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Schwarze Löcher: Die Singularität des vorigen Tages

Abb. 1: Darstellung des Schwarzen Lochs (Sagittarius A*) im Zentrum der Milchstraße. Sterne bewegen sich um im herum, Staubwolken werden vom Sag. A* verschlungen. Bild: ESO/MPE/Marc Schartmann

Schwarze Löcher sind Singularitäten der allgemeinen Relativitätstheorie. Sie sind durch einen Ereignishorizont von der Außenwelt abgeschirmt. Gut so, weil dahinter die Zeit womöglich sowohl in Richtung Zukunft aber auch in Richtung Vergangenheit ticken könnte

Lange bevor Chemiker und Physiker mit Röntgenstrahlen bzw. Rastertunnelmikroskopen einzelne Moleküle oder Atome abbilden konnten, haben sie die atomistische Theorie der Materie entwickelt. Dass alle Stoffe aus Atomen bestehen, war bis Anfang des zwanzigsten Jahrhunderts eine ziemlich einleuchtende Annahme: Alle Experimente deuteten in diese Richtung. So konnte z.B. Albert Einstein im Jahr 1905, sein annus mirabilis, die chaotische brownsche Bewegung von mikroskopischen Partikeln in Flüssigkeiten als Folge des zufälligen Abstoßens von unsichtbaren Atomen deuten. Das war allerdings eine indirekte Überprüfung der atomistischen Theorie.

Mit den Schwarzen Löchern im Weltraum verhält es sich ähnlich. Ein Schwarzes Loch ist ein Gravitationsriese, der alles unweigerlich verschlingt, d.h. sowohl Materie als auch Strahlung, so dass wir von außen nicht in sein Inneres hineinblicken können. Photonen, die die Ereignishorizontbarriere überqueren, können sich der Anziehung des Schwarzen Loches nicht mehr entziehen, d.h. die Physiker können nur anhand der Formelmaschinerie der Allgemeinen Relativitätstheorie berechnen, was vermutlich im Bauch der Schwarzen Löcher geschieht. So versucht man zu verstehen, wieder indirekt, was sich dort im Inneren tut.

So arbeitet die Wissenschaft: Wir untersuchen das Kleinste und das Größte einfach "because it’s there" (wie der Mount Everest), weil wir unsere Ignoranz über die Welt Schritt für Schritt abbauen möchten. Hätten Chemiker und Physiker des neunzehnten Jahrhunderts nicht so gehandelt, hätten sie Atome nie zu erforschen gewagt, weil diese damals jenseits des menschlichen Augenscheins lagen. Die Vorstellungskraft, gepaart mit entsprechenden mathematischen Formulierungen, ist allerdings das beste Mikroskop der Wissenschaft. Es werden Hypothesen aufgestellt, die dann experimentell überprüft werden. Bei vielen Vermutungen der Physik wissen wir nicht sofort, wie wir sie experimentell überprüfen könnten, es ist aber fast immer nur eine Frage der Zeit, bis jemand ein passendes Experiment vorschlägt und dieses auch durchgeführt wird.

Schwarze Löcher sind freilich ein theoretisches Konstrukt der modernen Physik, die unsere Vorstellungskraft und die heutige Gravitationstheorie an ihre Grenzen bringt. Was im Inneren von Schwarzen Löchern geschieht, strapaziert die "gesunde" Intuition, wie übrigens auch die Paradoxien der Quantenmechanik.

Es überrascht deswegen, dass die Möglichkeit von so etwas wie Schwarzen Löchern bereits im 18. Jahrhundert besprochen wurde (unter der Bezeichnung "dunkle Sterne"). John Michell in England und Pierre-Simon de Laplace in Frankreich haben sich fast gleichzeitig Gedanken über massive Gestirne gemacht. Da die Fluchtgeschwindigkeit eines Objekts aus der Gravitation eines Himmelkörpers direkt proportional zu seinem Radius ansteigt (bei gleichbleibender Massendichte), war es vorstellbar, dass für sehr große Sterne nicht einmal Licht die notwendige Fluchtgeschwindigkeit erreichen könnte und so im Stern "gefangen" bleiben könnte.

