtv, München 2004, ISBN 3-423-34089-4.
• Bernard J. Carr, Steven B. Giddings: Schwarze Löcher im Labor. In: Spektrum der Wissenschaft. Heidelberg 2005, 9, ISSN 0170-2971.
• Ute Kraus: Reiseziel - Schwarzes Loch. In: Sterne und Weltraum. Heidelberg 2005, 11. ISSN 0039-1263.
• Rüdiger Vaas: Tunnel durch Raum und Zeit. 2. Auflage, Franckh-Kosmos, Stuttgart 2006, ISBN 3-440-09360-3.
• Stephen W. Hawking: Die kürzeste Geschichte der Zeit. Rowohlt Tb., Reinbek bei Hamburg 2006, ISBN 3-499-62197-5.
• Mitchell Begelman, Martin Rees: Schwarze Löcher im Kosmos – Die magische Anziehungskraft der Gravitation. Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg 2000, ISBN 3-8274-1044-4.
• Fulvio Melia: The galactic supermassive black hole. Princeton Univ. Pr., Princeton 2007, ISBN 0-691-09535-3.
• Pietro Fré: Classical and quantum black holes. Inst. of Physics Publ., Bristol 1999, ISBN 0-7503-0627-0.
• Hyun Kyu Lee u. a.: Black hole astrophysics 2002. World Scientific, Singapore 2002, ISBN 981-238-124-4.
• Valerij P. Frolov u. a.: Black hole physics – basic concepts and new developments. Kluwer, Dordrecht 1998, ISBN 0-7923-5146-0.
• Piotr T. Chruściel, João Lopes Costa, Markus Heusler: Stationary Black Holes, Uniqueness, and Beyond. In: Living Rev. Relativity. 15, Nr. 7, 2012 (online. Abgerufen am 15. Dezember 2012. ).

Weblinks

Wiktionary: Schwarzes Loch – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Commons: Schwarzes Loch – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

• Die bunte Welt der Schwarzen Löcher. In: Werner Kasper: Abenteuer Universum (ausführlich, aber leicht verständlich)
• The Nature of Space and Time Part 1–4. Vorlesungen von Stephen Hawking (PostScript, PDF, Teil 2 enthält eine schöne Karikatur des No-Hair-Theorems)

Videos

• Was ist ein Schwarzes Loch? aus der Fernseh-Sendereihe alpha-Centauri. Erstmalig ausgestrahlt am 3. Jan. 1999. Vom 3. Januar 1999
• Gibt es schwarze Löcher in der Milchstraße? aus der Fernseh-Sendereihe alpha-Centauri. Erstmalig ausgestrahlt am 9. Mai 1999. Vom 9. Mai 1999
• Wo ist das nächste Schwarze Loch? aus der Fernseh-Sendereihe alpha-Centauri. Erstmalig ausgestrahlt am 4. Juni 2000. Vom 4. Juni 2000
• Verschmelzen Schwarze Löcher? aus der Fernseh-Sendereihe alpha-Centauri. Erstmalig ausgestrahlt am 27. Mai 2001. Vom 27. Mai 2001
• Bewegen sich Schwarze Löcher im All? aus der Fernseh-Sendereihe alpha-Centauri. Erstmalig ausgestrahlt am 20. Jan. 2002. Vom 20. Januar 2002
• Tanzen Schwarze Löcher? aus der Fernseh-Sendereihe alpha-Centauri. Erstmalig ausgestrahlt am 21. Jan. 2004. Vom 21. Januar 2004
• Fressen Schwarze Löcher Sterne? aus der Fernseh-Sendereihe alpha-Centauri. Erstmalig ausgestrahlt am 27. Okt. 2004. Vom 27. Oktober 2004
• Rotieren Schwarze Löcher? aus der Fernseh-Sendereihe alpha-Centauri. Erstmalig ausgestrahlt am 16. Feb. 2005. Vom 16. Februar 2005
• Gibt es ein 2. Schwarzes Loch im Galaktischen Zentrum? aus der Fernseh-Sendereihe alpha-Centauri. Erstmalig ausgestrahlt am 10. Mai 2006. Vom 10. Mai 2006

Einzelnachweise und Anmerkungen