Die Idee und der Nachweis Schwarzer Löcher: Sagittarius A*

Die faszinierende Entdeckung und Erforschung der Schwarzen Löcher, die bis in die Anfänge des 20. Jahrhunderts zurückreicht, bildet einen Meilenstein in der Astronomie und Astrophysik.

Dieser Artikel wirft einen Blick auf die Geschichte dieser Entdeckungen, insbesondere auf die Arbeit von Karl Schwarzschild und die jüngsten Durchbrüche im Verständnis des Schwarzen Lochs Sagittarius A* im Herzen unserer Milchstraße.

Karl Schwarzschild: Der Wegbereiter

Bereits 1916 konzeptionierte Karl Schwarzschild die Idee der schwarzen Löcher im Rahmen seiner seiner Veröffentlichung „Über das Gravitationsfeld eines Massenpunktes nach der Einsteinschen Theorie“. 

Die Arbeit, welche nur wenige Wochen nach der Veröffentlichung von Albert Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie erschien, stellte eine bahnbrechende Lösung der Einsteinschen Feldgleichungen dar.

Schwarzschild, der seinerzeit als Astrophysiker am Observatorium in Potsdam wirkte, leistete mit dieser Forschung einen entscheidenden Beitrag zur Astrophysik. 

Seine Lösungen ermöglichten ein tieferes Verständnis der gravitativen Effekte, die extrem dichte Massen, wie sie in Schwarzen Löchern vorliegen, auf die Raumzeit ausüben.

Der Schwarzschild-Radius und der Ereignishorizont

Karl Schwarzschild erkannte das Phänomen, dass unter extremen Gravitationskräften selbst Licht nicht entkommen kann, ein Konzept, das später als „Schwarzes Loch“ bezeichnet wurde. In seinem bahnbrechenden Artikel „Über das Gravitationsfeld einer Kugel aus inkompressibler Flüssigkeit nach der Einsteinschen Theorie“ berechnete er die Bedingungen, unter denen ein massives Objekt zu einem solchen Kollaps neigt.

Die kritische Grenze, ab der ein Objekt zu einem Schwarzen Loch wird, ist heute als Schwarzschild-Radius bekannt. Würde die Erde auf etwa 9 Millimeter – ungefähr die Größe einer Kirsche – komprimiert, erreichte sie diesen Radius. Dies verdeutlicht die extreme Dichte, die ein Schwarzes Loch charakterisiert.

Interessanterweise führte Schwarzschild seine revolutionären Berechnungen während seines Militärdienstes im Ersten Weltkrieg aus. Trotz der Herausforderungen und einer schweren Erkrankung, die er sich während seines Einsatzes zuzog, trug seine Arbeit wesentlich zum Verständnis von Schwarzen Löchern bei. 

Karl Schwarzschild verstarb im Mai 1916, nur kurze Zeit nach der Veröffentlichung seiner Erkenntnisse, an den Folgen dieser Krankheit.

Schwarzschild hatte errechnet:

Der Schwarzschild-Radius, ist der durch r_s=2GM/c² definierte Gravitationsradius einer kugelsymmetrischen Masse M. Ein Schwarzes Loch ist dadurch charakterisiert, dass der Radius R der Massenverteilung den Schwarzschild-Radius unterschreitet, d.h. R ist kleiner als r_s.

Bei schwarzen Löchern entspricht der Schwarzschild-Radius r_s dem Radius des „Ereignishorizonts“ eines Schwarzen Lochs. Würde man die Sonne auf die Masse M=M komprimieren, ergäbe sich ein Schwarzschild-Radius von etwa 3 km. Diese Größe lässt sich auch durch eine Analogie zur klassischen Newtonschen Gravitationstheorie herleiten.

Schwarze Löcher sind im Wesentlichen Regionen im All, deren Gravitationskraft so überwältigend ist, dass nichts – nicht einmal Licht – entkommen kann. Daher erscheinen sie optisch schwarz und sind visuell nicht nachweisbar.

Diese astronomischen Phänomene sind nicht nur durch ihre extremen Massen bei geringen Volumina charakterisiert, sondern auch durch ihre signifikante Wirkung auf die umgebende Materie. 

Sie verzerren die Struktur der Raumzeit und führen dazu, dass nahe Materie stark erhitzt wird, was zu spektakulären astronomischen Beobachtungen führt.