Michell dachte, man könnte solche "dunklen Sterne" nachweisen, falls ein heller und ein dunkler Stern sich als Paar um dem gemeinsamen Schwerpunkt drehen würden. Astronomen könnten die Umlaufbahn des hellen Sterns beobachten und auf diese Weise auf die Existenz des dunklen Kompagnons schließen.1 [1] Denselben Grundgedanken kann man aber auch in eine andere Richtung verfolgen, die weder Michell noch Laplace berücksichtigt haben: Wenn eine sphärische Masse so stark komprimiert wird, dass ein kritisches Verhältnis von Masse zu Radius erreicht wird, kann die Fluchtgeschwindigkeit die Geschwindigkeit des Lichtes übersteigen. Wir erhalten auch so ein Schwarzes Loch, und deswegen sollte es Schwarze Löcher in allen Variationen geben: kleiner als Atome, aber auch größer als unser Sonnensystem.

Der Schwarzschild-Radius

Wenn wir über die Größe eines Schwarzen Loches reden, sprechen wir gewöhnlich über den Betrag seines "Schwarzschild-Radius". Gravitation wirkt nur anziehend und so kann Materie sich in Asteroiden, Planeten oder Sternen verklumpen. Sterne sind die chemischen Labore des Universums: Durch Kernfusion angetrieben "kochen" sie aus Wasserstoff und Helium, und auch in Kollisionen, fast alle anderen Elemente im Periodensystem. Die wahren Gravitationsgiganten sind jedoch die Schwarzen Löcher, die Dutzende oder Millionen von Sonnenmassen aufsaugen können.

Wie oben erwähnt, kann man schwarze Löcher sogar mit Hilfe der Newtonschen Mechanik verstehen. Für einen Himmelskörper der Masse M und Radius R ist die Fluchtgeschwindigkeit v durch folgenden Ausdruck gegeben:

v = √(2GM/R)

wobei G die universelle Gravitationskonstante darstellt. Die Formel berechnet das Minimum an Geschwindigkeit, das ein Geschoss besitzen muss, um aus dem Gravitationsfeld des Himmelkörpers entweichen zu können. Steigt die Masse M (mit R konstant) bzw. verkleinert sich der Radius R (mit M konstant), kann v größer und größer werden, bis die Lichtgeschwindigkeit erreicht wird. Da kein Geschoß schneller als diese wegfliegen kann, kann aus einem solchen "Schwarzen Loch" nichts entfliehen. Der kritische Radius dafür (wenn v=c), aus der obigen Gleichung abgeleitet, ist:

R = 2GM/c2

Dies wird "Schwarzschild-Radius" genannt, zu Ehren von Karl Schwarzschild, der im Rahmen der Allgemeinen Relativitätstheorie jene Lösung der Einstein-Gleichungen vorschlug, die heute auch seinen Namen trägt. Schwarzschild errechnete auch den kritischen Radius für die damals so genannten "Schwarzschild-Singularitäten". Ein Beispiel: Wenn man eine Sonnenmasse in eine Kugel von 3 km Radius einschließt, ist das Resultat ein Schwarzes Loch. So entstehen auch in der Tat sogenannte stellare Schwarze Löcher, d.h. durch das Kollabieren der Materie von ausgestorbenen Sternen zum Massenzentrum. Wenn die Kernfusion im Inneren eines Sterns den Gravitationsdruck der Sternenmasse nicht mehr aufhalten kann, bricht diese Masse in sich zusammen und bildet ein Schwarzes Loch.

Einstein und die Schwarze Löcher

Heute, wo jeden Tag neue Sichtungen von Schwarzen Löchern im Universum gemeldet werden, fällt schwer zu glauben, dass Einstein noch im Jahr 1939 die Realität der "Schwarzschild-Singularitäten" anzweifelte (erst ab etwa 1963 wurden die Singularitäten "Schwarze Löcher" genannt2 [2]). In einem Beitrag für eine mathematische Zeitschrift3 [3] schrieb Einstein:

The essential result of this investigation is a clear understanding as to why the "Schwarzschild singularities" do not exist in physical reality (…) The "Schwarzschild singularity" does not appear for the reason that matter cannot be concentrated arbitrarily. And this is due to the fact that otherwise the constituting particles would reach the velocity of light.

