Ein schwarzes Loch ist ein Raumbereich, in dem die Gravitation so stark ist, dass nichts – nicht einmal Licht – entweichen kann, sobald es den Ereignishorizont überschreitet. Astronomen können schwarze Löcher nicht direkt sehen, daher schließen sie auf ihre Existenz aus Auswirkungen auf nahe gelegene Materie, Licht und Raumzeit – durch Akkretionsscheiben, umkreisende Sterne und Wellen, die Gravitationswellen genannt werden. Zwei Meilenstein-Beobachtungen – die LIGO-Gravitationswellenerkennung 2015 und das Bild des Event Horizon Telescope von M87 2019 – führten das Konzept von der Theorie zu direktem Beweis.
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Schwarze Löcher entstehen auf mehrere Arten, und Astronomen sortieren sie in Größenklassen basierend auf der Masse statt auf einer einzigen Entstehungsgeschichte.
Wie entstehen schwarze Löcher
Die am besten verstandene Route ist der Sterntod. Nach dem NASA-Projekt Imagine the Universe entsteht ein schwarzes Loch mit Sternmasse, wenn ein massiver Stern seinen Kernbrennstoff aufbraucht und sein Kern unter seiner eigenen Gravitation zusammenbricht – ein Prozess, der eine Supernova-Explosion begleiten kann. Der NASA zufolge haben diese schwarzen Löcher mit Sternmasse typischerweise Massen von etwa 5- bis 20-fach der Sonne und sind überall in Galaxien verstreut, wo massive Sterne gelebt und gestorben haben.
Am anderen Ende der Skala befinden sich supermassive schwarze Löcher, die im Zentrum fast jeder großen Galaxie zu finden sind, mit Massen zwischen Millionen und Milliarden mal der Sonnenmasse, laut NASA. Wie diese Giganten genau entstehen und wachsen, wird von der NASA als aktives Forschungsgebiet beschrieben, obwohl Beobachtungen eine Korrelation zwischen der Größe des zentralen schwarzen Lochs einer Galaxie und der Größe der Galaxie selbst zeigen.
Die NASA beschreibt auch eine vorgeschlagene Zwischenklasse mit Massen zwischen der stellaren und supermassiven Spanne. Die Behörde vermerkt, dass Astronomen erst kürzlich begonnen haben, mögliche Hinweise auf schwarze Löcher mittlerer Masse zu finden, nachdem viele frühere Kandidatenobjekte durch andere physikalische Prozesse erklärt wurden.
Wie Astronomen etwas erkennen, das kein Licht ausstrahlt
Ein schwarzes Loch selbst kann nicht gesehen werden, da es kein eigenes Licht ausstrahlt. Die NASA-Seite Imagine the Universe erklärt, dass Astronomen stattdessen auf indirekte Erkennung angewiesen sind: Sie suchen nach Verhalten in nahe gelegenen Objekten, das nur durch die Präsenz einer sehr großen, dichten, unsichtbaren Masse erklärt werden kann. Das umfasst Material, das hineingezogen und zu einer leuchtenden Akkretionsscheibe erhitzt wird, oder Sterne, die sichtbar um einen Punkt kreisen, an dem kein Stern zu sehen ist.
Eine Möglichkeit, diese indirekte Evidenz abzubilden, ist Radiointerferometrie. Das Event Horizon Telescope (EHT) verbindet Radioobservatorien auf der ganzen Welt mit einer Technik namens Langzeitbasislinien-Interferometrie (VLBI), die, wie die Physik-Outreach-Seite Einstein-Online erklärt, gleichzeitige Beobachtungen mehrerer Teleskope in Daten kombiniert, die einem einzelnen Teleskop der Größe der Erde entsprechen. Das schwarze Loch erscheint nicht direkt; was das EHT aufzeichnet, ist Radioemission von heißem, wirbelndem Gas in der Akkretionsscheibe, mit einem dunklen zentralen Bereich – dem Schatten des schwarzen Lochs – der entsteht, wo sich das Licht unter extremer Gravitation um das Objekt biegt.
