Schwarzes Loch

Die Katastrophe

Wie in den vorhergehenden Kapiteln gezeigt, heben normalerweise im Innern eines Sterns der Gas- und Strahlungsdruck die nach innen gerichtete Gravitation auf, der Stern befindet sich im hydrostatischen Gleichgewicht. Sind jedoch alle nuklearen Reaktionen im Kern und den inneren Schalen soweit vorangeschritten, dass weitere Fusionen nur noch durch Energiezufuhr ablaufen könnten, "haucht" der Stern sein Leben aus. Das ist der Fall, wenn die Kernregion massiver Sterne nur noch aus Eisen besteht. Dieses kann nicht weiter fusionieren und damit wird keine Energie mehr freigesetzt. Es gibt keinen Gasdruck mehr, um der Gravitation entgegen zu wirken, die Katastrophe nimmt ihren Lauf.

Nun bestimmt die restliche Masse des Sterns das weitere Geschehen. Hat die Kernregion noch eine Restmasse von etwa 2 bis max. 3 Sonnenmassen, so kann sich noch ein Neutronenstern als Endstadium bilden. Eine wahrhaft kosmische Katastrophe ist jedoch der Gravitationskollaps eines supermassiven Sterns. Weist der Restkern nach dem Absprengen der äußeren Hülle in einer gewaltigen Supernovaexplosion, sowie des gesamten Masseverlustes während seiner aktiven Phase immer noch eine Masse von mehr als 3 Sonnenmassen auf, dann kann die Gravitation durch nichts mehr aufgehalten werden.

Innerhalb von Sekundenbruchteilen stürzt die gesamte Kernregion immer weiter in sich zusammen. Es gibt kein Halten mehr bei Erreichen der Erdgröße wie bei einem Weißen Zwerg, bei dem die Gasentartung die Kompressibilität schlagartig aufhebt, auch nicht bei einem Durchmesser von 10- 20 km, wenn die Elektronen in die Protonen gepresst werden und ein Neutronenstern entsteht. Der Sturz des Sterns hört nicht einmal bei dem Durchmesser eines Elementarteilchens auf. Er endet erst im so genannten Punkt der Singularität, in dem alle physikalischen Gesetze ihre Gültigkeit verlieren. Es ist ein Schwarzes Loch entstanden, das nichts als Gravitation hinterlässt. Möglicherweise stürzt bei diesem Kollaps nicht nur die Kernregion in sich zusammen, sondern der gesamte Reststern. Er verschwindet aus dem sichtbaren Universum, als hätte ihn jemand einfach ausgeschaltet. Die Gravitation, schwächste aller Naturkräfte, hat jetzt ihren größten Sieg errungen.

Ein Schwarzes Loch

Die Ausdehnung der Materie in einer Singularität nähert sich Null und die Dichte geht gegen Unendlich. Ein solcher Zustand ist für uns nicht mehr fassbar, die Allgemeine Relativitätstheorie Einsteins, die Singularitäten voraussagt, versagt völlig bei ihrer Beschreibung. Sicher ist aber, dass in einem Zustand unendlicher Dichte kein Atom oder Molekül mehr existiert. Es ist nicht einmal vorstellbar, dass es dort noch Elementarteilchen wie Protonen oder Neutronen geben könnte, selbst Quarks werden hier keine Chance mehr haben. Eventuell ließe sich der Materiezustand durch die Stringtheorie beschreiben, die vielleicht eines Tages die Verbindung zwischen Relativitätstheorie und Quantenmechanik ermöglicht. Sicher ist nur, dass sich hier ein Objekt kosmischen Ausmaßes in Sekundenbruchteilen in ein quantenphysikalisches "Nichts" verwandelt hat! Bislang wissen wir jedoch definitiv nichts über das Innere eines Schwarzen Lochs.

Warum? Die Gravitation eines solchen Objektes ist derart groß, dass selbst Licht nicht aus ihm entkommen kann. Die Fluchtgeschwindigkeit liegt über der Lichtgeschwindigkeit (rd. 300 000 km/s)! Zum Vergleich: die Fluchtgeschwindigkeit von der Erde beträgt 11,2 km/s. Da nun jede Information sich aber höchstens mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten kann, gibt es keine Möglichkeit der Nachrichtenübermittlung aus einem Schwarzen Loch. Daher rührt auch seine Bezeichnung, denn kein Licht, keine Strahlung kann uns seine Existenz verraten.