Abb. 2: Aufnahme vom Sagittarius A* im Zentrum der Milchstraße, aufgenommen vor wenigen Wochen mit einem Array von 64 Radioteleskopen in Südafrika. Bild: SARAO [4]

Jedoch konnten nur wenige Monate später Robert Oppenheimer und Hartland Schneider Einsteins Relativitätstheorie verwenden, um den Prozess der Bildung von Schwarzen Löchern aus den Gleichungen der Theorie abzuleiten.4 [5]

Wie man in ein Schwarzes Loch hineinfällt

Die Gravitationstheorie von Newton ist einfach: Die Kraft, mit der sich zwei Massen anziehen, ist proportional zum Produkt der Massen und Inversproportional zum Quadrat des Abstands. Die Anziehung wird augenblicklich übertragen, als eine Art Fernwirkung. Dies war allerdings ein Schönheitsfehler der Theorie, womit Newton nie zufrieden war.

Die Theorie von Einstein ist dagegen eine lokale Theorie. Sie erklärt, wie Massen Raum und Zeit um sich herum verformen. Statt eine Fernwirkung haben wir eine lokale Wirkung auf Raum und Zeit. Einsteins Tensorformel reduziert sich auf zehn sogenannte Differentialgleichungen, die erklären, wie aus gegebenen Anfangsbedingungen das nächste Stück des Raum-Zeit-Kontinuums berechnet wird, und aus diesem das nächste, usw. Wir können also im Computer für eine gegebene Massenverteilung und unter gewissen Voraussetzungen die Geometrie des Raumes Schritt für Schritt rekonstruieren. Eine Bedingung ist, dass kein Signal sich mit einer höheren Geschwindigkeit als das Licht fortpflanzen kann.

Für die Darstellung der Bewegung von Teilchen kann man Raum-Zeit-Diagramme verwenden, wie in Abb. 3. Hier gibt es nur eine Raumrichtung (x), während die Zeitrichtung vertikal angezeigt wird. Die Physiker ändern die Raum- und Zeit-Einheiten, so dass die Lichtgeschwindigkeit als c=1 geschrieben werden kann. In solchen Einheiten gemessen kann ein Lichtstrahl, der den Ursprung des Systems verlässt, nur über die Diagonale des Diagramms wegfliegen (in beide Richtungen). Jedes andere Partikel kann sich nicht so schnell bewegen und seine Trajektorie bleibt innerhalb des "Lichtkegels" gefangen. Die Zeit tickt nur in Richtung Zukunft und erlaubte Trajektorien müssen dies berücksichtigen.

Abb. 3: Bewegung in eine Dimension (x) relativ zur Zeit t. Die Raum und Zeit-Einheiten werden so festgelegt, dass die Lichtgeschwindigkeit c=1. Bewegung langsamer als mit Lichtgeschwindigkeit findet innerhalb des blauen "Zukunftskegels" statt. Bild: Raúl Rojas

Wenn man sich jetzt vorstellt, dass die Welt nur zwei Dimensionen hat, können wir die vertikale Achse für die Darstellung der Zeit verwenden. Abb. 4 zeigt den Zukunfts- bzw. Vergangenheitskegel eines Ereignisses am Ursprung des Koordinatensystems. Im Zukunftskegel sind alle Stellen in Raum-Zeit, die vom Ereignis am Ursprung beeinflusst werden können, d.h., dort sind alle Ereignisse in Raum-Zeit, die von einem Signal aus dem Ursprung erreicht werden können (und das Signal kann höchstens Lichtgeschwindigkeit haben). Im Vergangenheitskegel sind alle Ereignisse, die die Gegenwart am Ursprung hätten beeinflussen können (durch ein Signal). Wenn man sich dann in der Welt bewegt, trägt man sein Koordinatensystem mit. Das Merkwürdige bei der Relativitätstheorie ist allerdings, dass die Zeit nicht global tickt, sondern dass jeder Beobachter seine eigene Uhr und Zeit mitschleppt und die Zeitachsen von Beobachtern in relativer Bewegung zueinander nicht parallel stehen.