Die Entdeckung von Sagittarius A*

Seit mehr als 50 Jahren bestand die Hypothese, dass alle Galaxien in ihren Zentren ein gigantisches massereiches Schwarzes Loch beherbergen. Messungen mit immer besserer Empfindlichkeit und Auflösung haben es erlaubt, diese Hypothese im Zentrum unserer Milchstraße experimentell zu bestätigen.

In einem Experiment wurden die 48m-Teleskope der Europäischen Südsternwarte ESO in Chile zu einem „Superteleskop“ optisch zusammengeschaltet, um damit die Gültigkeit der Allgemeinen Relativitätstheorie an diesem Schwarzen Loch im Galaktischen Zentrum zu testen.

Dabei war es der deutsche Astrophysiker Reinhard Genzel (*24.03.1952), Direktor am Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik in Garching bei München und Honorarprofessor an der Ludwig-Maximilians-Universität München, der maßgeblich an der Entwicklung der Infrarot- und Submillimeter-Astronomie beteiligt war.

So gelang ihm mit seinem Team zunächst am La-Silla-Observatorium (ab 1992) und dann am Very Large Telescope über langjährige Beobachtungen der Bahnen von Sternen nahe dem Zentrum der Milchstraße der Nachweis, dass sich im Zentrum unserer Heimatgalaxie, der Milchstraße, das supermassereiche Schwarze Loch „Sagittarius A*“ von etwa 4,3 Mio. Sonnenmassen befindet.

Unabhängig von Reinhard Genzel gelang auch der US-amerikanischen Astronomin Andrea Ghez am Keck-Observatorium dieser Nachweis. Für ihre Erkenntnisse zum „dunkelsten Geheimnis unserer Milchstraße“ erhielt Reinhard Genzel gemeinsam mit Andrea Ghez eine Hälfte des Nobelpreises für Physik 2020.

Roger Penrose: Mathematische Fundierung

Die andere Hälfte ging an den britischen Mathematiker und Physiker Roger Penrose, der die Existenz Schwarzer Löcher mathematisch bewiesen hatte.

Bei seiner nobelpreiswürdigen Arbeit war er ohne High-Tech ausgekommen und hatte stattdessen geniale mathematische Methoden erfunden, um Albert Einsteins allgemeine Relativitätstheorie zu erforschen.

1965, zehn Jahre nach dem Tod von Albert Einstein, hat er mithilfe seiner neuen mathematischen Konzepte gezeigt, dass aus Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie unmittelbar folgt, dass Schwarze Löcher im Universum entstehen müssen, und dass die Bildung von Schwarzen Löchern eine robuste Vorhersage der Allgemeinen Relativitätstheorie ist.

Er hat gezeigt, dass diese Theorie zur Bildung von Schwarzen Löchern führt, jenen Monstern in Zeit und Raum, die alles erfassen, was ihnen nahekommt. Die Existenz dieser Schwerkraftmonster, in denen Raum und Zeit zusammenbrechen, hatte selbst Einstein nicht für möglich gehalten.

Dunkle Materie und Gravitationswellen

Ob die Dunkle Materie tatsächlich aus schwarzen Löchern besteht, wird sich wahrscheinlich mithilfe der noch jungen Disziplin der Gravitationswellenforschung klären lassen.

Jetzt, wo es keine Zweifel mehr gibt, dass sich Gravitationswellen mit irdischen Detektoren nachweisen lassen, kann man Schwarze Löcher und deren Fusionen direkt erforschen. In einigen Jahren wird man dann voraussichtlich wissen, wie häufig solche kosmischen Ereignisse sind und wie hoch demnach die Dichte von schwarzen Löchern im Universum ist.

Die Gravitation eines Schwarzen Lochs ist derart stark, dass selbst Licht nicht mehr entweichen kann – dadurch lassen sich diese Objekte niemals direkt beobachten. Durch indirekte Methoden ist ihre Existenz allerdings zweifelsfrei belegt. Durch ihre starke Gravitation krümmen Schwarze Löcher den Raum um sich herum. Daher verlaufen Lichtstrahlen in ihrer Umgebung nicht mehr geradlinig, sondern werden gebogen.