Dieser Gravitationsgigant krümmt, verbiegt die umgebende Raumzeit derart in sich selbst, dass man sie als entartet bezeichnet. Die im oberen Bildteil dargestellte, noch relativ flach verlaufende Raumzeit stellt die äußere "Grenze" eines Schwarzen Lochs dar, den so genannten Ereignishorizont (siehe weiter unten). In der untersten Spitze des Kegels befindet sich die Singularität, welche die Raumzeit hier völlig verzerrt. Rotierende Schwarze Löcher gehen noch brutaler mit der Raumzeit um: sie reißen sie in ihrer Rotationsbewegung mit!
In Wirklichkeit kann man das Verformen der Raumzeit nicht grafisch darstellen, denn sie ist vierdimensional.
Es gibt im gesamten Kosmos keine Kraft, die diesem "Raummonster" entrinnen kann, kein Raumschiff, keine Wärme- oder Radiostrahlung, nicht einmal die härteste Gammastrahlung kann entweichen.

Würde ein im Raum schwebender Astronaut sich unvorsichtigerweise dem Schwarzen Loch nähern, so könnte ein entfernt stehender Beobachter erkennen, wie die Gravitation seinen Kameraden immer mehr in die Länge zieht und gleichzeitig zusammenquetscht wie eine Spaghetti. Dieser Vorgang würde für den Beobachter jedoch immer langsamer verlaufen und schließlich unendlich lange dauern, weil mit zunehmender Annäherung an das Loch die Zeit durch die unvorstellbare Gravitation immer weiter gedehnt wird, bis sie zum Schluss völlig stehen bleibt. Für den Beobachter wäre es so, als ob sein Kamerad niemals ankommt. Dem armen Astronauten würde es jedoch sehr schlecht ergehen. Nachdem ihn die ungeheure Gezeitenwirkung so verunstaltet hat, zerreißt sie ihn nun komplett. Mit immer höherer Geschwindigkeit, zuletzt mit der des Lichts, wird er bis in die Singularität gezogen.

Hier der prinzipielle Aufbau eines Schwarzen Lochs. Im Zentrum befindet sich die Singularität, deren Ausdehnung gegen unendlich klein geht. Bis zum Abstand r_s erstreckt sich der Ereignishorizont, welcher die eigentliche Größe des Lochs kennzeichnet und aus dem keine Informationen hinausgelangen können. Ein Schwarzes Loch ist damit wie ein halbdurchlässiges Diaphragma: alles kann hineingeraten, aber absolut nichts mehr hinaus. Zwischen der Singularität und dem Ereignishorizont ist nur leerer Raum, ein Vakuum, denn alles, was sich hier aufhielte, würde sofort zur Singularität hinab gezogen. Im Abstand von 1,5 r_S finden wir eine Bahn, auf der ein unter günstigstem Winkel eingebrachtes Photon sich gerade noch aufhalten kann. Man nennt diese Bahn daher auch Photonensphäre. Das Photon würde hier unendlich lang das Loch umkreisen. Bei geringster Unterschreitung dieses Abstandes wäre sein Absturz ins Loch allerdings besiegelt. Für den Astronauten gilt etwas anderes: will er das Loch nur umkreisen und sich eine Chance zur Rückkehr offen halten, so darf er sich in einer Distanz von höchstens 3 r_S aufhalten, ansonsten ist er für immer verloren!

Schwarzschildradius, Ereignishorizont

Der deutsche Astronom Karl Schwarzschild (1873-1916) hatte berechnet, dass Sterne mit über 3 Sonnenmassen bei ihrem Schrumpfungsprozess einen kritischen Radius unterschreiten können, an dem es für die Gravitation und damit die Verdichtung des Sterns kein Halten mehr gibt. Der Schwarzschild- Radius beträgt beispielsweise für die Sonne 2,95 km, für die Erde weniger als 1 cm und für einen Menschen gerade noch 10^-23 cm. Diesen Radius bezeichnet man auch als Ereignishorizont, weil jedes hinter diesem Horizont stattfindende Ereignis einem außenstehenden Beobachter für ewig verborgen bleibt.

