Schwarze Löcher erklärt: Wie sie entstehen, funktionieren und endlich fotografiert wurden

Ein schwarzes Loch wird von der NASA als ein astronomisches Objekt definiert, das eine so starke Gravitationskraft hat, dass nichts, einschließlich Licht, daraus entweichen kann. Der Punkt ohne Wiederkehr um ein schwarzes Loch wird Ereignishorizont genannt: Innerhalb dieser Grenze übersteigt die zum Entkommen erforderliche Geschwindigkeit die Lichtgeschwindigkeit, so dass nichts, das es überschreitet, zurückkommen kann.

Wie ein schwarzes Loch entsteht

Die am besten verstandene Route ist der Sternenkollaps. Nach der NASA verbraucht ein Stern mit mehr als etwa 20 Mal der Sonnenmasse den Kernbrennstoff und kollabiert unter seiner eigenen Gravitation. Dieser Kollaps löst eine Supernovaexplosion aus, die die äußeren Schichten des Sterns wegbläst. Wenn die übrigen zerquetschten Kernreste immer noch etwa drei Sonnenmassen übersteigen, erklärt die NASA, dass keine bekannte Kraft den Kollaps stoppen kann, um nicht weiter in ein schwarzes Loch zu führen.

Nach seiner Bildung kann ein schwarzes Loch wachsen, indem es umgebendes Gas aufzieht, indem es Material von einem Begleitstern abstreift oder indem es mit einem anderen schwarzen Loch verschmilzt, wie die NASA auf ihrer Übersichtsseite zu schwarzen Löchern erläutert.

Supermassive schwarze Löcher, die in den Zentren von Galaxien zu finden sind und nach der NASA zwischen etwa 100.000 und Milliarden Sonnenmassen reichen, sind weniger gut verstanden. Die NASA stellt fest, dass ihr Ursprung noch eine offene Frage ist, da sie bereits in den frühesten Phasen der Galaxienbildung zu existieren scheinen.

Ereignishorizont, Singularität und die Teile eines schwarzen Lochs

Die Beschreibung der schwarzen-Loch-'Anatomie' der NASA listet mehrere unterschiedliche Zonen auf. Im Zentrum sitzt die Singularität, ein Punkt, an dem Materie zu dem, was die NASA als unendliche Dichte beschreibt, zerquetscht wird; Wissenschaftler sind nicht sicher, ob dies eine physikalische Struktur oder ein mathematisches Artefakt der Gleichungen ist. Sie wird vom Ereignishorizont umgeben, der Grenze ohne Flucht. Weiter außen kann Licht von einfallender Materie um das schwarze Loch mehrmals umkreisen, bevor es entweicht, und erzeugt dünne Ringe, die um den dunklen 'Schatten' des schwarzen Lochs in direkten Bildern sichtbar sind – ein Bereich, den die NASA Photonensphäre nennt.

Materie, die auf ein schwarzes Loch zufällt, bildet typischerweise eine heiße, leuchtende Akkretionsscheibe, bevor sie den Ereignishorizont überschreitet. In vielen Systemen wird stattdessen ein Teil dieses Materials in Teilchenstrahlen umgeleitet, die sich mit fast Lichtgeschwindigkeit bewegen; in supermassiven schwarzen Löchern können diese Strahlen sich über Hunderttausende von Lichtjahren erstrecken, sagt die NASA.

Beweise für schwarze Löcher: Penrose, Genzel und Ghez

Jahrzehntelang waren schwarze Löcher eine mathematische Konsequenz von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie, anstatt eine bestätigte physikalische Realität zu sein. Die Königlich-Schwedische Akademie der Wissenschaften verlieh die Hälfte des Nobelpreises für Physik 2020 an Roger Penrose, dessen 1965er Beweis – in der eigenen Mitteilung der Akademie beschrieben, berichtet von ScienceDaily – zeigte, dass die Bildung schwarzer Löcher eine robuste und unvermeidliche Vorhersage der allgemeinen Relativitätstheorie ist, sobald ein ausreichend massiver, kompakter Körper kollabiert, und dass ein solcher Kollaps notwendigerweise eine Singularität erzeugt.

