Ein Schwarzes Loch ist ein Objekt unvorstellbarer Masse auf kleinstem Raum. Die Gravitation ist so stark, dass nicht einmal Licht ihm entkommen kann.

Im Sternbild »Haar der Berenike« (nördlicher Sternenhimmel) befindet sich die kleine Spiralgalaxie M100 am Rande des Virgohaufens (Ansammlung mehrerer Galaxien). 1979 entdeckte ein Amateurastronom in diesem Sternensystem die Supernova 1979C.

16 Jahre später registrierten Röntgenteleskope aus Richtung der Explosion gleichmäßige Strahlung, die vermutlich von einem jungen Schwarzen Loch ausgesandt wurde. Tatsächlich ist dieses Phänomen das jüngste bisher entdeckte Übrigbleibsel eines Sternentodes.

Das Wichtigste in Kürze

  1. Entstehung: Schwarze Löcher entstehen durch den Gravitationskollaps von massereichen Sternen, die mindestens 3-mal so massereich wie unsere Sonne sind.
  2. Schwerkraft: Die Schwerkraft eines Schwarzen Lochs ist so stark, dass nichts, einschließlich Licht, aus seinem Inneren entkommen kann.
  3. Arten von Schwarzen Löchern: Es gibt drei Haupttypen – stellare Schwarze Löcher, supermassive Schwarze Löcher und mittelschwere Schwarze Löcher.
  4. Gravitationswellen: Die Verschmelzung von zwei Schwarzen Löchern erzeugt Gravitationswellen, die Raumzeit-Verzerrungen sind und mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten.
  5. Hawking-Strahlung: Schwarze Löcher verlieren langsam Masse durch Hawking-Strahlung, ein Phänomen, das von Stephen Hawking vorhergesagt wurde, und können theoretisch verdampfen.
  6. Galaxienentwicklung: Supermassive Schwarze Löcher spielen eine wichtige Rolle bei der Entstehung und Entwicklung von Galaxien.

Was ist ein Schwarzes Loch?

Ein Schwarzes Loch ist ein astronomisches Objekt mit einer so starken Schwerkraft, dass nichts, nicht einmal Licht, aus seinem Inneren entkommen kann. Sie entstehen, wenn Sterne, die mindestens 3-mal so massereich wie unsere Sonne sind, am Ende ihres Lebenszyklus explodieren und ihre Masse in sich selbst kollabiert. Die extreme Verdichtung der Masse führt zur Bildung eines Raumes, aus dem nichts entkommen kann – das Schwarze Loch.

Die Entdeckung von Schwarzen Löchern

Obwohl Schwarze Löcher selbst unsichtbar sind, können wir ihre Anwesenheit durch die Wechselwirkung mit ihrer Umgebung feststellen. Der britische Geologe und Mathematiker John Michell beschrieb 1783 erstmals das Konzept eines “dunklen Sterns”, dessen Gravitation so stark ist, dass sie Licht einfängt.

Im Jahr 1915 veröffentlichte Albert Einstein seine Allgemeine Relativitätstheorie, die den Weg für eine mathematische Beschreibung von Schwarzen Löchern ebnete. Die erste konkrete Lösung für ein Schwarzes Loch, die sogenannte “Schwarzschild-Lösung“, wurde 1916 von Karl Schwarzschild gefunden.

Die Entdeckung des ersten Schwarzen Lochs, Cygnus X-1, erfolgte jedoch erst 1971, als Röntgenstrahlen aus der Region eines massiven Sterns detektiert wurden.

Es wurde festgestellt, dass diese Strahlen von einem unsichtbaren Objekt stammen, das Gas von dem massiven Stern abzieht, und so wurde Cygnus X-1 als das erste bekannte Schwarze Loch identifiziert.

Schwarzes Loch: Verschiedene Arten

Es gibt im Wesentlichen drei Arten von Schwarzen Löchern: stellare, supermassive und mittelschwere Schwarze Löcher.

Stellare Schwarze Löcher entstehen aus dem Kollaps massiver Sterne und haben Massen von bis zu 20 Sonnenmassen.

Supermassive Schwarze Löcher sind die Giganten unter den Schwarzen Löchern, mit Massen, die Millionen bis Milliarden Sonnenmassen betragen können. Sie befinden sich in den Zentren der meisten Galaxien, einschließlich unserer eigenen Milchstraße. Das supermassive Schwarze Loch im Zentrum unserer Galaxie wird als Sagittarius A* bezeichnet und hat eine Masse von etwa vier Millionen Sonnenmassen.

Mittelschwere Schwarze Löcher sind eine weniger bekannte und seltene Kategorie, die Massen im Bereich von Hunderten bis Tausenden von Sonnenmassen aufweisen. Ihre Entstehung ist noch ein Rätsel für Wissenschaftler.

Ende eines Sterns und Geburt eines Schwarzen Loches

Noch immer gilt die Entstehung Schwarzer Löcher als bloße Theorie. Die Annahme lautet, dass beim Kollabieren eines Sterns die Masse zwar erhalten bleibt, doch auf ein verschwindend geringes Volumen schrumpft. Durch die rasch ansteigende Gravitation verzerren sich im Umfeld des Schwarzen Loches Raum und Zeit.

Eben ein solches Phänomen wurde im Herbst 2010 von Wissenschaftlern der NASA im Sternensystem M100 unter den Koordinaten der Supernova 1979C registriert. Bestätigen sich ihre Annahmen, kann unter diesen Koordinaten künftig die Entstehung Schwarzer Löcher praktisch an vorderster Front, nämlich unmittelbar nach der Entstehung, erforscht werden.

