In der Theorie
kennt man schwarze Löcher seit geraumer Zeit, sie wurden jedoch erst
in den letzten Jahren mit hoher Wahrscheinlichkeit nachgewiesen. Der Nachweis
von Objekten, ie unsichtbar sind, ist naturgemäß nicht einfach
und nur indirekt möglich. Man bedient sich dabei entweder der enormen
Schwerkraft, die schwarze Löcher auf umgebende Sterne und Gaswolken
ausüben, oder der Wechselwirkung mit Materie, die von benachbarten
Objekten in ein schwarzes Loch gesogen wird und dabei hochenergetische Strahlung
abgibt.
Schwarze Löcher sind Objekte, in denen eine riesige Masse auf ein derart
kleines Volumen komprimiert
wurde, dass wegen der ungeheuren Anziehungskraft
aus ihrer unmittelbaren Umgebung weder Materie noch Licht entweichen kann.
Der Außenrand dieses Gebiets wird Ereignishorizont
genannt, weil alles, was sich innerhalb dieser »Schale« ereignet,
für die Außenwelt unbeobachtbar bleibt. Damit sind schwarze Löcher
scheinbar nicht mehr Teil unseres Universums. Die Existenz dieser Objekte
folgt aus der allgemeinen Relativitätstheorie, die ALBERT
EINSTEIN (1879 -1955) 1915 beschrieben hatte. Im Frühjahr 1916,
kurz vor seinem Tod, erkannte der deutsche Astronom KARL
SCHWARZSCHILD (1873 -1916), dass EINSTEINs Gleichungen Lösungen
besaßen, welche die beschriebenen Eigenschaften eines schwarzen Lochs
besitzen. Der Ereignishorizont von nicht rotierenden schwarzen Löchern
wird zu seinen Ehren auch SCHWARZSCHILD-Radius genannt. SCHWARZSCHILDS Berechnungen
zu schwarzen Löchern setzten voraus, dass sich diese Objekte nicht
um ihre eigene Achse drehen und elektrisch neutral sind.
Entstehung schwarzer Löcher
Einen möglichen Weg zur Entstehung
von schwarzen Löchern in implodierenden Sternen zeigte der Physiker
JULIUS R. OPPENHEIMER
(1904-1967) 1939 auf. Dennoch blieben schwarze Löcher bis in die
späten 1960er Jahre Gebilde von allenfalls theoretischem Interesse,
da kein Weg zu ihrer Beobachtung vorstellbar schien. Auch der Name »black
hole« beziehungsweise schwarzes Loch wurde erst Ende der 1960er
Jahre geprägt. Die ersten im Röntgenlicht nachgewiesenen astronomischen
Objekte sowie der extreme Strahlungsausstoß sogenannter Quasare
(siehe gesondertes Stichwort) führten jedoch schließlich zu
einem Umdenken. Heutzutage kennt man mehrere schwarze Löcher unterschiedlicher
Größe, die sich anhand ihres Einflusses auf ihre kosmische
Umgebung bemerkbar machen.
Der britische Physiker STEPHEN
HAWKING (geb. 1942) zeigte in den 1980er Jahren, dass in der Umgebung
mancher schwarzen Löcher physikalische Effekte auftreten können,
die dazu führen, dass diese Objekte Strahlung nach außen abgeben
- etwas, was dem ursprünglichen Bild vom schwarzen Loch völlig
zu widersprechen scheint. Anhand dieser »HAWKING-Strahlung«
könnten solche schwarzen Löcher prinzipiell direkt nachgewiesen
werden. Sie verlieren durch die Strahlungsabgabe andauernd Masse, sodass
sich kleine Löcher dieser Art im Lauf der Zeit sogar auflösen
können. Weil sie durch ihre Strahlung sichtbar werden, bezeichnet
man sie auch als weiße Löcher.
Supermassereiche schwarze Löcher
Die größten und massereichsten schwarzen Löcher findet
man wohl in den Zentren von Sternsystemen wie dem Milchstraßensystem,
also in Galaxien. Ihre Massen liegen im Bereich von einer Million bis
einer Milliarde Sonnenmassen und damit schon in der Größenordnung
von kugelförmigen Sternhaufen oder kleinen Galaxien. Ihre Anwesenheit
rief besonders in der Frühzeit des Kosmos eine weitreichende Aktivität
in Galaxien hervor, die mit fortschreitendem Alter der Sternsysteme allmählich
abgeklungen ist.
Die Details solcher supermassereichen schwarzen Löcher sind nur durch
Modellrechnungen zugänglich, doch besonders mithilfe des hochauflösenden
HUBBLE-Weltraumteleskops konnten ihre Wirkungen auf die umliegende Materie
beobachtet werden. So wurde beispielsweise im Zentrum der Radiogalaxie
M87 ein schwarzes Loch von drei Milliarden Sonnenmassen nachgewiesen.