Abb. 4: Zukunfts- und Vergangenheitskegel für eine zweidimensionale Welt. Bild: K. Aainsqatsi, Bernhardius / CC-BY-SA-4.0 [6]

Wenn man mit einer Rakete unterwegs im Weltraum ist, trägt man also seine lokale Uhr mit sich. Die Vergangenheits- und Zukunftskegel sind lokal definiert. Etwas Merkwürdiges geschieht, wenn eine Rakete in ein schwarzes Loch fällt (Abb. 5).

Abb. 5: Links bewegen wir uns in das 2D Schwarze Loch hinein; rechts sieht man das entsprechende Raum-Zeit-Diagramm und die Lichtkegel für den fallenden Beobachter (in blau) und einen Beobachter, der sich draußen aufhält (in grün). Für die genaue Relation zwischen den Achsen der Lichtkegel bräuchten wir ein Minkowski-Diagramm [7], hier haben wir die Darstellung vereinfacht. Bild: Raúl Rojas

Auf der linken Seite von Abb. 5 sieht man, wie ein Beobachter geradeaus in ein Schwarzes Loch fällt. Der Schwarzschild-Radius wird angezeigt, das ist der "point of no return". Hat ein Teilchen den Ereignishorizont überquert, kann es nicht mehr raus.

Auf der rechten Seite von Abb. 5 sieht man das entsprechende Raum-Zeit-Diagramm. Die Zeit wird durch die vertikale Koordinate dargestellt. Der Beobachter in grün bleibt im Weltraumschiff draußen stehen (d.h. die Weltlinie bewegt sich nur in der Zeit, d.h. nach oben). Der blaue Beobachter steuert in Richtung Schwarzes Loch. Die lokale Zeitachse ist verdreht in Bezug auf den grünen Beobachter. Am Ereignishorizont angekommen hat sich der Lichtkegel weiter verdreht. Jetzt kann ein Photon am Rande des Lichtkegels nicht mehr wegfliegen vom Schwarzen Loch. Das Photon bleibt exakt am Ereignishorizont stehen (deswegen ist die rechte Diagonale vom Lichtkegel nun vertikal, d.h. die Zeit läuft, aber ein Lichtsignal des blauen hineinstürzenden Beobachters, in Richtung des grünen Beobachters, erreicht sein Ziel nie). Anders gesagt, der außenstehende Beobachter würde sehen, wie die Uhr des Weltraumfahrers immer langsamer wird und am Ereignishorizont stehen bleibt (die Uhr könnte man mit einem hin- und her reflektierenden Lichtsignal visualisieren).

Innerhalb des Schwarzen Lochs ist der Lichtkegel nun "umgekippt". Seltsamerweise wird die Radialrichtung nun "zeitähnlich", während die ursprüngliche Zeitachse "raumähnlich" wird. Das bedeutet, dass Radialbewegung hinter dem Ereignishorizont nur erlaubt ist, wenn der Beobachter unaufhörlich zum Zentrum strebt. Aber was die Zeit betrifft, darf man nun beide Richtungen (Vergangenheit und Zukunft) ansteuern.

Anders erklärt: In den Einsteingleichungen gibt es ein sogenanntes "Linienelement", aus dem die Geometrie von Raum und Zeit rekonstruiert wird. In der Lösung von Karl Schwarzschild ist das Linienelement durch eine Kombination der Änderungen in der Zeit und der Änderungen im Raum gegeben. Der Koeffizient für die Zeitvariable ist

(rs/r-1)

und für den Radialabstand vom Zentrum des Schwarzen Lochs ist der Koeffizient

(rs/r-1)-1

Außerhalb des Schwarzen Lochs ist der Radius r großer als der Schwarzschildradius rs und rs/r ist deswegen kleiner als 1. Der Koeffizient der Zeitvariable ist also negativ, und für die Radialrichtung ist der Koeffizient positiv. Das Linienelement ist in der Schwarzschildlösung insgesamt negativ. Da nur die Zeit einen negativen Beitrag beisteuert, darf die Änderung der Zeit nicht Null sein. Mit anderen Worten: Die Zeit darf außerhalb eines Schwarzen Lochs nie stehen bleiben. Auch nicht, wenn Faust dem Augenblick zuruft: "Verweile doch! Du bist so schön!".

