Schwarze Löcher

Professor STEPHEN HAWKING

Was ist ein schwarzes Loch?

Ein schwarzes Loch ist ein Gebiet, in dem die Schwerkraft so stark ist, dass jedes Licht, das zu entkommen versucht, wieder hineingezogen wird. Weil nichts schneller als das Licht reisen kann, wird alles andere ebenfalls hineingezogen. Wenn du also in ein schwarzes Loch fällst, kommst du nie wieder heraus. Ein schwarzes Loch hat man sich immer als das endgültige Gefängnis ohne Entkommen vorgestellt. Hineinzufallen ist, wie den Niagarafall hinunterzufallen: Du kommst nicht auf dem gleichen Weg wieder heraus, auf dem du hineingekommen bist.

Der Rand eines schwarzen Lochs heißt »Ereignishorizont«. Er ist wie die Kante des Wasserfalls. Vor der Kante kannst du noch entkommen, wenn du schnell genug paddelst, aber wenn du die Kante erreichst, dann bist du verloren.

Je mehr Dinge in ein schwarzes Loch fallen, desto größer wird es, und desto weiter dehnt sich der Horizont nach außen aus. Das ist wie beim Füttern eines Schweins: Je mehr man es füttert, desto größer wird es.

Wie entsteht ein schwarzes Loch?

amit ein schwarzes Loch entsteht, muss eine sehr große Menge an Materie in einen sehr kleinen Raum zusammengedrückt werden. Dann ist die Anziehungskraft der Gravitation so stark, dass auch das Licht wieder hineingezogen wird und nicht entkommen kann.

Wissenschaftler denken, dass eine Möglichkeit für die Entstehung eines schwarzen Lochs darin besteht, dass Sterne ihren Brennstoff verbraucht haben und dann wie eine enorme Wasserstoffbombe explodieren. Eine solche Explosion heißt Supernova. Die Explosion stößt die äußersten Schichten des Sterns als Gas in einer riesigen, expandierenden Kugelschale ab, während der zentrale Bereich des Sterns nach innen geschoben wird. Wenn der Stern groß genug ist (mindestens dreimal so groß wie die Sonne), dann entsteht ein schwarzes Loch.

Viel größere schwarze Löcher entstehen in Sternhaufen und im Zentrum von Galaxien. Diese Regionen enthalten schwarze Löcher und Neutronensterne neben gewöhnlichen Sternen. Zusammenstöße mit anderen Objekten führen zur Bildung eines ständig wachsenden schwarzen Lochs, das alles schluckt, das ihm zu nahe kommt. Im Zentrum unserer Galaxie, der Milchstraße, liegt ein schwarzes Loch, das mehrere Millionen Mal so schwer wie die Sonne ist.

Neutronensterne

Wenn ein massereicher Stern seinen Brennstoff aufgebraucht hat, stößt er gewöhnlich seine äußeren Schichten in einer enormen Explosion ab, die man Supernova nennt. Eine solche Explosion ist so energiereich und hell, dass sie heller als das Licht von Milliarden und Abermilliarden Sternen strahlt.

Aber manchmal wird bei einer solchen Explosion nicht alles ausgestoßen. Manchmal bleibt der Kern des Sterns als Kugel übrig. Nach der Supernovaexplosion ist dieser Überrest sehr heiß (etwa 100000 °C), doch es finden keine Kernreaktionen mehr statt, die diese Hitze erhalten.

Einige Überreste sind so massereich, dass sie durch ihre eigene Schwerkraft in sich zusammenfallen, bis sie nur noch ein paar Dutzend Kilometer groß sind. Damit das geschieht, muss ein Supernovaüberrest etwa die 1,4-fache bis 2,1-fache Masse der Sonne haben.

Der Druck ist in diesen Kugeln so enorm, dass sie im Inneren flüssig werden, umgeben von einer etwa 1,6 Kilometer dicken festen Kruste. Die Flüssigkeit besteht aus Teilchen, die normalerweise im Inneren von Atomen gebunden sind, den Neutronen; daher nennt man diese Kugeln Neutronensterne.

Es gibt auch andere Teilchen in Neutronensternen, aber sie bestehen wirklich vor allem aus Neutronen. Eine solche Flüssigkeit auf der Erde herzustellen, liegt weit jenseits unserer heutigen Technik.

Viele Neutronensterne wurden von modernen Teleskopen beobachtet. Da die Kerne von Sternen aus den schwersten Elementen bestehen, die bei der Fusion im Sterninneren gebildet werden (wie Eisen), sind sie extrem schwer (etwa die Masse der Sonne).

Überreste von Sternen, die mehr als die 2,1-fache Sonnenmasse haben, hören nie auf, in sich zusammenzufallen, und werden zu schwarzen Löchern.

Sonnenähnliche Sterne

Sterne wie unsere Sonne explodieren nicht als Supernovae, sondern werden zu Roten Riesen, deren Überreste nicht massereich genug sind, um unter ihrer eigenen Schwerkraft völlig zu kollabieren. Einige der äußeren Schichten werden in den Weltraum abgestoßen. Der innere Kern kühlt ab und schrumpft. Diesen inneren Überrest nennt man Weißen

Zwerg.

Sternüberreste, die weniger als 1,4-mal so schwer wie die Sonne sind, werden zu Weißen Zwergen, wobei Weiße Zwerge sehr klein sein können (Größe etwa wie die Erde).

