Schwarze Löcher erklärt: Wie sie entstehen und was die Wissenschaft bestätigt hat

NASA definiert ein Schwarzes Loch als einen Bereich mit so immenser Schwerkraft, dass nichts, nicht einmal Licht, daraus entweichen kann. Die sichtbare Grenze um diese Region wird Ereignishorizont genannt: der Punkt, an dem die Fluchtgeschwindigkeit die Lichtgeschwindigkeit übersteigt, so die offizielle Schwarzes-Loch-Übersicht der NASA.

Innerhalb dieser Grenze, so die Bildungsseite der NASA für die Öffentlichkeit, wird angenommen, dass die verbleibende Materie eines kollabierenden Sterns zu einem unendlich kleinen Punkt zusammengepresst wird, der als Singularität bezeichnet wird. Trotz seiner winzigen Größe bestimmt seine Gravitationskraft alles innerhalb des Ereignishorizonts.

Wie ein stellares Schwarzes Loch entsteht

NASA gibt an, dass sich ein stellares Schwarzes Loch bildet, wenn ein Stern mit mehr als etwa 20-facher Sonnenmasse seinen Kernbrennstoff erschöpft und unter seinem eigenen Gewicht kollabiert. Der Kollaps löst eine Supernova aus, die die äußeren Schichten des Sterns wegbläst, während der Kern immer weiter nach innen fällt. Sobald der kollabierte Kern ungefähr drei Sonnenmassen übersteigt, bemerkt die NASA, wird der Kollaps zu einem Schwarzen Loch unvermeidlich, da keine bekannte Kraft ihn stoppen kann.

Ein Stern behält normalerweise seine Form, weil der Ausdruckdruck aus der Kernfusion den Einwärtsdruck seiner eigenen Schwerkraft ausgleicht. Wenn der Brennstoff aufgebraucht ist, wird dieses Gleichgewicht gestört, und die Schwerkraft komprimiert den Kern, bis er ein Schwarzes Loch bildet, nach der gleichen NASA-Erklärung.

Nicht alle Schwarzen Löcher sind gleich groß

NASAs Übersicht über Schwarze Löcher unterscheidet mehrere Kategorien nach Masse. Stellare Schwarze Löcher reichen von etwa drei bis mehreren Dutzend Sonnenmassen und sind über die Milchstraße verstreut. Supermassive Schwarze Löcher, die sich in den Zentren der meisten großen Galaxien, einschließlich unserer eigenen, befinden, wiegen zwischen 100.000 und Milliarden Sonnenmassen.

Eine dritte Kategorie, Schwarze Löcher mit mittlerer Masse mit etwa 100 bis über 10.000 Sonnenmassen, wurde lange Zeit vermutet und hatte lange nur eine Handvoll Kandidaten, die durch indirekte Evidenz identifiziert wurden, so NASA. Die NASA beschreibt eine Gravitationswellenerkennung von 2019, die unten behandelt wird, als das überzeugendste Beispiel dieser Klasse bis zum heutigen Tage.

Beweis, der nicht auf dem Sehen von Licht beruht

Da Schwarze Löcher kein Licht aussenden, bestätigen Wissenschaftler ihre Existenz indirekt. Die NASA weist auf mehrere Methoden hin: Erkennung von Röntgenstrahlen und Radiowellen von Materie, die in Extremtemperaturen in der Nähe des Ereignishorizonts erhitzt wird, Beobachtung von Teilchenstrahlen, die sich nahe der Lichtgeschwindigkeit bewegen und Radiowellen, Röntgenstrahlen und Gammastrahlen aussenden, und Erkennung von Gravitationswellen — Wellen in der Raumzeit, die 2015 zuerst gemessen wurden von einem Ereignis namens GW150914, als zwei Schwarze Löcher ineinander spiralten und verschmolzen, so NASA.

Die Gravitationswellenmethode führte später zur ersten bestätigten mittleren Schwarzen Loch. Die LIGO Scientific Collaboration und die Virgo Collaboration kündigten am 2. September 2020 an, dass sie ein Signal, genannt GW190521, aus einem Ereignis erkannt hatten, das am 21. Mai 2019 stattfand, so der offiziellen Erkennungsseite von LIGO. Zwei Schwarze Löcher mit Massen von etwa 85 und 66 Sonnenmassen verschmolzen zu einem einzigen Überrest von 142 Sonnenmassen — die erste klare Erkennung eines Schwarzen Lochs mittlerer Masse, so LIGO.

LIGO bemerkt auch, dass die Verschmelzung wissenschaftlich bemerkenswert ist, da die Vorgängermassen innerhalb der sogenannten Paarinstabilitäts-Massenlücke fallen, ein Bereich (ungefähr 65 bis 120 Sonnenmassen), in dem die Theorie des standardmäßigen Sternkollaps nicht vorhersagt, dass Schwarze Löcher sich direkt bilden sollten, was darauf hindeutet, dass die Objekte möglicherweise selbst aus früheren Verschmelzungen resultieren.

Den Schatten eines Schwarzen Lochs sehen

Über indirekte Erkennung hinaus haben Astronomen ein direktes Bild erstellt. Das Event Horizon Telescope, ein globales Netzwerk von Funkobservatorien, gab 2019 das erste Bild eines Schwarzen Lochs frei — das im Zentrum der Galaxie M87, geschätzt auf 6,5 Milliarden Sonnenmassen und etwa 55 Millionen Lichtjahre entfernt, so NASAs Schwarzes-Loch-Übersicht.

Das Bild zeigt einen hellen Ring aus glühendem Gas, das einen dunklen zentralen "Schatten" umgibt, die Silhouette des Ereignishorizonts des Schwarzen Lochs gegen das Licht der einfallenden Materie.

Was unsicher bleibt

Nach NASA bleibt der Ursprung supermassiver Schwarzer Löcher schlecht verstanden, obwohl Beweise zeigen, dass sie bereits in der sehr frühen Geschichte von Galaxien existierten.