Schwarze Löcher entstehen hauptsächlich, wenn der Kern eines massiven Sterns nach einer Supernova kollabiert, oder wenn die ersten Momente des Universums ultra-dichte Materietaschen hinterließen. NASA und ESA beschreiben vier Klassen — stellare, intermediäre, supermassive und primordiale — die hauptsächlich nach Masse definiert sind. Ihr definierendes Merkmal ist ein Ereignishorizont: eine Grenze, jenseits derer nicht einmal Licht entkommen kann.
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Ein schwarzes Loch ist ein Raumbereich, in dem die Gravitation so stark ist, dass nichts, nicht einmal Licht, entkommen kann, sobald es eine Grenze namens Ereignishorizont überschreitet, laut NASA. Diese einzige Eigenschaft — eine Einbahnstraße im Raum — ist das, was diese Objekte zu den extremsten bekannten Umgebungen der Physik macht, anstelle ihrer sichtbaren Größe.
Wie ein schwarzes Loch entsteht
Der am besten verstandene Weg ist der stellare Kollaps. Die NASA erklärt, dass Sterne mit mehr als etwa 20-mal der Sonnenmasse schließlich ihren Kernbrennstoff aufbrauchen; der Kern kollabiert dann nach innen, während die äußeren Schichten in einer Supernova-Explosion weggeblasen werden. Wenn der zerquetschte verbleibende Kern noch etwa drei Sonnenmassen oder mehr enthält, gibt die NASA an, dass keine bekannte Kraft verhindern kann, dass dieser Kern in ein schwarzes Loch kollabiert.
Die ESA beschreibt denselben Mechanismus: Sobald ein Sternkern oberhalb dieser Massenschwelle auf ein ausreichend kleines Volumen komprimiert wird, überwindet seine eigene Gravitation jede andere physikalische Kraft, und das Objekt schrumpft weiter, bis Licht es nicht mehr verlassen kann. Schwarze Löcher können danach wachsen, indem sie umgebendes Gas anziehen, ein Prozess namens Akkretion, laut NASA. Die ESA vermerkt, dass Akkretion allein Schwierigkeiten hat zu erklären, wie einige supermassive schwarze Löcher so früh in der Geschichte des Universums so groß wurden, was ein Grund ist, warum Wissenschaftler schwarze Löcher mit intermediärer Masse als mögliches Bindeglied untersuchen.
Eine separate, weniger geklärte Idee betrifft die frühesten Momente des Universums. Einige Theorien schlagen vor, dass primordiale schwarze Löcher direkt aus extremen Bedingungen kurz nach dem Urknall entstanden sein könnten, ohne einen Stern beteiligt. Die ESA sagt, dass ihre Euclid-Mission helfen könnte zu testen, ob solche Objekte existieren und ob sie einen Teil der dunklen Materie des Universums ausmachen könnten.
Vier Klassen, definiert nach Masse
Die NASA und ESA gruppieren schwarze Löcher in Kategorien, die hauptsächlich auf ihrer Masse basieren, da die Masse die Größe, die Gravitationsstärke und die Entstehungsroute bestimmt.
Schwarze-Loch-Klassen nach Masse (NASA, ESA)
Klasse
Typische Masse (Sonnenmassen)
Wie wird angenommen, dass sie entstehen
Stellare Masse
ungefähr 3 bis mehrere Dutzend
Kollaps des Kerns eines massiven Sterns nach einer Supernova
Intermediäre Masse
etwa 100 bis 10.000+
Vermutet in einigen Fällen, aber selten direkt bestätigt, laut NASA
Supermassiv
100.000 bis Milliarden
Ursprung nicht vollständig verstanden; wird angenommen, dass sie zusammen mit ihren Wirtsgalaxien wächst, laut NASA und ESA
Primordial (hypothetisch)
breiter, unbestätigter Bereich
Vermutet, um auf das frühe Universum zurückzudatieren; wird von der Euclid-Mission der ESA als möglicher Dunkle-Materie-Kandidat untersucht, laut ESA
Was macht sie extrem
Der Ereignishorizont ist das Merkmal, das schwarze Löcher unterscheidet. Die NASA beschreibt ihn als den Punkt, an dem die Fluchtgeschwindigkeit, die benötigt wird, um das Objekt zu verlassen, die Lichtgeschwindigkeit überschreitet, sodass nichts — einschließlich des Lichts selbst — nach außen zurückkehren kann. Weil kein Licht entweicht, geben schwarze Löcher selbst kein Licht ab; was Astronomen feststellen, ist das Glühen von Materie knapp außerhalb dieser Grenze.
