Schwarze Löcher

Das Schwarze Loch ist als dunkler Kreis dargestellt, umgeben von einer leuchtenden Materiescheibe.

NASA/JPL-Caltech

Ihr Name ist Programm: Die Gravitation von Schwarzen Löchern ist derart stark, dass alles wie in ein gewaltiges Loch hineinfällt. Doch weder Materie noch Licht kann jemals wieder aus diesen Objekten entkommen – sie sind daher schwarz.

Startet eine Rakete von einem Himmelskörper aus ins Weltall, so muss sie dessen Anziehungs- oder Gravitationskraft überwinden. Dazu ist eine bestimmte Mindestgeschwindigkeit nötig. Je massereicher ein Himmelskörper, desto größer ist seine Gravitationskraft und umso höher auch die Entweich- oder Fluchtgeschwindigkeit. Um von der Erdoberfläche abzuheben, benötigt ein Raumfahrzeug daher beispielsweise deutlich mehr Schub als bei einem Start vom Mond: Während die Fluchtgeschwindigkeit der Erde etwa 670 Kilometer pro Stunde beträgt, sind es beim Mond nur knapp 140 Kilometer pro Stunde.

Die Fluchtgeschwindigkeit lässt sich für beliebige Himmelskörper berechnen – für die Sonne ebenso wie für rein hypothetische Objekte mit einer extrem hohen Masse. Theoretisch kann die Fluchtgeschwindigkeit sogar größer sein als die Lichtgeschwindigkeit. Praktisch allerdings nicht. Denn gemäß der Relativitätstheorie von Albert Einstein stellt die Lichtgeschwindigkeit die höchstmögliche Geschwindigkeit im Kosmos dar. Und das bedeutet: Liegt die Fluchtgeschwindigkeit eines Objekts über diesem Limit, kann nichts mehr von seiner Oberfläche entkommen, nicht einmal Licht. Einen solchen Himmelskörper bezeichnet man daher als Schwarzes Loch. Denn es kann zwar etwas hineinfallen, aber weder Materie noch Licht gelangen jemals wieder heraus.

Wie Schwarze Löcher den Raum und die Zeit in ihrer Nähe beeinflussen, lässt sich mithilfe der Allgemeinen Relativitätstheorie beschreiben. Es zeigt sich, dass solche Objekte von einem „Ereignishorizont“ umgeben sind: Ereignisse die innerhalb dieser das Schwarze Loch einhüllenden Grenzfläche stattfinden, sind für Beobachter außerhalb der Grenzfläche nicht sichtbar.

Das Schwarze Loch ist in dieser Grafik als schwarzer Halbkreis dargestellt, umgeben von einer hell leuchtenden Scheibe. Aus der Mitte schießt ein Strahl nach rechts oben heraus.

Schwarzes Loch mit Akkretionsscheibe

Gibt es solche seltsamen Objekte wirklich oder handelt es sich um rein theoretische Spekulationen? Da sich Schwarze Löcher nicht direkt beobachten lassen – schließlich senden sie kein Licht aus und reflektieren es auch nicht –, war die Antwort auf diese Frage jahrzehntelang umstritten. Doch inzwischen sind sich Astrophysiker sicher, dass es diese extremen Himmelsobjekte tatsächlich gibt. Denn auch wenn ein Schwarzes Loch selbst unsichtbar ist, seine starke Gravitation kann eindeutige Spuren im Umfeld hinterlassen.

Einen entscheidenden Hinweis liefern Akkretionsscheiben: Materie, die von außen auf ein Schwarzes Loch einströmt, sammelt sich zunächst in einer rotierenden Scheibe. Dort heizt sich die Materie durch innere Reibung stark auf und beginnt zu leuchten. Durch die Analyse der ausgesendeten Strahlung können Astronomen mehr über die Eigenschaften des zentralen Objekts erfahren, etwa über dessen Masse. Nach heutigen Erkenntnissen gibt es drei unterschiedliche Typen von Schwarzen Löchern:

 

  • Stellare Schwarze Löcher entstehen aus Sternen: Haben massereiche Sterne ihren nuklearen Brennstoff verbraucht, explodieren sie als Supernova. Dabei kann der Kernbereich zusammenstürzen und – ausreichend Restmasse vorausgesetzt – zu einem Schwarzen Loch kollabieren. Auch durch die Kollision von zwei Neutronensternen können sich stellare Schwarze Löcher bilden.

    Einer der besten Kandidaten für ein stellares Schwarzes Loch in der Milchstraße ist V404 Cygni. In diesem 7800 Lichtjahre entfernten Doppelsystem strömen stetig Gas und Staub von einem Stern zu einem Schwarzen Loch mit etwa der neunfachen Sonnenmasse. Die entrissene Materie sammelt sich in einer Akkretionsscheibe und flackert immer wieder verräterisch im sichtbaren Spektrum und im Röntgenbereich auf.

    Die stärksten Beweise für die Existenz stellarer Schwarzer Löcher liefern inzwischen jedoch Gravitationswellen: Die Detektoren LIGO und VIRGO haben zahlreiche Ereignisse registriert, die sich nur durch die Kollision und Verschmelzung von Schwarzen Löchern mit einigen Dutzend Sonnenmassen erklären lassen.


  • Supermassereiche Schwarze Löcher mit der millionen- oder gar milliardenfachen Masse unserer Sonne befinden sich vermutlich in den Zentren nahezu aller Galaxien. Auch im Zentrum der Milchstraße gibt es ein Schwarzes Loch mit etwa vier Millionen Sonnenmassen. In diesem Fall lässt sich die Masse anhand der Bewegung von Sternen in der Nähe des Schwarzen Lochs sehr genau bestimmen. 

    Die Akkretionsscheiben supermassereicher Schwarzer Löcher können heller leuchten als ihre gesamte Heimatgalaxie. Astrophysiker sprechen dann von „aktiven“ Galaxien. Wie supermassereiche Schwarze Löcher entstanden sind, ist bislang nicht klar. Sie müssen sich jedoch im jungen Kosmos überraschend schnell – innerhalb weniger Hundert Millionen Jahre – gebildet haben. Vielleicht entstanden die Schwergewichte unter den Schwarzen Löchern bereits unmittelbar nach dem Urknall und wuchsen dann rasch an.

    Eine andere These besagt, dass sich im jungen Kosmos zunächst extrem massereiche Sterne formten. Sie vereinten Zehntausende von Sonnenmassen in sich und besaßen dadurch eine vergleichsweise kurze Lebensdauer. Als diese Sterne schließlich in sich zusammenstürzten, gingen aus ihnen Schwarze Löcher mit Tausenden von Sonnenmassen hervor – und bildeten den Ausgangspunkt für die heute beobachteten supermassereichen Exemplare.


  • Schwarze Löcher mittlerer Masse liegen bezüglich ihrer Masse zwischen den stellaren und den supermassereichen Schwarzen Löchern: Sie bringen es also auf mehrere Hundert und sogar einige Tausend Sonnenmassen. Entstehen könnten diese Objekte beispielsweise in dichten Sternhaufen, wo mehrere Sterne miteinander verschmelzen. Zwar gibt es eine Reihe von Kandidaten für mittelschwere Schwarze Löcher, etwa im Zentrum des Kugelsternhaufens Omega Centauri. Doch bislang steht der definitive Beweis für die Existenz dieses Typs noch aus.

Quelle: https://www.weltderphysik.de/gebiet/universum/schwarze-loecher/

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