Durch seine Anziehungskraft bewegen sich das Gas und die Sterne in seiner
Umgebung mit hohen Geschwindigkeiten um es herum, die zum schwarzen Loch
hin noch stetig zunehmen.
Die unterschiedlichen Phänomene aktiver Galaxien erklärt man
durch unterschiedliche Gasmengen, die in das schwarze Loch einstürzen.
Bei Quasaren, die zumeist in jugendlichen Galaxien zu finden sind, steht
noch sehr viel Gas zur Verfügung, das sich in Form einer Scheibe,
der Akkretionsscheibe, ansammelt. Durch Stöße zwischen den
Atomen in der Scheibe wird die Bewegungsenergie aufgezehrt und zur Aufheizung
sowie Ionisierung des Gases verwendet, das heißt, das Gas wird teilweise
elektrisch geladen. Da die Anziehungskraft des schwarzen Lochs weiter
wirkt, bewegt sich Gas auf Spiralen in Richtung des schwarzen Lochs. Magnetfelder
im Innern des Gases werden dabei im Wesentlichen senkrecht zur Scheibenebene
ausgerichtet, sodass ein Teil der elektrisch geladenen Materie mit hoher
Geschwindigkeit entlang der Magnetfeldlinien abströmt. Sie bildet
die im Radiobereich und bisweilen auch im sichtbaren Licht beobachtbaren
Jets, strahlförmige Materieströme, die sich oft über Entfernungen
von einigen Hunderttausend Lichtjahren erstrecken.
Stellare schwarze Löcher
Schwarze Löcher, die aus Sternen entstanden sind, sollten nicht weniger
häufig auftreten als supermassereiche schwarze Löcher, sie sind
jedoch schwerer nachzuweisen. Der Theorie nach entstehen sie in einem
bestimmten Typ von Sternexplosionen, den Supernovae, in denen ein Stern
von mindestens acht Sonnenmassen völlig zerrissen wird. Die Explosion
wird ausgelöst, wenn die Kernfusion, die im Sterninnern (und in verschiedenen
um den Kern liegenden Schalen) Energie erzeugt, mangels Brennstoffs zum
Erliegen kommt.
Hört die Energieerzeugung auf, beginnt der Stern unter seiner eigenen
Anziehungskraft zusammenzubrechen. Im Innern des Sterns bildet sich dabei
eine Stoßwelle aus, die, während sie nach außen läuft,
die äußeren Bereiche des Sterns abreißt. Ein Teil der
Stoßwelle läuft nach innen und verleiht dadurch dem Kernkollaps
noch mehr Schwung. Bei masseärmeren Sternen wird der Kollaps durch
die Entstehung eines vollständig aus Neutronen bestehenden Sterns
gebremst, wobei Energie verbraucht wird. Wenn die Masse des Sterns größer
als acht Sonnenmassen ist, reicht dieser Energieverlust jedoch nicht aus,
um den Kollaps zu stoppen. Der entstehende Neutronenstern kollabiert weiter
und sein Radius unterschreitet schließlich den seiner Masse entsprechenden
Ereignishorizont, er wird zum schwarzen Loch.
Der Nachweis eines solchen stellaren schwarzen Lochs ist nur möglich,
wenn es einen anderen Stern umkreist, mit diesem also einen Doppelstern
bildet.
Stellare schwarze Löcher nachzuweisen ist sehr kompliziert, weil
es verschiedene Gruppen von Doppelsternen gibt, die nahezu identisch aufgebaut
sind. Auch in ihnen befindet sich ein kompaktes Objekt (ein Neutronenstern
oder ein weißer Zwerg, das Endstadium eines normalen Sterns), das
von einer Akkretionsscheibe umgeben ist. Aus ihr strömt die Materie
auf die Sternoberfläche und sendet dort Röntgenstrahlung aus.
Im Unterschied zu schwarzen Löchern haben Neutronensterne eine Massenobergrenze
von etwa drei Sonnenmassen. Das Problem beim Nachweis stellarer schwarzer
Löcher besteht also im sicheren Nachweis, dass das kollabierte Objekt
mehr als drei Sonnenmassen besitzt.
Primordiale schwarze Löcher
Alle Arten von Objekten können prinzipiell zu einem schwarzen Loch
werden, wenn sie nur genügend stark zusammengequetscht werden - die
Erde müsste beispielsweise auf eine Größe von etwa einem
Zentimeter gebracht werden. Im heutigen Universum ist dies nur noch selten
möglich, daher beschränken sich die meisten schwarzen Löcher
auf die beiden Massenbereiche »stellar« und »supermassereich«.
Kurz nach der Entstehung des Universums war dies anders: Die mittlere
Massendichte im Kosmos war vergleichbar oder größer als die
Dichte in (jetzigen) Atomkernen, und aus lokalen Dichteschwankungen konnten
sich winzige Massen zu sogenannten primordialen (urtümlichen) schwarzen
Löchern entwickeln.
Primordiale schwarze Löcher könnten das Universium auch heute
in großer Zahl bevölkern.