Das erste Bild: M87
Am 10. April 2019 veröffentlichte die EHT-Zusammenarbeit das erste auf diese Weise erzeugte Bild, das das supermassive schwarze Loch im Zentrum der Galaxie M87 zeigt, das sich etwa 55 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt befindet, laut MIT News, das über die Veröffentlichung berichtete. MIT News berichtete, dass die Masse des Objekts etwa 6,5 Milliarden mal die der Sonne beträgt, wobei der abgebildete Ereignishorizont knapp 40 Milliarden Kilometer durchmisst. Die Beobachtungskampagne kombinierte acht bodengestützte Radioobservatorien und bezog mehr als 200 Forscher weltweit ein.
Schwarze Löcher hören: Gravitationswellen
Eine separate Erkennungsmethode nutzt überhaupt kein Licht. Am 14. September 2015 um 5:51 Uhr EDT machte das Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) die erste direkte Entdeckung von Gravitationswellen – Wellen in der Raumzeit, vorhergesagt durch Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie – laut MIT News. Das Signal stammte von zwei schwarzen Löchern, jeweils etwa 30-mal so massiv wie die Sonne, die sich etwa 1,3 Milliarden Lichtjahre entfernt verschmolzen. Die Kollision wandelte Energie, die etwa drei Sonnenmassen entspricht, in Gravitationswellen um, laut MIT-Bericht, und strahlte kurzzeitig mehr Leistung aus als das gesamte Licht im sichtbaren Universum. LIGOs Twin-4-Kilometer-Laser-Detektoren in Louisiana und Washington State maßen eine Veränderung der Armlänge von weniger als ein Zehntausendstel des Durchmessers eines Protons, um das Signal zu registrieren.
LIGO wurde seitdem vom Virgo-Detektor in Italien und KAGRA in Japan begleitet, um die LIGO-Virgo-KAGRA-Zusammenarbeit (LVK) zu bilden, die Caltech berichtet ungefähr 300 schwarze-Loch-Verschmelzungen seit 2015 aufgezeichnet hat, einschließlich mehr als 200 nur während ihrer vierten Beobachtungsphase. Im November 2023 beobachtete die Zusammenarbeit die Verschmelzung der bislang massivsten schwarzen Löcher, die durch Gravitationswellen aufgezeichnet wurden, ein Ereignis mit der Bezeichnung GW231123, das Objekte von etwa 100 und 140 Sonnenmassen betraf, die sich zu einem schwarzen Loch von etwa 225 Sonnenmassen verschmolzen, berichtete Caltech.
Wichtigste Fakten auf einen Blick
Schwarze-Loch-Klassen und ihre Erkennung
Klasse / Ereignis
Masse (Sonnenmassen)
Erkennungsmethode
Schwarzes Loch mit Sternmasse
~5–20
Indirekt: Effekte auf umkreisende Materie/Sterne (NASA)
Mittelmasse (vorgeschlagen)
Nicht präzise von der NASA definiert; wenige bestätigte Kandidaten
Indirekt, begrenzte bestätigte Kandidaten (NASA)
Supermassives schwarzes Loch
Millionen bis Milliarden
Indirekt; direkt abgebildet nur für M87* und Sagittarius A* (NASA/EHT)
Schwarze Löcher dieser Masse sind durch Standard-Modelle der Sternenentwicklung verboten.
— Mark Hannam, Cardiff University, zitiert von Caltech zur GW231123-Verschmelzung
Zusammen bieten die beiden Methoden – die Abbildung des leuchtenden Materials um ein schwarzes Loch mit Radiointerferometrie und das Abhören des Gravitationswellen-Zirps von zwei schwarzen Löchern, die sich spiralförmig zusammen bewegen – Astronomen unabhängige, sich ergänzende Wege, um zu bestätigen, dass ein Objekt ein schwarzes Loch ist und um seine Masse zu messen, obwohl das schwarze Loch selbst nie etwas ausstrahlt, das direkt sichtbar ist.
Fragen
Können wir ein schwarzes Loch jemals wirklich sehen?
Nein – ein schwarzes Loch selbst strahlt kein Licht aus. Was Teleskope wie das Event Horizon Telescope aufzeichnen, ist Radioemission von heißem Gas, das um es wirbelt (die Akkretionsscheibe), mit einem dunklen Schatten, wo das schwarze Loch Licht blockiert und biegt, laut Einstein-Online und NASA.