Wenn der Beobachter aber den Ereignishorizont durchquert, wird nun r kleiner als rs, d.h. rs/r wird größer als 1 und die Vorzeichen der Zeit- und Radialvariable ändern sich!

Die Konsequenz des Vorzeichenwechsels ist, dass außerhalb des Ereignishorizonts die Zeit immer nur vorwärts ticken kann, während wir uns in die Radialrichtung zum Schwarzen Loch hin und her bewegen können (mit Raketenantrieb). Jedoch, und wegen des Vorzeichenwechsels, dürfen wir uns innerhalb des Ereignishorizonts in der Zeit frei bewegen, aber nicht in der Radialrichtung. Wir müssen immer in Richtung der Singularität streben, ein dorthin fallendes Partikel darf auf den Weg dahin nie stehenbleiben.

Außerhalb des Ereignishorizonts gibt es eine Technologie (Raketenantrieb), die uns erlaubt, weg vom Schwarzen Loch zu fliegen, jedoch nicht in die Vergangenheit. Innerhalb des Ereignishorizonts können wir nicht auf dem Weg zur Singularität stehenbleiben, egal wie viel Energie wir aufwenden möchten. Aber seltsamerweise sind Zeitreisen erlaubt, wobei die notwendige Technologie (Zeitantriebe?) noch zu erfinden wäre. Das ist was einige Physiker meinen, wenn sie über die Möglichkeit von Zeitreisen innerhalb von Schwarzen Löchern reden (und Science-Fiction Autoren haben häufig genug die Idee ausgeschlachtet).

Wären aber solche Zeitreisen möglich, könnte man sich das so vorstellen: Wenn man auf der Autobahn Berlin-Singularität fährt (diese ist 100 km lang und Berlin steht bei km 0), kann ich bei km 50 in die Vergangenheit wie Dr. Who reisen und wieder auf der Autobahn "landen", aber nur jenseits von km 50, z.B. bei km 75, d.h. immer nur näher zur Singularität. Insbesondere, kann ich nicht zurück in der Zeit reisen, um mich selbst zu töten (da ich nur bis km 50 normal gefahren bin).

Durch Zeitreisen wäre allerdings Bewegung mit Überlichtgeschwindigkeit in die Radialrichtung möglich, womit wir bei allen Paradoxien der verletzten physikalischen Kausalität landen. Um dies zu verhindern, hat Roger Penrose die Hypothese einer "kosmischen Zensur" postuliert: Es soll keine "nackten Singularitäten" im Universum geben, d.h. die oben beschriebenen Phänomene wären für externe Beobachter durch den Vorhang des Ereignishorizonts verdeckt, so dass wir außerhalb von Schwarzen Löchern kein Problem mit der Kausalität bekommen.

In "Inseln des vorigen Tages" von Umberto Eco zweifelt ein gestrandeter Matrose an der Realität einer Insel jenseits des Meridians der Datumsgrenze in Pazifik, die einen Kalendertag vom nächsten Kalendertag trennt. Für den Matrosen liegt jenseits der Datumsgrenze das Gestern, und deswegen denkt er, dass vielleicht die beobachtete Insel nicht mehr da ist (es ist ja die Insel des "vorigen Tages"). Er traut sich nicht, dahin zu schwimmen und ertrinkt.

Die Autobahn Berlin-Singularität wäre auch so etwas. Man kann normal ins Verderben fahren oder mit einer Zeitmaschine. Ganz vorne, direkt am Abgrund, könnte gestern liegen.