Diese kritische Grenzgröße r_s wird berechnet nach:
r_s= 2·G·M/c²

, wobei G die Gravitationskonstante (G = 6,67259·10^-11m³kg^-1s^-2), M die Masse des Sterns und c die Lichtgeschwindigkeit ist.

Wie kommt man ausgerechnet auf diese Formel?
Wenn ein Körper ein Gravitationsfeld verlassen will, muss seine kinetische Energie größer als die potentielle Energie sein. Um nun die Entweichgeschwindigkeit aus einem Gravitationsfeld zu berechnen, das von einem Körper mit der Masse M und dem Radius r ausgeht, kann man die potentielle Energie GM/r der kinetischen Energie v²/2 eines Teilchens mit einer angenommenen Masse von 1 gleichsetzen. Wenn die kinetische Energie des Teilchens größer ist, kann es entweichen. Löst man die Gleichung auf, erhält man als Entweichgeschwindigkeit (2GM/r)^1/2 .

Bei einem Schwarzen Loch ist die Entweichgeschwindigkeit am Ereignishorizont gleich der Lichtgeschwindigkeit, also können wir v = c setzen.
Das Ganze sieht dann so aus:

c² /2 = GM/R

c² = 2GM/R

Rc² = 2GM

R = 2GM/c²

Hier haben Sie die Möglichkeit zur Berechnung des Schwarzschild- Radius eines Körpers beliebiger Masse. Geben Sie einfach die von Ihnen gewünschte Masse in kg ein. Dezimalstellen müssen Sie mit einem Punkt trennen, z.B. 785.33. Große Massen können Sie als Potenzzahl eingeben, und zwar in der Form
100 = 10² Eingabe : 1e2
1 000 000 = 10⁶ Eingabe : 1e6
0,001 = 10^-3 Eingabe : 1e-3
Einige Beispiele von Massen:

• Mensch : 75 kg
• Erde : 5.98e24 kg
• Sonne : 1.99e30 kg
• Stellares Schwarzes Loch : 3 Sonnenmassen = 6e30 kg
• Supermassives Schwarzes Loch : 2e36 kg

Nebenstehend ist nochmals ein Schwarzes Loch skizziert um zu verdeutlichen, dass der Ereignishorizont bzw. Schwarzschildradius seine Ausdehnung bestimmt. Diese Größe ist ausschließlich von der Masse der Singularität im Zentrum abhängig. Alles was sich innerhalb dieser Grenzen abspielt, bleibt uns für immer verborgen.

In dieser Computersimulation ist ein künstlicher Himmelsauschnitt dargestellt, im linken Bild erkennt man die drei Gürtelsterne des Sternbilds Orion. In die rechte Bildhälfte wurde ein Schwarzes Loch "eingerechnet". Das Loch selbst ist natürlich nicht sichtbar, man sieht aber deutlich die Verzerrungen, die von seinem Gravitationsfeld hervorgerufen werden. Es wirkt aus dieser Distanz bereits als Gravitationslinse und erzeugt Doppelbilder der hinter ihm liegenden Sterne. Würde man sich dem Loch noch weiter nähern, so könnte man aus einem Blickwinkel das gesamte Weltall überschauen.
Mit freundlicher Genehmigung von Robert Nemiroff (MTU)

Akkretion von Materie

Nun erhebt sich sicherlich die Frage, wie kann man überhaupt solch ein Gebilde "sehen" oder nachweisen, wenn es doch nur eine Deformation der Raumzeit hinterlässt und kein Licht oder irgendein anderes Signal es verlassen kann? Vergessen wir nicht die ungeheure Gravitation, denn die kann seine Anwesenheit verraten. Das Schwarze Loch saugt jede Materie aus seiner Nachbarschaft, die keine ausreichende Fluchtgeschwindigkeit aufweist, in sich hinein. Diese fällt dann jedoch nicht einfach geradlinig herunter, sondern wird auf ihrem Weg in die Singularität immer mehr beschleunigt und spiralförmig hinab gezwungen.