Die andere Hälfte des Preises ging gemeinsam an Reinhard Genzel und Andrea Ghez, die separate Teams leiteten, die jahrzehntelang die Bahnen von Sternen im Zentrum der Milchstraße mit einigen der größten Teleskope der Welt verfolgten. Ihre Arbeit, auch in der Nobelankündigung zusammengefasst, die von ScienceDaily berichtet wurde, fand ein unsichtbares Objekt von etwa vier Millionen Sonnenmassen, das in einem Bereich konzentriert ist, der nicht größer als das Sonnensystem ist – ein starker Beweis für das supermassive schwarze Loch, das jetzt als Sagittarius A* bekannt ist.

Erkennung des Unmöglichen: Gravitationswellen und direkte Bilder

Am 14. September 2015 zeichneten die beiden Advanced-LIGO-Detektoren ein Signal auf, das als GW150914 bezeichnet wird, das der vorhergesagten Wellenform von zwei schwarzen Löchern entspricht, die zusammenspiralen und verschmelzen. Nach der eigenen Wissenschaftszusammenfassung der LIGO Scientific Collaboration hatten die zwei schwarzen Löcher Massen von etwa 36 und 29 Sonnenmassen, verschmolzen zu einem schwarzen Loch von etwa 62 Sonnenmassen, das mehr als eine Milliarde Lichtjahre entfernt war; etwa drei Sonnenmassen wurden in einem Bruchteil einer Sekunde in Gravitationswellenenergie umgewandelt. Die Erkennung trug eine statistische Signifikanz von mehr als 5 Sigma, was bedeutet, dass ein falscher Alarm dieser Stärke etwa einmal in 200.000 Jahren vergleichbarer Daten erwartet werden würde, wie LIGO berichtet.

Vier Jahre später veröffentlichte die Event-Horizon-Teleskop- (EHT) Zusammenarbeit das erste Bild des Schattens eines schwarzen Lochs, das von M87* aufgenommen wurde, dem supermassiven schwarzen Loch im Zentrum der Galaxie Messier 87. Wie das Jet Propulsion Laboratory der NASA erklärt, verbindet das EHT Radioteleskope auf der ganzen Welt mit sehr langer Basislinienterferometrie zu einem einzelnen virtuellen Instrument und erreicht eine Auflösung, die etwa 4.000 Mal schärfer ist als das Hubble-Weltraumteleskop. Die Beobachtungskampagne vom April 2017 hinter dem Bild, das 2019 veröffentlicht wurde, maß M87* auf etwa 6,5 Milliarden Sonnenmassen, etwa 53 Millionen Lichtjahre entfernt.

Am 12. Mai 2022 veröffentlichte die EHT-Zusammenarbeit ein zweites Wahrzeichen-Bild: Sagittarius A*, das zentrale schwarze Loch der Milchstraße. Wie von AAS Nova beschrieben, wurden die zugrunde liegenden Daten im April 2017 aufgezeichnet, was bedeutet, dass mehr als fünf Jahre zwischen der Beobachtung und der Veröffentlichung des Bildes vergingen. Sagittarius A* ist etwa vier Millionen Sonnenmassen und 27.000 Lichtjahre entfernt – was bedeutet, dass es am Himmel ungefähr die gleiche scheinbare Größe wie das viel massivere und weiter entfernte M87* hat, da M87* etwa 2.000 Mal weiter weg und etwa 1.500 Mal massiver ist. Die gemessenen Ring- und Schattengrößen beider schwarzen Löcher stimmten mit den Vorhersagen der allgemeinen Relativitätstheorie überein, nach AAS Nova, was Astronomen unabhängige Bestätigung von Einsteins Theorie über stark unterschiedliche schwarze-Loch-Massen gab.

Warum dies für die Physik wichtig ist

Jedes dieser Ergebnisse testet die allgemeine Relativitätstheorie in einem Regime, das Einstein nicht direkt beobachten konnte: Materie und Raumzeit unter extremer Gravitation. Das Gravitationswellensignal von GW150914 stimmte mit der von der allgemeinen Relativitätstheorie für einen Inspektions-, Verschmelzungs- und nachfolgenden 'Klingeln' des resultierenden schwarzen Lochs vorhergesagten Wellenform überein, nach der Analyse von LIGO. Die vom EHT gemessenen Ringdurchmesser für sowohl M87* als auch Sagittarius A* stimmten ebenso mit den Vorhersagen der allgemeinen Relativitätstheorie überein, nach AAS Nova, was Wissenschaftlern zwei unabhängige Bestätigungsmethoden – Gravitationswellen und direkte Abbildung – gab, die gegen das gleiche theoretische Rahmenwerk konvergieren.