Schwarze Löcher erklärt: Wie sie entstehen, wie sie aussehen und der Beweis ihrer Existenz

Schwarze Löcher sind Raumregionen, in denen die Gravitation so stark ist, dass selbst Licht hinter einer bestimmten Grenze nicht entweichen kann. Diese Grenze wird Ereignishorizont genannt, und die NASA beschreibt sie als den Punkt, an dem die Fluchtgeschwindigkeit die Lichtgeschwindigkeit übersteigt.

Wie schwarze Löcher entstehen

Der häufigste Weg ist der Tod eines massiven Sterns. Nach Angaben der NASA kollabiert ein Stern mit mehr als 20 Sonnenmassen, der seinen Kernbrennstoff aufgebraucht hat, unter seinem eigenen Gewicht. Sobald ein kollabierender Kern etwa drei Sonnenmassen übersteigt, kann keine bekannte Kraft den Kollaps stoppen, und es entsteht ein schwarzes Loch.

Supermassive schwarze Löcher, die sich in den Zentren großer Galaxien befinden und zwischen 100.000 und Milliarden Sonnenmassen wiegen, sind schwerer nur durch Stellarkollaps zu erklären. Die NASA erklärt, dass der Ursprung supermassiver schwarzer Löcher schlecht verstanden ist, obwohl bekannt ist, dass sie seit den frühesten Tagen der Galaxiengeschichte existieren.

Schwarze Löcher wachsen auch nach ihrer Entstehung, indem sie umliegendes Gas und Staub durch einen Prozess namens Akkretion anziehen und sich mit anderen schwarzen Löchern verschmelzen.

Die Struktur eines schwarzen Lochs

Die NASA-Beschreibung der Anatomie schwarzer Löcher listet mehrere unterschiedliche Teile auf. Die Singularität ist der theoretische Punkt in der Mitte, wo nach der Allgemeinen Relativitätstheorie Materie zu unendlicher Dichte zerquetscht wird. Sie wird vom Ereignishorizont umgeben, dem Punkt ohne Wiederkehr.

Weiter außen bilden einfallende Gas und Staub eine Akkretionsscheibe, eine rotierende Struktur, die sich erwärmt, während sie sich nach innen spiralförmig bewegt, was sie zu einer der Hauptmethoden macht, wie Astronomen schwarze Löcher überhaupt erkennen. Nahe beim schwarzen Loch kann Licht mehrmals umkreisen, bevor es entweicht, und erzeugt so einen dünnen, verzerrten Ring, der als Photonensphäre bekannt ist. Einige schwarze Löcher erzeugen auch eine Milliarden-Grad-Korona von Teilchen über der Scheibe und Paare von Jets, die Materie mit nahezu Lichtgeschwindigkeit nach außen abfeuern, wobei Jets von supermassiven schwarzen Löchern sich über Hundertausende von Lichtjahren erstrecken, nach Angaben der NASA.

Arten von schwarzen Löchern

Astronomen ordnen schwarze Löcher nach ihrer Masse. Schwarze Löcher stellarer Masse reichen von etwa drei bis mehreren Dutzend Sonnenmassen und sind über Galaxien wie die Milchstraße verstreut. Supermassive schwarze Löcher verankern die Zentren großer Galaxien und wiegen zwischen 100.000 und Milliarden Sonnenmassen; das im Herzen der Galaxie Messier 87 wiegt nach Angaben der NASA mehr als 6 Milliarden Sonnenmassen. Schwarze Löcher intermediärer Masse im Bereich von 100 bis über 10.000 Sonnenmassen haben nur wenige bestätigte Beispiele; die NASA nennt das Verschmelzungsereignis von 2019 GW190521, das ein schwarzes Loch von 142 Sonnenmassen erzeugte, das überzeugendste Beispiel dieser Kategorie bis heute.

Wie Wissenschaftler bewiesen, dass schwarze Löcher real sind

Direkte Bilder eines schwarzen Lochs sind im normalen Sinne unmöglich, da kein Licht aus dem Inneren des Ereignishorizonts entweicht. Stattdessen suchen Forscher nach indirekten Effekten, und zwei Meilensteinsergebnisse im letzten Jahrzehnt verwandelten schwarze Löcher von einer theoretischen Vorhersage in eine beobachtete Realität.

Das erste kam am 14. September 2015, als die Twin-Advanced-LIGO-Detektoren in den USA ein Gravitationswellensignal aufgriffen, später GW150914 genannt, laut Bericht von Physics World über die Entdeckung. Das Signal kam von zwei schwarzen Löchern mit Massen von 36 und 29 Sonnenmassen, die sich in einem einzelnen rotierenden schwarzen Loch von 62 Sonnenmassen etwa 1,3 Milliarden Lichtjahre entfernt verschmolzen. Der Unterschied, entsprechend 3 Sonnenmassen, war als Gravitationswellen abgestrahlt worden. Die Detektion wurde auf eine statistische Signifikanz über 5,1 Sigma gemessen und bestätigte unter anderem, dass Gravitationswellen mit der Lichtgeschwindigkeit reisen, wie Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie vorhersagte.

Der zweite Meilenstein kam am 10. April 2019, als die Event Horizon Telescope-Kollaboration das erste Bild des Schattens eines schwarzen Lochs veröffentlichte, wie MIT News berichtete. Das Ziel war das supermassive schwarze Loch im Zentrum von M87, 55 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt, mit einer Masse von 6,5 Milliarden Sonnen und einem Ereignishorizont von etwa 40 Milliarden Kilometern Durchmesser. Acht bodengestützte Radioteleskope von Hawaii und Arizona bis Mexiko, Spanien, Chile und Antarktika arbeiteten zusammen als ein einziger virtueller Apparat, um das Bild zu erfassen, das einen hellen Ring aus leuchtenden Gasen um einen dunklen zentralen 'Schatten' zeigte.

Nach Angaben von MIT News trugen mehr als 200 Forscher aus 13 Partnerinstitutionen zum Ergebnis von 2019 bei, und der beobachtete Schatten entsprach den Vorhersagen der Allgemeinen Relativitätstheorie.

Gravitationseffekte im umgebenden Raum

In der Nähe eines schwarzen Lochs spiralt einfallende Materie in die Akkretionsscheibe, die die NASA als 'heiße, helle, schnell rotierende Scheibe' beschreibt – eine der Hauptmethoden, wie Astronomen schwarze Löcher erkennen, obwohl das schwarze Loch selbst kein Licht ausstrahlt. Dieselben Gravitationseffekte biegen den Weg des vorbeiziehenden Lichts, was den leuchtenden Ring in den EHT-Bildern statt eines einfachen dunklen Kreises erzeugt.

Häufig gestellte Fragen