In der elliptischen Galaxie NGC 7052 (links die Aufnahme eines erdgebundenen Teleskops) hat das Hubble- Weltraumteleskop ein Schwarzes Loch entdeckt. Was auf dem rechten Bild fast wie eine Radkappe aussieht, ist eine gigantische Akkretionsscheibe von 3700 Lichtjahren Ausdehnung im Zentrum der Galaxie. Diese riesige Staubmenge stammt vermutlich aus der Kollision mit einer anderen Galaxie, das Schwarze Loch benötigte mehrere Millionen Jahre um diese Scheibe auszubilden. Es (das Schwarze Loch!) hat inzwischen eine Größe von 300 Millionen Sonnenmassen erreicht!
Mit freundlicher Genehmigung von Roeland P. van der Marel (STScI), Frank C. van den Bosch (University of Washington), and NASA

Hierdurch entsteht eine Scheibe stark beschleunigter Materie um das Loch, eine so genannte Akkretionsscheibe. Die Materie kommt dabei in den "Genuss" relativistischer Geschwindigkeit, also einem Tempo im Bereich der Lichtgeschwindigkeit.

Ein Schwarzes Loch zieht Materie aus seiner Umgebung ab. Dabei bildet sich eine schnell rotierende Scheibe, die Akkretionsscheibe. Akkretionsscheiben entstehen, wenn die Scheibenmasse gering im Vergleich zu der des Zentralkörpers ist und die Geschwindigkeit der thermischen Teilchenbewegung geringer ist als die Umlaufgeschwindigkeit. Die akkretierte Materie ist meist noch magnetisch und umgibt das Loch mit einem starken Magnetfeld. Beim Sturz auf den Ereignishorizont wird ein Teil der Materie entlang der Magnetfeldlinien zu den Polen abgelenkt, aus denen dann mit relativistischer Geschwindigkeit (!) so genannte Gasjets austreten, Materieströme, die Millionen von Lichtjahren ins All jagen können.

Durch die ungeheure Reibung in der Akkretionsscheibe gibt die Materie bis zu 20% ihrer Ruheenergie ab (zu berechnen nach der berühmten Einstein- Formel: E=mc²), eine Umwandlungsrate, die selbst bei Kernspaltungen (Atombombe) oder gar Fusionen in den Sternen nicht erreicht wird. Aus diesem Grund sind Schwarze Löcher die effektivsten Energie"produzenten" im gesamten Kosmos (Energie kann man natürlich nicht produzieren, sondern nur von einer in eine andere Form bringen)!

Bei diesem Vorgang erhitzt sich die Materie derartig (bis 100 Millionen K), dass sie sehr energiereiche Röntgenstrahlung aussendet, und diese können wir messen (aber nur außerhalb der Erdatmosphäre). Bei großen, sehr massiven Schwarzen Löchern wird die Materie sogar soweit erhitzt, dass ultraharte Gammastrahlung emittiert wird (siehe hierzu auch Blasare.
So ist zum Beispiel Cygnus X-1 im Sternbild Schwan eine der stärksten Röntgenquellen am Himmel. Dieser Doppelstern besteht aus einem blauen Riesen mit etwa vierzigfacher Sonnenmasse und einem unsichtbaren Begleiter von 10 Sonnenmassen, ein solches Gebilde kann nur ein Schwarzes Loch sein. Es gibt keine andere Energiequelle, die Röntgenstrahlung dieser Intensität freisetzen könnte.
Mit freundlicher Genehmigung von CXC, NASA

Auch viele Kerne von Galaxien bergen aufgrund der Satellitenmessungen Schwarze Löcher in sich. So rechnet man in der Galaxis mit der Bezeichnung NGC 6251 mit einen Koloss von 100 Millionen (!) Sonnenmassen, im Kern der Galaxie M 87 gar einem von 5 Milliarden. Auch bei den Quasaren führt man den ungewöhnlichen Ernergieausstoß auf Schwarze Löcher zurück. Selbst im Kern unserer eigenen Milchstraße steckt sehr wahrscheinlich solch ein Monster von etwa 2 Millionen Sonnenmassen.