Die Allgemeine Relativitätstheorie von Albert Einstein hatte solche Raumkrümmungen vorhergesagt und Astronomen konnten diese inzwischen vielfach durch Himmelsbeobachtungen bestätigen. Je größer die Anziehungskraft eines Objekts, desto größer auch der Ablenkeffekt – bis die Lichtstrahlen bei einem Schwarzen Loch auf eine Kreisbahn gezwungen werden und dieses nicht mehr verlassen können.

Die gesamte Masse eines Schwarzen Lochs konzentriert sich in einem einzigen Punkt mit unendlich hoher Dichte und unendlich starkem Gravitationsfeld, einer sog. Singularität.

Dennoch lässt sich diesen Objekten eine Größe zuordnen, dafür verwenden Astronomen den Ereignishorizont. Ein Ereignishorizont ist in der allgemeinen Relativitätstheorie eine Grenzfläche in der Raumzeit, für die gilt, dass Ereignisse jenseits dieser Grenzfläche prinzipiell nicht sichtbar für Beobachter sind, die sich diesseits der Grenzfläche befinden.

Jenseits dieser Grenze kann weder Licht noch Materie dem Schwarzen Loch entkommen.

Mit „Ereignissen“ sind Punkte in der Raumzeit gemeint, die durch Ort und Zeit festgelegt sind. Der Ereignishorizont bildet eine Grenze für Informationen und kausale Zusammenhänge, die sich aus der Struktur der Raumzeit und den Gesetzen der Physik, insbesondere in Bezug auf die Lichtgeschwindigkeit, ergeben. Bei statischen Schwarzen Löchern ist der Ereignishorizont eine Kugeloberfläche, deren Radius Schwarzschild-Radius genannt wird.

Dunkle Materie und Schwarze Löcher können keine normale Materie sein, die wir nur nicht sehen, weil sie nicht leuchtet.

Die Dunkle Materie ist uralt und überall im Kosmos vorhanden – auch in unserem Sonnensystem. Zwar gibt es im All Billionen dunkler Objekte – Schwarze Löcher, Zwergsterne, kalte Gaswolken – aber ihre Masse reicht bei Weitem nicht für die beobachteten Effekte aus.

Innerhalb eines schwarzen Loches brechen unsere üblichen Vorstellungen von Raum und Zeit zusammen. Wie bereits beschrieben, gelangte Albert Einstein (*14.03.1879; †18.04.1955) aber im Rahmen seiner „Allgemeinen Relativitätstheorie“ zu dem Ergebnis, dass sich Zeit in Raum und Raum in Zeit verwandelt.

Stephen Hawking und die Hawking-Strahlung

Der am 14.03.2018 verstorbene Stephen Hawking hat 1974 dargestellt, dass Schwarze Löcher in der Quantenfeldtheorie im Laufe der Zeit (je nach der Masse des schwarzen Lochs mehr oder weniger schnell) Materie nach außen abgeben können, langsam verdampfen und sich am Ende vollständig auflösen bzw. zerstrahlen.

Der Teilchenstrom, der von Schwarzen Löchern ins Universum abgegeben wird, wird ihm zu Ehren „Hawking-Strahlung“ genannt. Ob Hawking mit seinen Theorien zur Entstehung Schwarzer Löcher recht hatte, wird sich wohl eines Tages mithilfe von künftigen Gravitationswellendetektoren überprüfen lassen.

Zudem werden im All stationierte Detektoren in der Lage sein, das Echo des Urknalls zu vermessen, woraus sich die Natur der kosmischen Inflation wird ableiten lassen.

Stephen Hawking wäre wohl auch als Kandidat für den Physik-Nobelpreis 2020 in Betracht gekommen. Schließlich hat auch er wichtige theoretische Beiträge zur Theorie von Schwarzen Löchern geleistet. Demnach sollen Schwarze Löcher langfristig auch wieder „verdampfen“ und dabei die nach ihm benannte Hawking-Strahlung aussenden.

Die Vorhersagen von Roger Penrose waren aber wohl deutlich fundamentaler als die von Hawking, zumal sich Hawkings Aussagen nicht experimentell überprüfen lassen.

Schlussgedanken

Die Erforschung Schwarzer Löcher bleibt ein spannendes und dynamisches Feld in der Astronomie.

Mit fortschreitender Technologie und tieferem Verständnis erwarten uns in Zukunft sicherlich noch weitere aufschlussreiche Entdeckungen.