Dieses Glühen kommt von der Akkretionsscheibe, Material, das von nahegelegenen Sternen oder Gaswolken gezogen wird und sich nach innen spiraliert und aufheizt, wenn es sich dem Ereignishorizont nähert, laut NASAs Beschreibung der Anatomie schwarzer Löcher. Um aktiv Materie aufnehmende supermassive schwarze Löcher erreicht diese Region — Corona genannt — Temperaturen von etwa einer Milliarde Grad und erzeugt hochenergetische Röntgenstrahlen, wobei sich Teilchen mit Geschwindigkeiten bewegen, die sich der Lichtgeschwindigkeit nähern.
Im Zentrum sagt die Allgemeine Relativitätstheorie eine Singularität voraus, einen Punkt, an dem Materie auf unendliche Dichte komprimiert wird, laut NASA. Sie wird als das endgültige Ziel für alles beschrieben, das über den Ereignishorizont fällt, obwohl Physiker beachten, dass dies der Ort ist, wo aktuelle Gravitationstheorien zusammenbrechen, anstatt eine vollständig getestete Beschreibung dessen zu geben, was tatsächlich dort passiert.
Ein schwarzes Loch direkt sehen
Da schwarze Löcher kein eigenes Licht abgeben, können Astronomen sie nicht direkt fotografieren — sie bilden den Schatten ab, den ein schwarzes Loch auf das leuchtende Gas um es wirft. Das Event Horizon Telescope (EHT), ein globales Netzwerk von Funkobservatorien, das durch eine Technik namens Very-Long-Baseline-Interferometrie verbunden ist, erzeugte das erste solche Bild des supermassiven schwarzen Lochs M87* im Jahr 2019 und von Sagittarius A*, dem eigenen zentralen schwarzen Loch der Milchstraße, im Jahr 2022, laut der Europäischen Südsternwarte (ESO), einem Partner in der EHT-Kollaboration.
Die ESO erklärt, dass Sagittarius A* eine Masse von etwa 4 Millionen Mal der Sonne hat und etwa 27.000 Lichtjahre von der Erde entfernt liegt, doch aus unserer Perspektive beschreibt die ESO es als nicht größer erscheinend als ein Donut, wenn er auf der Oberfläche des Mondes platziert würde. Die NASA berichtet separat, dass M87*, aufgenommen vom EHT im Jahr 2019, mehr als 6 Milliarden Sonnenmassen enthält, mit einem Ereignishorizont, den die NASA sagt sich weit über die Planeten unseres Sonnensystems hinaus erstrecken würde.
Der erste jemals direkte visuelle Nachweis des schwarzen Lochs im Zentrum der Milchstraße.
— Event Horizon Telescope Collaboration, via ESO
Die ESO beachtet, dass solche Bilder Wissenschaftlern ermöglichen, das Verhalten der Raumzeit an der Grenze eines schwarzen Lochs direkt zu untersuchen, eine Möglichkeit, die Allgemeine Relativitätstheorie unter den extremsten verfügbaren Gravitationsbedingungen zu testen.
Fragen
Welche Mindestmasse wird benötigt, damit ein schwarzes Loch aus einem Stern entsteht?
Laut NASA kann keine bekannte Kraft verhindern, dass ein kollabierender Sternkern, der mehr als etwa drei Mal die Sonnenmasse behält, in ein schwarzes Loch kollabiert.
Können wir ein schwarzes Loch wirklich sehen?
Nicht direkt, da kein Licht aus einem schwarzen Loch entweicht. Teleskope bilden stattdessen das leuchtende Gas und den dunklen Schatten darauf ab, wie das Event Horizon Telescope für M87* 2019 und Sagittarius A* 2022 tat, laut ESO.
Wie viele Arten von schwarzen Löchern gibt es?
Die NASA und ESA beschreiben vier Klassen basierend auf Masse: stellare Masse, intermediäre Masse, supermassiv und die hypothetischen primordinalen schwarzen Löcher, die auf das frühe Universum zurückdatiert werden sollen.
Wie massiv ist das schwarze Loch im Zentrum der Milchstraße?
Die ESO berichtet, dass Sagittarius A* eine Masse von etwa 4 Millionen Mal der Sonne hat und etwa 27.000 Lichtjahre von der Erde entfernt liegt.
Was ist im Zentrum eines schwarzen Lochs?
Die Allgemeine Relativitätstheorie sagt eine Singularität, einen Punkt unendlicher Dichte, voraus, laut NASA, obwohl dies der Ort ist, wo aktuelle physikalische Theorien nicht vollständig getestet sind.
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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.
Die Mondphasen ändern sich, weil Sonnenlicht verschiedene Teile seiner Oberfläche trifft, während er die Erde umkreist, nicht wegen des Schattens der Erde; ein vollständiger Zyklus von Phasen, genannt synodischer Monat, dauert durchschnittlich 29,5 Tage. Der gleiche Mond zieht auch an den Ozeanen der Erde mit ungleichmäßiger Gravitationskraft, was etwa alle 24 Stunden und 50 Minuten zwei Hochwasser und zwei Niedrigwasser erzeugt, wobei die Sonne diesen Zug zweimal im Monat verstärkt oder schwächt.