Die Galaxie Cygnus A ist die uns mit 700 Millionen Lichtjahren nächste starke Röntgenquelle. Diese Aufnahme des Chandra- Satelliten zeigt diese aktive Galaxie im Röntgenlicht. Sie ist allerdings auch ein bedeutender Radiostrahler, wie das kleine Bild (inset) rechts zeigt. Vom Zentrum gehen je 300 000 Lichtjahre (!) große Gasjets aus, deren Atome durch das Magnetfeld des Schwarzen Lochs entlang der Polfeldlinien mit relativistischer Geschwindigkeit in den Raum geschossen werden. Die Röntgenaufnahme deckt dabei auf, dass die "hot spots", die heißen Enden der Jets, in kühlerem umgebenden Gas gestoppt und aufgestaucht werden.
Mit freundlicher Genehmigung von A. Wilson & A. Young (UMD), P. Shopbell (Caltech), CXC, NASA (Inset: NRAO)

Der Nachweis

Wie bereits gesagt entsteht ein Schwarzes Loch aus einem massereichen, mehr als 10 Sonnenmassen "schweren" Stern. Das ist die "kleine" Ausgabe eines Schwarzen Lochs. In der Frühphase der Entwicklung ist in den galaktischen Kernen die Materiedichte (Gas, Staub, Sterne) sehr hoch, so dass sich hier gar "Massemonster" von milliardenfacher Sonnenmasse entwickeln konnten. So lange diese Gebilde von Materie umgeben sind, können sie diese akkretieren und quasi unbegrenzt weiter wachsen.
Der wirkliche, überzeugende Nachweis eines Schwarzen Loches gelingt nur indirekt, weil es ja selbst (fast) keine Strahlung emittieren kann.

In 50 Millionen Lichtjahren Entfernung findet man die elliptische Riesengalaxie M 87 im Virgo Cluster. Von ihr geht ein 5000 Lichtjahre großer Gasjet aus. Hier werden Elektronen auf fast Lichtgeschwindigkeit beschleunigt, wobei sie Synchrotronstrahlung emittieren. Solche Erscheinungen kann nur ein supermassives Schwarzes Loch im Zentrum der Galaxie erzeugen.
Mit freundlicher Genehmigung von J. A. Biretta et al., Hubble Heritage Team (STScI /AURA), NASA

In Doppelsternsystemen weist man die Existenz Schwarzer Löcher durch ihre Gravitationswirkung auf umgebende Sterne nach, da sie deren Bahnen deutlich beeinflussen. So auch in unserem Milchstraßenzentrum. Hier umkreisen die Sterne ein zentrales Gebiet derart schnell, dass (nach den Keplerschen Gesetzen) eine Masse von mehreren Millionen Sonnenmassen auf kleinstem Raum (hier ist die Sprache von der Ausdehnung des Ereignishorizontes in der Größenordnung eines Planetensystems!) konzentriert ist. Diese Massenansammlung kann nur ein Schwarzes Loch sein.

Beim Kollaps eines Sterns zu einem Schwarzen Loch bleibt der ursprüngliche Drehimpuls erhalten, die Rotation wird also sehr schnell, ähnlich einer Schlittschuhläuferin, die während ihrer Drehung die Arme anzieht. Durch die ungeheure Gravitation überträgt sich diese Rotation auf die umgebende Raumzeit - sie rotiert ebenfalls! Somit wird jedes sich annähernde Teilchen unweigerlich auf eine Spiralbahn gezwungen. Im Bereich des Ereignishorizontes ist das Teilchen fast auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigt und gibt dann bis zu 20% seiner Ruheenergie in Form von Gamma- oder Röntgenstrahlung ab.