Weiße Zwerge kühlen über einen Zeitraum von Milliarden Jahren ab, bis sie nicht mehr heiß sind.

Wie kannst du ein schwarzes Loch sehen?

Bis vor Kurzem hätte die Antwort gelautet, dass du das gar nicht kannst! Kein Licht kann aus einem schwarzen Loch entweichen. Es war, als würde man in einem dunklen Keller nach einer schwarzen Katze suchen. Wissenschaftler wiesen schwarze Löcher durch die Art nach, wie ihre Materie andere Dinge anzog. Sie sahen, dass Sterne um etwas für sie Unsichtbares kreisten, das nur ein schwarzes Loch sein konnte. Sie sahen auch Scheiben aus Gas und Staub, die um ein zentrales Objekt rotieren, das sie nicht sehen konnten, das aber ein schwarzes Loch sein musste.

Das erste Bild

Dann lieferte im April 2019 das Event-Horizon-Teleskop (»Ereignishorizontteleskop«) das erste Bild eines schwarzen Lochs! Zu dem Team des Teleskops gehörte die 29 Jahre alte Katherine Bouman, die einen der Schlüsselalgorithmen schrieb, der zum ersten Foto eines schwarzen Lochs führte. Das damit abgebildete supermassive schwarze

Loch liegt im Zentrum der Riesengalaxie Messier 87. Es sieht wie ein leuchtender, verschwommener Ringkrapfen vor einem dunklen Hintergrund aus.

Das Event-Horizon-Teleskop

Das Event-Horizon-Teleskop ist kein einzelnes Instrument. Es ist ein Verbund von Radioteleskopen, die über die ganze Erde verstreut sind. Mehrere Länder schlossen sich zusammen und starteten das Unternehmen im Jahr 2009. Heute sind 20 Länder beteiligt und immer mehr treten bei. Im Verbund haben diese Radioteleskope eine Öffnung, die so groß ist wie der Durchmesser der ganzen Erde.

In ein schwarzes Loch fallen

Du kannst in ein schwarzes Loch fallen, ebenso wie du in die Sonne fallen kannst. Wenn du mit den Füßen zuerst fällst, sind die Füße näher am schwarzen Loch als dein Kopf und werden von seiner Schwerkraft stärker angezogen. Daher wirst du in die Länge gezogen, aber seitlich eingequetscht. Dieses Ziehen und Quetschen ist umso stärker, je kleiner das schwarze Loch ist. Wenn du in ein schwarzes Loch fällst, das aus einem Stern entstanden ist, der nur ein paarmal so groß wie die Sonne war, dann wirst du auseinandergerissen und zu Spaghetti, bevor du das schwarze Loch überhaupt erreichst. Aber wenn du in ein viel größeres schwarzes Loch fällst, dann passierst du den Ereignishorizont - den Rand des schwarzen Lochs, ab dem die Rückkehr unmöglich ist -, ohne etwas zu bemerken. Doch jemand, der dich aus einer großen Entfernung beim Fallen beobachtet, wird dich niemals den Ereignishorizont passieren sehen, weil die Schwerkraft die Zeit und den Raum nahe des schwarzen Lochs krümmt. Für den Beobachter scheint es, als ob du in der Nähe des Horizonts immer langsamer fällst und immer dunkler wirst. Du wirst dunkler, weil das Licht von dir immer länger braucht, um vom schwarzen Loch wegzukommen. Wenn du den Ereignishorizont um n Uhr auf deiner Armbanduhr passierst, würde ein Beobachter deine Uhr immer langsamer gehen sehen, ohne dass sie je n Uhr erreicht.

Aus einem schwarzen Loch entkommen

Man dachte, dass aus einem schwarzen Loch nichts mehr entkommen kann. Schließlich heißen sie deshalb schwarze Löcher! Alles, was in ein schwarzes Loch fiel, galt als für immer verloren, und schwarze Löcher sollten bis ans Ende aller Zeiten bestehen bleiben. Sie waren ewige Gefängnisse ohne Hoffnung auf Entkommen.

Aber dann entdeckte man, dass dieses Bild nicht ganz stimmt. Winzige Fluktuationen in Raum und Zeit bedeuten, dass schwarze Löcher nicht die perfekten Fallen sein können, für die man sie gehalten hatte, vielmehr entweichen aus ihnen langsam Teilchen in Form von Hawking-Strahlung. Die Rate des Entweichens ist umso langsamer, je größer das schwarze Loch ist.

Durch die Hawking-Strahlung verdampfen schwarze Löcher langsam. Die Verdampfungsrate ist am Anfang sehr langsam, wird jedoch immer schneller, wenn das schwarze Loch kleiner wird. Schließlich wird es nach Milliarden und Abermilliarden Jahren verschwinden. Schwarze Löcher sind also gar keine ewigen Gefängnisse. Aber was ist mit ihren

Gefangenen - den Dingen, die das schwarze Loch erzeugten oder die später hineingefallen sind? Sie werden zu Energie und Teilchen recycelt. Wenn du das, was aus dem schwarzen Loch herauskommt, genau untersuchst, kannst du rekonstruieren, was darin war. Die Erinnerung an das, was in das schwarze Loch gefallen ist, ist also nicht für immer verloren, nur für eine sehr lange Zeit.

Du kannst aus dem schwarzen Loch herauskommen!

 
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