Wie entstehen schwarze Löcher?
Schwarze Löcher mit Sternmasse entstehen, wenn ein massiver Stern seinen Brennstoff aufbraucht und sein Kern zusammenbricht, manchmal in einer Supernova, laut NASA. Wie supermassive schwarze Löcher in Galaxienzentren entstehen, ist noch ein aktives Forschungsgebiet, so die NASA.
Was war das erste direkte Bild eines schwarzen Lochs?
Am 10. April 2019 veröffentlichte die Event Horizon Telescope-Zusammenarbeit ein Bild des supermassiven schwarzen Lochs in der Galaxie M87, etwa 55 Millionen Lichtjahre entfernt, das aus Funkdaten erstellt wurde, die von acht Observatorien gesammelt wurden, wie MIT News berichtete.
Was sind Gravitationswellen und wie beziehen sie sich auf schwarze Löcher?
Gravitationswellen sind Wellen in der Raumzeit, vorhergesagt durch Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie; LIGO machte die erste direkte Entdeckung am 14. September 2015 von zwei verschmelzenden schwarzen Löchern von etwa je 30 Sonnenmassen, die sich etwa 1,3 Milliarden Lichtjahre entfernt befanden, laut MIT News.
Wie massiv können schwarze Löcher werden?
Schwarze Löcher mit Sternmasse sind typischerweise 5–20 mal so massiv wie die Sonne (NASA), während supermassive schwarze Löcher zwischen Millionen und Milliarden Sonnenmassen reichen; das 2019 abgebildete schwarze Loch in M87 hat eine Masse von etwa 6,5 Milliarden Sonnen, laut MIT News.
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Sterne entstehen, wenn die Gravitation kalte Wolken aus Gas und Staub zusammenpresst, bis ein Kern etwa 10 Millionen Kelvin erreicht, heiß genug, um Wasserstofffusion zu zünden. Von dort an bestimmt die Masse eines Sterns alles Weitere: wie lange er leuchtet, wie er stirbt und ob er einen weißen Zwerg, einen Neutronenstern oder ein schwarzes Loch hinterlässt.
Raketen bewegen sich, indem sie Abgase in eine Richtung ausstoßen, so dass das Fahrzeug in die andere Richtung gedrückt wird, gemäß Newtons drittem Bewegungsgesetz. Der Schub hängt davon ab, wie viel Abgasmasse pro Sekunde ausströmt und wie schnell sie die Düse verlässt, während das Verbleiben in der Umlaufbahn davon abhängt, dass die Vorwärtsgeschwindigkeit gegen die Anziehungskraft der Schwerkraft ausgeglichen wird. Mehrstufige Konstruktionen und für einige Missionen auch elektrische Antriebe werden verwendet, um die enorme Menge an Treibstoff zu bewältigen, die der Raumflug erfordert.
Das Astronautentraining ist ein mehrjähriger Prozess, der mit einer Auswahlüberprüfung für Ausbildung, Erfahrung und körperliche Fitness beginnt und dann jahrelang Bodentraining vor jedem Flug durchläuft. Nach Angaben der NASA und der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) lernen die Kandidaten Raumfahrzeugsysteme und üben Außeneinsätze unter Wasser, und ESA-Kandidaten studieren auch Russisch, während das Leben an Bord der Internationalen Raumstation (ISS) nach einem festen Tagesablauf mit Arbeit, Bewegung und Schlaf läuft.
Ein schwarzes Loch ist eine Raumregion, in der die Gravitation so stark ist, dass nichts, nicht einmal Licht, entweichen kann, sobald es den Ereignishorizont überschreitet. Die meisten entstehen, wenn ein massiver Stern seinen nuklearen Brennstoff aufgebraucht hat und sein Kern zusammenbricht; supermassive Versionen wachsen über Milliarden von Jahren in den Zentren von Galaxien. Direkte Abbildungen und Detektion von Gravitationswellen haben ihre Existenz bestätigt und Einsteins allgemeine Relativitätstheorie getestet.