Damit ist ein Schwarzes Loch die effektivste Energiequelle im All, Teilchen im Kern unserer Sonne verlieren bei der Kernverschmelzung gerade einmal 0.7%.
Leider können sich Neutronensterne und selbst Weiße Zwerge ähnlich verhalten - auch sie akkretieren Materie (wenn sie können) und senden dabei Strahlung aus. Doch es gibt einen gewichtigen Unterschied: Schwarze Löcher haben im Gegensatz zum Neutronenstern keine "feste" Oberfläche. Daher kann es Teilchen genauso gut schlucken wie Strahlung, diese verschwindet einfach darin und wird Bestandteil des Lochs. Damit ergeben sich feine Unterschiede im Strahlungsausstoß.

Ist die Materiedichte in der (sich unweigerlich bildenden) Akkretionsscheibe niedrig, verschwinden die Teilchen mit einem hohen Anteil ihrer Strahlung fast ungebremst im Loch. Dabei erhitzen sie sich in der Nähe des Ereignishorizontes bis auf 10 Billionen (10¹³) K, wobei Gammastrahlung emittiert wird. Bei relativ hoher Materiedichte entsteht aber bereits in den Außenbereichen der Scheibe starke Reibung, hier steigt die Temperatur "nur" auf einige Millionen K und es wird Röntgenstrahlung ausgesandt.

Das können Neutronensterne auch, aber wenn sie rotieren, senden sie gepulste Röntgenstrahlung aus, bedingt durch ihr Magnetfeld (siehe auch: Pulsare). Ein Schwarzes Loch selbst kann aber kein Magnetfeld besitzen (Photonen sind die Botenteilchen eines Magnetfeldes, sie werden vom Loch verschluckt wie das Licht), also kann man beispielsweise in Doppelsternsystemen mit gepulster Röntgenquelle ein Schwarzes Loch ausschließen.
Dies kann man auch dann ausklammern, wenn nur sporadische Röntgenausbrüche angemessen werden, denn diese können nur entstehen, wenn sich Materie auf einer festen Oberfläche ansammelt und es irgendwann zu Kernreaktionen kommt.

Nahe dem Zentrum der Seyfert- Galaxie NGC 4151 agiert ein supermassives Schwarzes Loch. Von diesem gehen zwei entgegen gesetzte, heiße Gasströme aus. Durch Bestimmung der Geschwindigkeiten und Massen kann man auf die Größe des Schwarzen Lochs schließen.
Mit freundlicher Genehmigung John Hutchings (Dominion Astrophysical Observatory), Bruce Woodgate (GSFC/NASA), Mary Beth Kaiser (Johns Hopkins University), Steven Kraemer (Catholic University of America) and NASA

Jedoch haben Neutronensterne eine bestimmte, nicht überschreitbare Grenzmasse, die bei etwa 3 Sonnenmassen liegt (bis heute wurde noch kein Neutronenstern mit mehr als 2 Sonnenmassen gefunden). Wenn man also in einem Doppelsternsystem einen unsichtbaren Begleiter findet, der keine gepulste oder sporadische Röntgenstrahlung emittiert und eine Masse (abgeleitet aus den Keplerschen Gesetzen durch Beobachtung der Umlaufbahnen) größer ist als 3 Sonnenmassen, sollte man eigentlich sicher ein Schwarzes Loch nachgewiesen haben.

Bislang sind viele Dutzende Schwarze Löcher sicher von den Astronomen nachgewiesen, nicht nur in unserer Milchstrasse, sondern auch in den Zentren der meisten Galaxien. Der Röntgensatellit Chandra hat neben dem Hubble- Weltraumteleskop viel zu diesen Entdeckungen beigetragen und beide werden neben vielen anderen Instrumenten sicherlich noch viele weitere dieser Objekte entdecken.

Rotierende Schwarze Löcher

Bisher sind wir der Einfachheit halber von statischen Schwarzen Löchern ausgegangen. Jedoch behält ein Stern bei seinem Kollaps zur Singularität den ursprünglichen Drehimpuls bei, das Loch rotiert! Und das mit ungeheuren Geschwindigkeiten, schneller als jeder Neutronenstern. Die Einsteingleichungen für rotierende Schwarze Löcher sind vom neuseeländischen Mathematiker Roy Kerr erst 1963 gelöst worden und man nennt solche Objekte nach ihm Kerrsche Löcher. Theoretischen Betrachtungen zufolge weisen solche Objekte eine ringförmige Singularität auf. Das könnte ungeahnte Auswirkungen haben (siehe Wurmlöcher).