Rotierende Schwarze Löcher

Dem Leser, der vielleicht bereits überlegt, sich der Troll-Guerilla anzuschließen, sei zur Entspannung gesagt, dass alle diese Feststellungen natürlich äußerst spekulativ sind. Eigentlich debattieren die Physiker vor allem intensiv darüber, ob man Einsteinschen Differentialgleichungen unter solchen extremen Bedingungen noch trauen kann oder ob nicht eine andere Theorie notwendig ist, die mit Singularitäten zurechtkommen oder sie ganz vermeiden kann.

Aber zunächst einmal wird es doch schlimmer… Die Schwarzschild-Lösung gilt nicht für rotierende Schwarze Löcher. Wenn aber ein rotierender Stern in sich zusammenbricht, muss das Drehmoment erhalten bleiben und deswegen soll es auch rotierende Schwarze Löcher geben. Dafür braucht man eine andere Lösung als die von Schwarzschild. Erst im Jahr 1963 hat Roy Kerr sein Resultat für rotierende und nicht geladene Schwarze Löcher vorgelegt.

Die Kerr-Lösung für rotierende Schwarze Löcher besitzt aber viel mehr innere Struktur als die Schwarzschild-Lösung. Es gibt einen externen Ereignishorizont, wobei die Kugelform nicht mehr besteht und die Oberfläche eher einem Ellipsoid ähnelt. Neben dem externen Ereignishorizont kommt ein interner Ereignishorizont hinzu, wo sich der Lichtkegel des hineinstürzenden Beobachters nochmal verdreht. Anders gesagt, die Zeit und die radiale Komponente wechseln zum zweiten Mal das Vorzeichen und die Zeitachse ist nun so orientiert wie außerhalb des Schwarzen Lochs. Kausalität, wie wir sie kennen, wird wiederhergestellt. Das hilft dem hineinfallenden Beobachter nicht, da die Singularität im Zentrum nicht mehr punkt-, sondern ringförmig ist. Dorthin wird jedes Teilchen angezogen. Die Singularität muss ringförmig sein, da das Drehmoment nicht in eine punktförmige Singularität untergebracht werden kann.

Abb. 6 zeigt die Struktur eines solchen rotierenden Schwarzen Loches mit zwei Ereignishorizonten und zwei sogenannten Ergoregionen [8]. Die externe Ergoregion entspricht einer Hülle um den Ereignishorizont, innerhalb dessen Raum und Zeit durch die Rotation des Schwarzen Lochs mitgeführt werden. Das wird "frame dragging" genannt. Ein Objekt, das sich nahe genug am Schwarzen Loch befindet, wird in Rotation versetzt, weil der Raum um das Schwarze Loch selber mitgedreht wird. Der innere Ereignishorizont besitzt auch so ein Gebiet, in dem "frame dragging" stattfindet, das allerdings zum Zentrum des Schwarzen Loches hin verlagert ist. Die Berechnung all dieser Gebiete ist extrem kompliziert, aber das Resultat zeigt, dass ein rotierendes Schwarzes Loch ein ziemlich strukturiertes Objekt ist.

Abb. 6: Die Struktur eines rotierenden Schwarzen Loches mit zwei Ereignishorizonten. Die Form ist nicht mehr sphärisch, sondern die eines Ellipsoids. In der Nähe des Ereignishorizonts findet "frame dragging" statt (zwischen Ereignishorizont und Ergooberfläche). Die Singularität ist nun ring-, statt punktförmig. Bild: Raúl Rojas

Was Zeitreisen betrifft, ist das Problem nun, dass es in solchen Schwarzen Löchern geschlossene Geodäten in Raum und Zeit gibt. D.h. man startet die Reise irgendwo und kommt am selben Ort wieder an, aber in der Vergangenheit. Im inneren Bereich des Schwarzen Loches (hinter dem zweiten Ereignishorizont), geschieht das nicht, aber man kann sich nicht dort retten, da man in Richtung der Ringsingularität abgestoßen wird.5 [9]

Gravitationstheoretiker, die ins Innere von Schwarzen Löchern schauen möchten, machen aber dort nicht halt. Eine andere Möglichkeit dort hineinzuschauen, besteht darin, die sogenannten Invarianten der Lösungen der Einstein-Gleichungen mit dem Computer abzubilden. Es gibt mehrere solche Invarianten. Abb. 7 zeigt eine davon, die sogenannte Weyl-Krümmungsinvariante, so wie diese von Astrophysikern berechnet worden ist. Das heißt nicht, dass diese Oberflächen so im Inneren von Schwarzen Löchern existieren, sondern dass die Kombination von vielen dieser Invarianten uns die Geometrie an jeder Stelle verrät.

