Schwarzes Loch

Ein Schwarzes Loch ist ein Bereich des Weltraums, in dem die Schwerkraft so stark ist, dass nichts, nicht einmal Licht, entkommen kann.

Die Grundstruktur eines Schwarzen Lochs besteht aus einer Singularität, die durch einen Ereignishorizont verdeckt wird. Innerhalb des Ereignishorizonts übersteigt die Fluchtgeschwindigkeit ( vesc ) die Lichtgeschwindigkeit ( c ) und ein Objekt ist für immer gefangen. Außerhalb des Ereignishorizonts ist vesc < c und das Objekt kann entkommen.

Die Existenz solcher Objekte wurde bereits Ende des 17. Es war jedoch Karl Schwarzschild (1873-1916), ein deutscher Astronom, der die moderne Idee eines Schwarzen Lochs im Wesentlichen entwickelte. Mit Hilfe von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie entdeckte Schwarzschild, dass zu einem Punkt komprimierte Materie (heute als Singularität bekannt) von einem kugelförmigen Bereich des Raums umschlossen wird, aus dem nichts entweichen kann. Die Grenze dieser Region wird als Ereignishorizont bezeichnet, ein Name, der bedeutet, dass es unmöglich ist, ein Ereignis zu beobachten, das innerhalb dieser Region stattfindet (da keine Informationen nach außen dringen können).

Für ein nicht rotierendes Schwarzes Loch ist der Radius des Ereignishorizonts als Schwarzschild-Radius bekannt und markiert den Punkt, an dem die Fluchtgeschwindigkeit aus dem Schwarzen Loch gleich der Lichtgeschwindigkeit ist. Theoretisch kann jede Masse ausreichend komprimiert werden, um ein Schwarzes Loch zu bilden. Die einzige Voraussetzung ist, dass die physikalische Größe kleiner ist als der Schwarzschild-Radius. Zum Beispiel würde unsere Sonne zu einem Schwarzen Loch werden, wenn ihre Masse in einer Kugel mit einem Durchmesser von etwa 2,5 km enthalten wäre.

Das Herz des Schwarzen Lochs – die Singularität – liegt weit innerhalb des Ereignishorizonts. Alles, was sich innerhalb des Ereignishorizonts befindet, wird unwiderruflich zu diesem Punkt gezogen, an dem die Krümmung der Raumzeit unendlich wird und die Gravitation unendlich stark ist. Ein interessantes Dilemma für Astrophysiker besteht darin, dass die physikalischen Bedingungen in der Nähe einer Singularität zu einem vollständigen Zusammenbruch der physikalischen Gesetze führen. In der allgemeinen Relativitätstheorie gibt es jedoch nichts, was die Existenz isolierter oder „nackter“ Singularitäten verhindert. Um zu verhindern, dass es tatsächlich zu einem solchen Zusammenbruch der Physik kommt, wurde die kosmische Zensurvermutung aufgestellt. Sie besagt, dass jede Singularität einen Ereignishorizont haben muss, der sie vor den Augen des Betrachters verbirgt – genau das, was wir bei schwarzen Löchern finden.

Schwarze Löcher sind vollständig durch nur drei Parameter charakterisiert: Masse, Rotation und Ladung. Man geht heute davon aus, dass es vier Haupttypen von Schwarzen Löchern gibt, wenn man sie nach ihrer Masse klassifiziert:

1. Ursprüngliche Schwarze Löcher haben eine Masse, die mit der der Erde vergleichbar oder geringer ist als diese. Diese rein hypothetischen Objekte könnten durch den Gravitationskollaps von Regionen mit hoher Dichte zur Zeit des Urknalls entstanden sein.
2. Stellare Schwarze Löcher haben Massen zwischen etwa 4 und 100 Sonnenmassen und entstehen durch den Kernkollaps eines massereichen Sterns am Ende seines Lebens.
3. Schwarze Löcher mittlerer Masse von 102 und 105 Sonnenmassen könnten ebenfalls existieren. Das erste gute IMBH ist die Röntgenquelle HLX-1, die in der Projektion in der Nähe des Zentrums der S0-Galaxie ESO 243-49 zu sehen ist.
4. Supermassive Schwarze Löcher wiegen zwischen 105 und 1010 Sonnenmassen und befinden sich in den Zentren der meisten großen Galaxien.

Alternativ können Schwarze Löcher auch anhand ihrer beiden anderen Eigenschaften – Rotation und Ladung – klassifiziert werden:

1. Das Schwarzschild-Schwarze Loch, auch bekannt als „statisches Schwarzes Loch“, rotiert nicht und hat keine elektrische Ladung. Es wird ausschließlich durch seine Masse charakterisiert.
2. Das Schwarze Loch nach Kerr ist ein realistischeres Szenario. Es handelt sich um ein rotierendes Schwarzes Loch ohne elektrische Ladung.
3. Geladene Schwarze Löcher gibt es in zwei Varianten. Ein geladenes, nicht rotierendes Schwarzes Loch wird als Reissner-Nordstrom-Schwarzes Loch bezeichnet, ein geladenes, rotierendes Schwarzes Loch als Kerr-Newman-Schwarzes Loch.

Nach der klassischen Allgemeinen Relativitätstheorie bleibt ein Schwarzes Loch, wenn es einmal entstanden ist, für immer bestehen, da ihm nichts entkommen kann. Betrachtet man jedoch auch die Quantenmechanik, so stellt sich heraus, dass alle Schwarzen Löcher irgendwann verdampfen, da sie langsam Hawking-Strahlung abgeben. Dies bedeutet, dass die Lebensdauer eines schwarzen Lochs von seiner Masse abhängt, wobei kleinere schwarze Löcher schneller verdampfen als größere. Ein schwarzes Loch von 1 Sonnenmasse braucht beispielsweise 1067 Jahre, um zu verdampfen (viel länger als das derzeitige Alter des Universums), während ein schwarzes Loch von nur 1011 kg innerhalb von 3 Milliarden Jahren verdampft.

Schwarze Löcher werden durch die Beobachtung hochenergetischer Phänomene und der Bewegungen von Objekten in der Nähe entdeckt. Diese Darstellung der Umlaufbewegung des Sterns S2 um das Zentrum der Milchstraße liefert starke Hinweise auf die Existenz eines supermassiven Schwarzen Lochs (~3 Millionen Sonnenmassen) im Zentrum unserer Galaxie.
Credit: ESO

Beobachtungsnachweise für Schwarze Löcher sind natürlich nicht einfach zu erbringen. Da Strahlung der extremen Anziehungskraft eines Schwarzen Lochs nicht entkommen kann, können wir sie nicht direkt nachweisen. Stattdessen schließen wir auf ihre Existenz, indem wir hochenergetische Phänomene wie Röntgenstrahlung und Jets sowie die Bewegungen von Objekten in der Nähe beobachten, die um die verborgene Masse kreisen. Erschwerend kommt hinzu, dass ähnliche Phänomene auch um weniger massereiche Neutronensterne und Pulsare beobachtet werden. Um ein Schwarzes Loch zu identifizieren, müssen die Astronomen daher eine Schätzung der Masse des Objekts und seiner Größe vornehmen. Ein Schwarzes Loch wird bestätigt, wenn kein anderes Objekt oder eine Gruppe von Objekten so massiv und kompakt sein kann.