Kerrsche Löcher versetzen alles um sich herum in Rotation. Selbst die umgebende Raumzeit wird unweigerlich von dieser Bewegung zur Rotation gezwungen. Diese Rotation des Lochs kann aber gebremst werden, wenn es von ionisiertem Gas umgeben ist, welches ein Magnetfeld aufweist. Das Loch verhält sich wie ein rotierender elektrischer Leiter, und es bildet sich eine Spannungsdifferenz aus zwischen den Polen und dem Äquator, ganz ähnlich einer Autobatterie. Nur dass die Spannungsdifferenz nicht 12 Volt, sondern 10¹⁵ Volt beträgt! Irgendwo weit außerhalb des Lochs schließt sich der Stromkreis. Hier werden geladene Teilchen beschleunigt und bringen letztendlich die Jets hervor, die wir bei vielen Quasaren und ähnlichen Objekten beobachten. Es ist sogar möglich, dass durch die enorme Spannung Teilchen quasi aus dem "Nichts", aus dem (Quanten-) Vakuum erzeugt werden, vor allem Elektronen und Positronen. Die beobachtete Synchrotronstrahlung lässt darauf schließen. Die entnommene Energie übt einen Zug auf das rotierende Loch aus, wodurch im Endeffekt die Drehbewegung gebremst wird. Die Rotation kann allerdings auch weiter beschleunigt werden, wenn nämlich das Loch Materie akkretiert und deren Drehimpuls übernimmt.

Ein Weißes Loch ?

Die Folgerungen der Allgemeinen Relativitätstheorie Einsteins haben einen interessanten Aspekt: es gibt Symmetrien der Zeit. Das bedeutet, dass Zeit vorwärts und rückwärts laufen könnte (siehe auch Hawkings Universum). Daraus lässt sich folgern, dass die Zeit, wenn sie am Ereignishorizont eines Schwarzen Loches bereits stehen bleibt, sich in der Singularität umkehrt und dann irgendwie rückwärts läuft.

Ein Schwarzes Loch ist ein Objekt, aus dem nichts mehr entweichen kann. So wäre es denkbar, dass irgendwo im Universum ein Ort existiert, an dem die umgekehrte Version zu Tage tritt und in welche nichts hineingeraten, nichts eindringen kann. Im Gegenteil: es müsste Materie und Energie emittieren. Das könnte man als Weißes Loch bezeichnen. Das größte Weißes Loch war unser Kosmos zum Zeitpunkt des Urknalls. Manche Astrophysiker glauben, dass die Materie und die Energien, die ein Schwarzes Loch aufsaugt, an einem ganz anderem Ort des Kosmos, vielleicht sogar in einem anderen (Parallel-?) Universum oder in einer unbekannten Dimension wieder "ausgespuckt" werden.
Dies ist jedoch ein rein theoretisches, mathematisches Modell, ob Weiße Löcher vielleicht sogar wirklich existieren, weiß niemand.

Eine künstlerische Darstellung, wie das Hubble- Weltraumteleskop ein Schwarzes Loch sehen könnte. Dieses Gerät hat uns schon 1992 den ersten Beweis für die Existenz dieser Gebilde geliefert, als es die Strahlungsquelle Cygnus XR-1 im Schwan in 6000 Lichtjahren Entfernung als Schwarzes Loch identifizierte. Zwar konnte es nicht das Loch selbst "sehen", dafür aber die einspiralende Materie anmessen. Heute sind bereits über 50 Schwarze Löcher sicher erkannt.
Mit freundlicher Genehmigung von Greg Bacon (STScI/AVL)