Wissenschaftler können selbst mit den besten Teleskopen nur das im Weltall erforschen, was sich leicht und/oder kontinuierlich beobachten lässt. In fernen Sternensystemen wurden schon viele Supernovae oder ihre Reststrahlung entdeckt. Ebenso wimmeln Galaxienhaufen von Schwarzen Löchern. Doch nach bisher erstellten Theorien entstehen diese Löcher ganz anders.

Sie senden Gammablitze aus. Statt nun diese interstellare Geburt durch die Supernova 1979C untypisch zu nennen, ist es viel wahrscheinlicher, dass hier zum ersten Mal die eigentlich übliche Entstehung Schwarzer Löcher beobachtet wurde, während alle anderen Sichtungen untypische Besonderheiten waren.

Schwarzes Loch oder Neutronenstern?

Die Entdeckung ist noch immer eine bloße Vermutung der Astronomen. Sie halten die gleichmäßige Strahlung für den Nachweis, dass das Phänomen Material aus der Umgebung im Sternensystem aufsaugt, etwa Reste der Supernova 1979 C oder von einem Stern innerhalb eines Doppelsternsystems.

Ebenso könnte beim 1979er Ereignis aber auch ein Neutronenstern entstanden sein, der nun Partikel von hohem Energiereichtum aussendet. Dem Forscherdrang der Wissenschaftler wäre diese Aufklärung ebenso recht. Schwarzes Loch oder Pulsarwind-Nebel – in solcher Nähe zu unserer eigenen Galaxie sind beide galaktischen Geburten eine astronomische Sensation.

Zudem entdeckten chinesische Forscher kürzlich ein Schwarzes Loch mit 70 Sonnenmassen, deren Existenz sie vor ein Rätsel stellt.

Die Ereignishorizont-Teleskop-Kollaboration und das erste Bild eines Schwarzen Loch

Im April 2019 veröffentlichte die Ereignishorizont-Teleskop-Kollaboration (EHT) das erste direkte Bild eines Schwarzen Lochs. Das fotografierte Schwarze Loch befindet sich im Zentrum der Galaxie M87, etwa 55 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt, und hat eine Masse von 6,5 Milliarden Sonnenmassen.

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Aus Radioaufnahmen berechnete Darstellung, die das supermassereiche Schwarze Loch der Galaxie M87 zeigt1

Das Bild zeigt einen leuchtenden Ring aus Gas und Staub, der das Schwarze Loch umgibt und als “Schatten” des Schwarzen Lochs bezeichnet wird. Die Veröffentlichung dieses Bildes war ein bedeutender Meilenstein in der Erforschung von Schwarzen Löchern und bestätigte erneut die Vorhersagen der Allgemeinen Relativitätstheorie.

Gravitationswellen und die Verschmelzung von Schwarzen Löchern

Ein weiterer faszinierender Aspekt von Schwarzen Löchern ist die Entdeckung von Gravitationswellen, die durch die Verschmelzung von zwei Schwarzen Löchern erzeugt werden. Gravitationswellen sind Ripples in der Raumzeit, die sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten.

Sie wurden erstmals 2015 von der Laser-Interferometer-Gravitationswellen-Observatorium (LIGO) wissenschaftlichen Zusammenarbeit direkt nachgewiesen und bestätigten eine weitere wichtige Vorhersage von Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie.

Die Hawking-Strahlung und das Verschwinden des Schwarzen Loch

Der berühmte Physiker Stephen Hawking zeigte in den 1970er Jahren, dass Schwarze Löcher aufgrund eines Phänomens, das als “Hawking-Strahlung” bekannt ist, tatsächlich Energie verlieren und schließlich verschwinden können.

Diese Strahlung entsteht durch Quantenfluktuationen in der Nähe des Ereignishorizonts eines Schwarzen Lochs und führt dazu, dass das Schwarze Loch Masse verliert. Der Prozess ist jedoch extrem langsam, und es würde Milliarden von Jahren dauern, bis ein stellares Schwarzes Loch vollständig verdampft.

Die Rolle von Schwarzen Löchern bei der Entstehung von Galaxien

Es wird vermutet, dass supermassive Schwarze Löcher eine entscheidende Rolle bei der Entstehung und Entwicklung von Galaxien spielen. Die Wechselwirkung zwischen dem Schwarzen Loch und den umgebenden Gas- und Staubwolken kann zur Entstehung neuer Sterne führen.

Ebenso kann die Anwesenheit eines supermassiven Schwarzen Lochs im Zentrum einer Galaxie dazu beitragen, die Sterne und Gaswolken in der Galaxie auf stabilen Bahnen zu halten.

Schwarzes Loch: Tidal Disruption Events (TDEs)

Ein Tidal Disruption Event tritt auf, wenn ein Stern zu nahe an ein Schwarzes Loch gerät und von dessen enormer Gravitationskraft zerrissen wird. Dabei wird der Stern in einen langgezogenen Strahl aus Materie verwandelt, der in das Schwarze Loch hineingezogen wird.

TDEs bieten den Astronomen eine seltene Gelegenheit, die Eigenschaften von Schwarzen Löchern zu untersuchen, da sie intensive Strahlung in verschiedenen Wellenlängenbereichen emittieren.

Quellen

  1. Aus Radioaufnahmen des Event Horizon Telescope berechnete Darstellung, die das supermassereiche Schwarze Loch der Galaxie M87, entnommen 09.02.2020