Abb. 7: Die Struktur der Weyl-Krümmungsinvariante innerhalb eines rotierenden Schwarzen Lochs, rekonstruiert am Computer. Bild: R. Henry , J. Overduin, K. Wilcomb, "A New Way to See Inside Black Holes",arXiv: 1512.02762v1 [10]

Messung der Eigenschaften von Schwarzen Löchern

Es scheint, als wäre es ein hoffnungsloses Unterfangen, die Spekulationen der Theorie durch astronomischen Messungen bestätigen zu können. Die Masse eines Schwarzen Loches kann allerdings indirekt über den Effekt auf die Bahnen von um ihn rotierenden Sternen bestimmt werden (siehe Abb. 1). Auch das Drehmoment kann vielleicht durch Messungen der Störungen von denselben Bahnen berechnet werden (um "frame dragging" zu beobachten). Andere Eigenschaften könnten vermutlich durch auf der Erde detektierte Gravitationswellen abgeleitet werden.

Detektoren für Gravitationswellen, wie LIGO in den USA und VIRGO in Italien, messen nicht einfach die durch Gravitationswellen erzeugten Verformungen der Apparatur. Dafür ist das Signal-Rauschen-Verhältnis zu ungünstig. Diese Labore fahnden nach Wellenmustern der Kollisionen von Schwarzen Löchern, die theoretisch vorberechnet wurden. Nur so kann man die vorgeschlagenen Signale durch Korrelationsrechnungen aus den verrauschten Daten hervorstechen lassen. Es ist eine Nadel im Heuhaufen, aber von der Nadel hat man ein theoretisches Model, das die Suche erst ermöglicht. Eine Gruppe von Astrophysikern schlug neulich vor, die Form dieser Gravitationswellen noch genauer zu berechnen und dazu mögliche Echos [11] in Betracht zu ziehen.

Wie man sieht, sind alle diese theoretischen Berechnungen zum Teil ziemlich spekulativ. Deswegen redet man seit Jahrzehnten von einer Quantentheorie der Gravitation, die Quanten- und Gravitationseffekte womöglich zusammenbringt. Vielleicht verschwinden damit die Singularitäten und Paradoxien, die man sonst über das normale Instrumentarium nicht auslöschen kann.

Schwarze Löcher sind also Gravitationsungeheuer, aber unglaublich reiche Konstrukte, an denen sich die moderne Physik auf dem Weg zu neuen Ufern die Zähne ausbeißen muss.


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[3] https://www.heise.de/tp/features/Schwarze-Loecher-Die-Singularitaet-des-vorigen-Tages-4134466.html?view=fussnoten#f_3
[4] https://www.ska.ac.za/about/sarao/
[5] https://www.heise.de/tp/features/Schwarze-Loecher-Die-Singularitaet-des-vorigen-Tages-4134466.html?view=fussnoten#f_4
[6] http://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/deed.en
[7] https://www.pitt.edu/~jdnorton/teaching/HPS_0410/chapters/black_holes_picture/index.html#What
[8] https://www.markushanke.net/the-kerr-spacetime/
[9] https://www.heise.de/tp/features/Schwarze-Loecher-Die-Singularitaet-des-vorigen-Tages-4134466.html?view=fussnoten#f_5
[10] https://arxiv.org/vc/arxiv/papers/1512/1512.02762v1.pdf
[11] https://www.quantamagazine.org/black-hole-echoes-would-reveal-break-with-einsteins-theory-20180322/