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Event Horizon Telescope: Was der erste direkte Nachweis eines Schwarzen Lochs bedeutet

Mit dem Event Horizon Telescope ist historisches gelungen: Der erste direkte Nachweis eines Schwarzen Lochs. Eine Erklärung der Hintergründe.

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Die elliptische Riesengalaxie M87 hat etwa die 200fache Masse der Milchstraße, 100mal mehr sie begleitende Kugelsternhaufen als unsere Heimatgalaxie und enthält ein supermassereiches Schwarzes Loch mit rund 6,5 Milliarden Sonnenmassen, das einen gigantischen Jet ausstößt.

(Bild: NASA, ESA and the Hubble Heritage Team (STScI/AURA))

Inhaltsverzeichnis

Am Mittwoch war ein historischer Tag für die Astrophysik: Zum ersten Mal hat die Menschheit die Silhouette eines Schwarzen Lochs erblickt! Natürlich waren sich die Astrophysiker schon lange ziemlich sicher, dass es Schwarze Löcher geben müsse, aber Naturwissenschaften müssen sich stets mit der Wirklichkeit abgleichen, sie sind empirisch. Nur so kann zwischen verschiedenen Modellen das richtige ausgewählt werden. Es spiele keine Rolle, wie schön eine Theorie sei und wie klug ihr Erfinder, hat der große Physiker Richard Feynman einst angemerkt – wenn die Theorie nicht mit den Beobachtungen übereinstimmt, dann ist sie falsch.

Deswegen kann die am 10. April auf sechs parallelen Pressekonferenzen gezeigte Aufnahme eines schwarzen Lochs in ihrer Bedeutung gar nicht hoch genug eingeschätzt werden – vergleichbar mit dem ersten Nachweis der Allgemeinen Relativitätstheorie anhand der Ablenkung von Sternenlicht 1919 oder dem Nachweis von Gravitationswellen durch das Gravitationswellenteleskop LIGO im Jahr 2015.

Seit Newtons Gravitationsgesetz war schon bekannt, dass es einer bestimmten Geschwindigkeit bedarf, der Gravitation einer Masse antriebslos zu entkommen, der Fluchtgeschwindigkeit. Schon im Jahre 1783 hatte John Michell erkannt, dass die Fluchtgeschwindigkeit einer hinreichend großen Masse – Michell sprach von 500 Sonnendurchmessern bei gleicher Dichte wie derjenigen der Sonne, das wären 125 Millionen Sonnenmassen – die Lichtgeschwindigkeit überschreiten würde, so dass ein Lichtkorpuskel ihr nicht würde entkommen können. Ein dunkler Stern.

Das Schwarze Loch von M87

(Bild: 

EHT Collaboration)

Wenn eine Masse im Radius rS=2GM/c² (mit der Gravitationskonstanten G, der Masse M und der Lichtgeschwindigkeit c) eingeschlossen ist, dann erreicht die Fluchtgeschwindigkeit bei diesem Radius die Lichtgeschwindigkeit. rS heißt nach dem Physiker Karl Schwarzschild Schwarzschildradius. Seit Einsteins Relativitätstheorien wissen wir, dass die Lichtgeschwindigkeit nicht nur irgendeine Ausbreitungsgeschwindigkeit von Photonen ist, sondern eine ganz fundamentale Konstante der Raumzeit. Nichts kann sich schneller bewegen. Und deswegen entkommt nicht nur kein Licht Schwarzen Löchern, sondern gar nichts – sie sind ultimative Einbahnstraßen. Sie sind allerdings nicht notwendigerweise 500 Mal so groß wie die Sonne. Sie können viel dichter und kleiner sein. Oder auch viel größer.

Schwarze Löcher gibt es in 2 Geschmäckern: Da sind zunächst die stellaren, die aus dem Kernkollaps von Sternen mit mehr als rund 20 bis 25 Sonnenmassen entstehen. Ihr Schwarzschildradius beträgt etwa 3 Kilometer multipliziert mit ihrer Masse in Sonnenmassen. Da nur der Kern des Sterns kollabiert, liegen stellare Schwarze Löcher bei 3 bis 10 Sonnenmassen, also Schwarzschildradien von 10 bis 30 km. Gegen die viele Millionen Kilometer durchmessenden Vorläufersterne, die in ihrer Phase als Riesenstern sogar Milliarden Kilometer durchmessen können, sind sie Winzlinge.

Deswegen ist ihre Gravitation so enorm: Man hätte der gesamten Masse des ursprünglichen Sterns nirgends nahe genug kommen können, um so einer Gravitation ausgesetzt zu sein, weil selbst an seiner Oberfläche der größte Teil des Sterns hunderttausende Kilometer entfernt gewesen wäre und die Schwerkraft mit dem Quadrat der Entfernung abnimmt. Am Schwarzschildradius ist die gesamte Masse hingegen nur ein paar Kilometer entfernt, deswegen ist die Schwerkraft dort so gewaltig.