Minilöcher und das Ende

Laut Stephen Hawking könnten sich in der Frühphase unseres Universums Schwarze Löcher mit sehr viel geringerer Masse als solche stellaren Ursprungs gebildet haben. Doch wie kann ein solches Gebilde entstehen, wenn es nur die Masse eines Berges hat, etwa 1 Milliarde Tonnen? Die Gravitation allein wäre nicht imstande, einen so kleinen Körper kollabieren zu lassen. Doch im jungen Kosmos herrschten extreme Verhältnisse. Der Druck war so groß, dass er an manchen Orten Materie zu diesen urzeitlichen -primordialen- Minilöchern zusammenpressen konnte. Dazu ist allerdings notwendig, dass es damals Unregelmäßigkeiten in der Verteilung von Druck, Temperatur und Materie gegeben haben muss. Dass solche Fluktuationen seinerzeit vorkamen, wissen wir von den feinen Streuungen in der Hintergrundstrahlung und vor allem auch daher, dass sich Sterne und Galaxien gebildet haben. Sonst wäre die Materie nämlich vollkommen gleichmäßig im Universum verteilt.

Nun erhebt sich die Frage, ob man diese Minilöcher überhaupt nachweisen kann. Zuvor gleich eine Antwort: bis heute wurde noch keines entdeckt.
Den Nachweis könnte man schon führen, denn so kleine Schwarze Löcher wären heiß und strahlen Gamma- und Röntgenstrahlung aus! Wie ist so etwas möglich? Die Antwort liefert uns wieder die Quantenphysik. Auch direkt am Rand des Ereignishorizontes bilden sich die bereits oben genannten virtuellen Teilchenpaare und vernichten sich nach 10^-24 Sekunden wieder. Jetzt kommt aber die ungeheuer starke Gezeitenwirkung in der Nähe des Schwarzen Lochs zur Geltung. Es kann nämlich geschehen, dass ein Partner des Teilchenpaares hinter dem Ereignishorizont verschwindet, das andere Teilchen aber entkommt.

Teilchen haben in der Nähe von starken Gravitationsfeldern von Natur aus eine nur geringe Energie, weil sie Energie aufbringen müssen um von dem massiven Körper auf Distanz zu bleiben. Gewöhnliche Teilchen haben immer positive Energie, doch im Innern eines Schwarzen Lochs ist die Gravitation so stark, dass selbst ein reales Teilchen hier negative Energie aufweisen kann. Durch die Gezeitenwirkung kann nun das mit negativer Energie beladene Teilchen des virtuellen Paares in das Loch geraten, wodurch es zu einem realen Teilchen wird. Da es negative Energie aufweist, entzieht es dem Loch Masse (nach E=mc²).Das andere Teilchen mit positiver Energie aber kann dem Schwarzen Loch entkommen, und bei weiterer Entfernung sogar Energie dazu gewinnen, weil es nicht mehr so viel Energie gegen die Gravitation aufwenden muss. Die entkommenen Teilchen, Photonen, bilden die so genannte Hawking- Strahlung aus und könnten uns nun den Standort eines solchen Loches verraten.

Schwarze Löcher sind also möglicherweise doch nicht so schwarz! Je kleiner die Masse ist, umso schneller "verdampft" das Loch, weil die Gravitation an seinem Horizont immer schwächer wird und daher Teilchen in zunehmendem Maß entkommen können. Damit steigt auch die Temperatur des Lochs. Während ein Schwarzes Loch mit mehreren Sonnenmassen nur eine Temperatur von einem Zehnmillionstel K über dem absoluten Nullpunkt hätte und erst nach 10⁶⁶ Jahren verdampft wäre, ist ein primordiales Loch richtig heiß. Die Verdampfung steigt ja mit abnehmender Masse und am Ende gleicht sie einer Explosion von etlichen Millionen Wasserstoffbomben bei einer Temperatur von Millionen von K. Unser Miniloch hätte nur eine Lebensdauer, die etwa dem Alter des Universums gleicht, es müsste gerade in einem Gammablitz verdampfen. Leider gelang dieser Nachweis bis heute noch nicht.

Ein Schwarzes Loch könnte einen weiteren interessanten Effekt bieten: es könnte über eine "Brücke" mit seinesgleichen korrespondieren und uns durch solche Wurmlöcher kosmische Reisen ermöglichen. Darüber aber mehr im entsprechenden Kapitel.

© by Werner Kasper 2005