Wie Schwarze Löcher entstehen, was sie sind und was sie über das Universum verraten

Ein schwarzes Loch wird von der NASA als eine Raumregion definiert, in der die Gravitation so stark ist, dass nichts, einschließlich Licht, entweichen kann, sobald es eine Grenze passiert, die als Ereignishorizont bezeichnet wird. Da kein Licht entweicht, können schwarze Löcher selbst nicht direkt gesehen werden; ihre Existenz wird aus ihren Gravitationsauswirkungen auf benachbarte Materie abgeleitet und seit 2019 auch aus direkten Bildern des leuchtenden Materials um sie herum.

Wie entsteht ein schwarzes Loch?

Nach Angaben der NASA erzeugt ein Stern Energie durch Kernfusion in seinem Kern, und der Druck dieser Energie gleicht den Gravitationszug des eigenen Sterns aus. Wenn ein Stern mit mehr als 20 Mal der Sonnenmasse seinen nuklearen Brennstoff aufgebraucht hat, bricht dieses Gleichgewicht zusammen. Der Kern kollabiert unter seinem eigenen Gewicht und löst eine Supernovaexplosion aus, die die äußeren Schichten des Sterns wegbläst. Wenn der verbleibende Kern etwa drei Sonnenmassen übersteigt, gibt die NASA an, dass er weiterhin zu einem stellaren schwarzen Loch kollabiert.

Nicht jeder kollabierender Stern erzeugt ein schwarzes Loch. Ein Kern unter etwa drei Sonnenmassen wird nach NASA's Beschreibung der Sternentwicklung typischerweise stattdessen zu einem Neutronenstern. Sobald ein schwarzes Loch existiert, kann es sich weiter vergrößern, indem es Gas, Staub und sogar andere Sterne oder schwarze Löcher anzieht, die zu nahe kommen.

Die drei Haupttypen

Die NASA teilt schwarze Löcher nach Masse in drei breite Kategorien ein. Stellare schwarze Löcher mit einer Masse von etwa drei bis mehreren Dutzend Sonnenmassen sind in der Milchstraße verstreut und entstehen aus kollabierenden massiven Sternen. Mittelschwere schwarze Löcher mit etwa 100 bis mehr als 10.000 Sonnenmassen sind seltener und schwerer zu bestätigen; die NASA nennt eines der überzeugendsten Beispiele, das 2019 identifiziert wurde. Supermassive schwarze Löcher mit einer Masse von 100.000 bis Milliarden Sonnenmassen sitzen in den Zentren der meisten großen Galaxien, einschließlich der Milchstraße.

Das Unsichtbare sichtbar machen: direkte Bilder

Da Licht nicht aus einem schwarzen Loch entweichen kann, können Astronomen das Objekt selbst nicht fotografieren. Stattdessen bildet das Event Horizon Telescope (EHT) – ein globales Netzwerk von Radioteleskopen, das nach Angaben der US National Science Foundation (NSF) als ein erdgroßes Instrument fungiert – das leuchtende Gas ab, das um ein schwarzes Loch gerade außerhalb seines Ereignishorizonts wirbelt. Am 10. April 2019 veröffentlichte die EHT Collaboration das erste solche Bild des supermassiven schwarzen Lochs im Zentrum der Galaxie M87, das etwa 55 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt ist und nach der NSF-Zusammenfassung etwa 6,5 Milliarden Sonnenmassen misst.

Am 12. Mai 2022 veröffentlichte die EHT Collaboration ein zweites Bild, diesmal von Sagittarius A*, dem supermassiven schwarzen Loch im Zentrum unserer eigenen Milchstraße. Die NSF beschreibt es als den ersten direkten visuellen Beweis für dieses Objekt mit einer Masse, die die NSF auf etwa 4 Millionen Sonnenmassen beziffert. Eine Zusammenfassung der Ergebnisse auf cosmoquest.org setzt seine Masse ähnlich auf etwa vier Millionen Sonnenmassen fest und seine Entfernung auf etwa 27.000 Lichtjahre von der Erde. Beide Bilder zeigen die gleiche Signatur: einen dunklen zentralen Schatten, umgeben von hellem, gelinstem Licht von überhitztem umlaufendem Gas.

Wellen in der Raumzeit: Gravitationswellen

Eine separate Beweislinie kommt von Gravitationswellen – Wellen in der Raumzeit, die Albert Einstein 1915 in seiner allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagt hatte. Am 14. September 2015 registrierten die beiden Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) Detektoren in Hanford, Washington, und Livingston, Louisiana, ein Signal mit der Bezeichnung GW150914, wie in einer LIGO-Wissenschaftszusammenfassung angegeben. Das Signal stammte von der Verschmelzung zweier schwarzer Löcher mit Massen von etwa 36 und 29 Sonnenmassen, die sich zu einem einzelnen schwarzen Loch von etwa 62 Sonnenmassen vereinigten. Die fehlenden drei Sonnenmassen wurden nach Angaben des LIGO als Gravitationswellenenergie abgestrahlt, von einem Ereignis mehr als eine Milliarde Lichtjahre entfernt.

LIGO berichtet, dass die Erkennung eine statistische Signifikanz von mehr als fünf Sigma erreichte, was bedeutet, dass ein falscher Alarm dieser Stärke nur etwa einmal in etwa 200.000 Jahren vergleichbarer Daten erwartet würde. Die beobachtete Wellenform stimmte mit Vorhersagen der allgemeinen Relativitätstheorie überein und gab Physikern eine neue Möglichkeit, schwarze Löcher zu studieren, die nicht auf Licht angewiesen ist.

Was schwarze Löcher über das Universum enthüllen

NASAs Beschreibung der Schwarzloch-Anatomie identifiziert drei Schlüsselzonen: den Ereignishorizont, den Punkt ohne Rückkehr, wo die Fluchtgeschwindigkeit die Lichtgeschwindigkeit übersteigt; die Akkretionsscheibe, die spiralförmige Materie, deren Strahlung es Astronomen ermöglicht, ansonsten unsichtbare schwarze Löcher zu erkennen; und die Singularität im Kern, wo Materie auf extreme Dichte komprimiert ist und die aktuelle Physik, einschließlich der allgemeinen Relativitätstheorie, zusammenbrechen soll. Die NASA bemerkt dies, wo Quanteneffekte als wichtig erachtet werden, was bedeutet, dass schwarze Löcher die Grenze markieren, wo Relativität und Quantenmechanik sich schließlich treffen müssen.

Da sie Licht beugen, Zeit verzerren und die Struktur von Galaxien verankern, funktionieren schwarze Löcher als natürliche Laboratorien. Beobachtungen von direkter Abbildung und von Gravitationswellendektoren geben Wissenschaftlern zwei unabhängige Wege, um zu testen, ob sich Gravitation so verhält, wie Einsteins Theorie unter den extremsten bekannten Bedingungen im Universum vorhersagt.