Teleskope des Event Horizon Telescopes (16 Bilder)

Das Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) der Europäischen Südsternwarte in Chile
(Bild: ESO/C. Malin)

Schwarze Löcher sind daher auch keine kosmischen Staubsauger: Wenn man ihnen so nahe kommt, dass ihre Schwerkraft größer als die ihres Vorläufersterns wird, dann befände man sich schon längst tief im Inneren eines Sterns mit der gleichen Masse und wäre längst tot. Auf größerem Abstand wie zu einem gewöhnlichen Stern gleicher Masse ist ihre Schwerkraft genau so groß wie bei einem solchen. Und nur jeder 10.000te Stern bringt genug Masse auf, um am Ende seines Lebens zum Schwarzen Loch zu werden. Man muss sich nicht sorgen, dass eines von ihnen bei uns zu Besuch kommen könnte.

Neben den stellaren Schwarzen Löchern finden wir in den Zentren fast aller Galaxien große Massekonzentrationen, die sich durch um sie herum rasende Sterne und Gas verraten, und die oft auch Quellen von Radio-, Licht- oder Röntgenstrahlung sind. Bei diesen handelt es sich um supermassereiche Schwarze Löcher. Diese bringen es auf Millionen bis zu Milliarden Sonnenmassen, und auf Schwarzschildradien von einigen Millionen bis Milliarden Kilometern. Ihre Größe korreliert anscheinend mit dem sie umgebenden Galaxienkern, so dass Galaxie und Schwarzes Loch sich in irgendeiner Weise beeinflusst zu haben scheinen.

Ihre Entstehung ist noch unklar. Die wahrscheinlichste Theorie besagt, dass bei der Entstehung der Galaxien so viel Gas in deren Zentrum floss, dass dort Schwarze Löcher ohne den Umweg über Sterne und Supernovae entstanden. Dafür spricht, dass sie sehr früh entstanden und in noch in der Entstehung begriffenen Galaxien als Quasare leuchten, in die noch große Mengen Gas hinein stürzen.

Sterne umkreisen die durch den Stern markierte Position des unsichtbaren supermassereichen Schwarzen Lochs Sagittarius A* im Zentrum der Milchstraße. Keck/UCLA + ESO/M. Kornmesser (Quelle: Keck/UCLA + ESO/M. Kornmesser)

Nicht die Schwarzen Löcher selbst, aber die von ihnen angezogene Materie leuchtet. Sie kann wegen der Impulserhaltung nicht einfach geradewegs hineinstürzen, sondern sammelt sich zunächst in einer um das Schwarze Loch kreisenden Akkretionsscheibe, in der sie sich durch Kollisionen und Verdichtung erhitzt und zum Plasma wird, das von Radio- bis Röntgenstrahlung in allen elektromagnetischen Frequenzen leuchtet. Diese Quasare sind tatsächlich die hellsten Objekte des Universums – bis zu hundertmal heller als die Galaxien, die sie umgeben, deswegen erschienen die zuerst entdeckten in Teleskopen punktförmig wie Sterne, ohne dass man ihre viel schwächer leuchtende Galaxien wahrnahm – quasistellare Radioquellen.

Im heutigen Universum gibt es keine Quasare mehr, es entstehen keine neuen Galaxien, aber es gibt aktive Galaxienkerne, in denen supermassereiche Schwarze Löcher noch aktiv Materie verschlucken. Eine nahe aktive Galaxie ist elliptische Riesengalaxie Messier 87 (M87), 55 Millionen Lichtjahre entfernt und das dominierende Objekt im benachbarten Virgo-Galaxienhaufen, an dessen Peripherie sich unsere lokale Gruppe aus Milchstraße, Andromeda-Galaxie und einer zweistelligen Anzahl von Zwerggalaxien befindet.

M87 enthält ein supermassereiches Schwarzes Loch von 6,5 Milliarden Sonnenmassen und mit einem Durchmesser von 39 Milliarden Kilometern – 260 Mal der Abstand Erde-Sonne oder gut viermal der Durchmesser der Neptunbahn. Das Schwarze Loch in M87 verschluckt pro Tag 90 Erdmassen und feuert einen 5000 Lichtjahre langen Jet ins All, ein Materiestrahl aus geladenen Teilchen der Akkretionsscheibe, die von deren Magnetfeldern auf fast Lichtgeschwindigkeit beschleunigt werden, ein Prozess der noch nicht vollständig verstanden ist.

Auch im Zentrum der Milchstraße verbirgt sich ein Schwarzes Loch, die Radioquelle Sagittarius A* im Schützen (lat. Sagittarius). Aus der Beobachtung von es umkreisenden Sternen wissen wir, dass es 4,1 Millionen Sonnenmassen aufbringt. Es hat zwar auch eine Akkretionsscheibe, welche die eigentliche Radioquelle Sgr A* bildet, die jedoch nur dünn gefüllt ist und daher ist sie derzeit friedlich und ohne Jet. Neuere Beobachtung deuteten darauf hin, dass die Achse der Akkretionsscheibe in etwa auf uns ausgerichtet sein könnte.