Schwarze Löcher zählen zu den bemerkenswertesten Objekten im Universum. Als theoretisches Konstrukt existieren sie schon etwa vier Jahrzehnte lang. Nun gibt es dank NASA, Suzaku (einem japanischen Satelliten) und der "broad iron K line" erstmals Präzissionsmessungen an Schwarzen Löchern, die bestimmte Aspekte der Allgemeinen Relativitätstheorie bestätigen oder wiederlegen werden.
Schwarze Löcher entstehen zum Beispiel am Ende des Lebens grosser Sterne durch Gravitationskollaps.
Wenn der Stern keinen Wasserstoff mehr hat, den er zu Helium verbrennen kann, so bleiben als dominante Kräfte die Gravitation (die den Stern zum kollabieren bringt) und die Quantenelektrodynamik, die dem Kollaps entgegenwirkt, indem sie verhindert, dass die Elektronen in der Atomhülle einander zu Nahe kommen (der wesentliche Effekt der hier zum Tragen kommt ist das Pauli-Verbot, dass zwei Fermionen verbietet denselben quantenmechanischen Zustand einzunehmen; da Elektronen Fermionen sind unterliegen sie diesem Verbot). Ist der Gravitationsdruck stärker, so lösen sich die Atome auf, und es entstehen durch inversen beta-Zerfall aus den Elektronen und den Protonen der Atomkerne Neutronen. Da Neutronen viel weniger Platz beanspruchen als die Elektronen der Atomhülle, entsteht somit ein wesentlich kompakteres Objekt, ein Neutronenstern. Was aber hindert den Neutronenstern am Gravitationskollaps? Neutronen sind ebenfalls Fermionen, also unterliegen auch sie dem Pauli-Verbot. Trotzdem ist es aber möglich, dass der ursprüngliche Stern so massiv war, dass sogar der Neutronenstern weiterkollabiert. Dabei entstehen so hohe Energien, dass die Neutronen irgendwann in ein Quark-Gluon-Plasma übergehen, dass noch viel weniger Chancen hat als Neutronen dem Gravitationskollaps entgegenzuwirken. Nach derzeitigem Stand des Wissens gibt es dann nichts mehr, was einen kompletten Kollaps verhindert - es entsteht ein Schwarzes Loch.
Was ist nun eigentlich ein Schwarzes Loch?
Es gibt eine präzise mathematische Definition, die hier aber nicht erklärt wird. Zum Glück gibt es eine einfachere und verständlichere Version, die der präzisen recht nahe kommt: Jedes Objekt (Staubkorn, Planet, Stern, Schwarzes Loch etc.) hat seine eigene Fluchtgeschwindigkeit. Damit ist die minimale Geschwindigkeit gemeint die man haben muss, um von dem Objekt wegzufliegen. Diese Geschwindigkeit ist bei kleinen Objekten wie Staubkörnern vernachlässigbar klein, aber bereits bei der Erde ist sie von grosser Bedeutung für die Raumfahrt - eine Rakete kann niemals die Erde verlassen, wenn sie nicht irgendwann die Fluchtgeschwindigkeit erreicht. Bei Sternen ist die Fluchtgeschwindigkeit noch grösser. Und bei Schwarzen Löchern ist die Fluchtgeschwindigkeit zumindest so gross wie die Lichtgeschwindigkeit. Da sich nichts schneller bewegen kann als Licht, kann also nichts einem Schwarzen Loch entkommen (daher der Name).
Wenn man Schwarze Löcher nicht sehen kann, warum glaubt man dann, dass es sie gibt?
Als theoretischer Physiker ist man hier vielleicht geneigt zu antworten: weil sie als Ergebnis von Rechnungen im Rahmen der Allgemeinen Relativitätstheorie herauskommen. Doch es gibt handfestere Hinweise. Obwohl man Schwarze Löcher nicht "sehen" kann, kann man doch ihre Effekte auf andere Materie (benachbarte Sterne, Gas, Licht) messen und sehen. Tatsächlich ist diese Vorgangsweise nichts Neues: einige der Planten in unserem Sonnensystem wurden zuerst indirekt "gesehen" (indem man bemerkte, dass die Bewegung der sichtbaren Planten nicht ganz mit den Rechnungen übereinstimmte), bevor man sie tatsächlich sah. Ähnlich kann man bei Schwarzen Löchern vorgehen. Man ist natürlich darauf angewiesen, dass in der Umgebung des Schwarzen Loches eine geeignete Form von Materie ist, die man beobachten kann. Bei grossen Schwarzen Löchern ist dass meistens der Fall, da es gewaltige Materieströme in das Schwarze Loch gibt. Ein Grossteil der einfallenden Materie liegt in der sogenannten Akkretionsscheibe, einer Ebene die normal zur Drehachse des Schwarzen Loches steht.
Welche Arten von Schwarzen Löchern gibt es nun eigentlich?
Neben stellaren Schwarzen Löchern gibt es möglicherweise kleinere Schwarze Löcher, die für die Kosmologie von immenser Bedeutung wären, mikroskopische Schwarze Löcher (gemäss sehr spekulativer Theorien könnten diese in etwa zwei Jahren am LHC in CERN erzeugt werden) und virtuelle Schwarze Löcher (als Zwischenzustände in Streuprozessen). Diese kleinen Schwarzen Löcher sind aber weder direkt noch indirekt beobachtet worden. Andererseits gibt es gigantische Schwarze Löcher, die Milliarden von Sonnenmassen schwer sind. Eines davon befindet sich im Zentrum unserer Milchstrasse.
Was ist nun das Neue an dem Satellitenexperiment? Der Satellit Suzaku misst Röntgenstrahlen. Röntgenstrahlen werden von Teilchen ausgestrahlt knapp bevor sie vom Schwarzen Loch verschluckt werden. Somit erhält man wesentliche Information über das Schwarze Loch. Unter anderem kann man den Winkel der Akkretionsscheibe des Schwarzen Loches (siehe oben) bestimmen.
Ein wesentlicher technischer Punkt ist die sogenannte "broad iron K line", eine bestimmte Linie im Spektrum des Lichts, das von der Materie emittiert wird bevor sie in das Schwarze Loch fällt.
Die Bedeutung Schwarzer Löcher hat sich im letzten halben Jahrhundert sehr geändert. Waren sie zunächst noch eher spekulative Vorhersagen der Allgemeinen Reltivitätstheorie, so haben sie nun denselben Status wie viele andere Objekte im Universum: man kann mit ihnen Präzissionsmessungen machen und dadurch mehr über unser Universum herausfinden. Insbesonders über die Allgemeine Relativitätstheorie.
Links (in engl.):
Press release
pre-print im arXiv
Weitersagen: