Was sind Schwarze Löcher? Eine Definition

Der Begriff „Schwarzes Loch“ wurde 1967 von dem amerikanischen Physiker John Wheeler geprägt, um eine Konzentration von Masse-Energie zu beschreiben, die unter ihrer eigenen Schwerkraft kollabiert und so kompakt geworden ist, dass selbst Photonen der Anziehungskraft nicht entkommen können.

Jean-Pierre Luminet, Forschungsdirektor am CNRS, und Françoise Combes, Professorin am Collège de France, sprechen über Schwarze Löcher. Fondation Hugot du Collège de France – Medienbeschreibung

Schwarzes Loch, Ereignishorizont und Einsteins allgemeine Relativitätstheorie

Die Idee wurde bereits im 18. Jahrhundert von John Michell und Pierre-Simon de Laplace entwickelt. Für einen modernen Physiker und Astrophysiker ist ein Schwarzes Loch aber in erster Linie durch die Existenz eines Ereignishorizontes gekennzeichnet, der in diesem Fall eine Kugeloberfläche ist und einen Bereich der Raumzeit abgrenzt, aus dem nicht einmal Licht entkommen kann.

Im Rahmen der Gleichungen der allgemeinen Relativitätstheorie wird ein solches Objekt durch eine eindeutige Lösungsfamilie der Einsteinschen Kerr-Newman-Gleichungen beschrieben, die einem rotierenden Schwarzen Loch mit Drehimpuls, Masse und elektrischer Ladung entsprechen.

Schwarze Löcher nach Kerr, Schwarzschild und Reissner-Nordström

• Wenn ein Schwarzes Loch rotiert, aber keine Ladung hat, nennt man es ein Schwarzes Loch nach Kerr;
• wenn ein Schwarzes Loch nicht rotiert und ohne Ladung ist, nennt man es ein Schwarzschild-Schwarzes Loch;
• wenn ein Schwarzes Loch keinen Spin, aber eine Ladung hat, wird es durch die Reissner-Nordström-Lösung beschrieben.

Obwohl eine Raumzeitsingularität in diesen Lösungen vorhanden ist, charakterisiert sie kein Schwarzes Loch. Astrophysiker haben Grund zu der Annahme, dass eine Quantenbehandlung von Raumzeit und Materie im Inneren eines Schwarzen Lochs diese Singularität aufhebt, die näherungsweise als ein Punkt unendlicher Dichte beschrieben werden kann und in dem die Krümmung der Raumzeit ebenfalls unendlich ist. Ein Quantenmodell eines Schwarzen Lochs führt zum Konzept eines Planck-Sterns.

Stellare Schwarze Löcher, supermassive Schwarze Löcher und minitrose Schwarze Löcher

Stellare Schwarze Löcher entstehen durch den gravitativen Kollaps einiger massereicher Sterne, die zu Supernovae explodieren.
Es ist bekannt, dass es im Herzen einiger Galaxien Schwarze Löcher gibt, die als supermassiv bezeichnet werden. Sie enthalten ein paar Millionen bis ein paar Milliarden Sonnenmassen. Bisher ist allerdings noch nicht abschließend geklärt wie diese entstehen.

Es könnte auch Mini-Schwarze Löcher aus sehr frühen Phasen des Universums geben. Der Mensch könnte sie durch die Kollision von Teilchen in Beschleunigern erzeugen.

Astrophysiker haben Grund zu der Annahme, dass sich geladene Schwarze Löcher spontan und sehr schnell entladen. Diejenigen, die im Universum existieren, dürften also nur Kerr- oder Schwarzschild-Schwarze Löcher sein.

Eine Präsentation des Erfolgs des Event Horizon Telescope, das soeben das erste Bild eines supermassiven Schwarzen Lochs geliefert hat, das sich im Herzen der elliptischen Galaxie M87 in etwa 53 Millionen Lichtjahren Entfernung von der Milchstraße befindet. Perimeter-Institut für Theoretische Physik (Medienbeschreibung)

Schwarze Löcher: der Physik-Nobelpreis für Chandrasekhar

Subrahmanyan Chandrasekhar sagte in den frühen 1930er Jahr vor allen anderen die Entstehung von Schwarzen Löchern voraus, als er entdeckte, dass ein Stern, dem der Kernbrennstoff ausgegangen war und der eine Masse von mehr als 1,44 Sonnenmassen hatte, in sich selbst kollabieren würde. Obwohl ein solcher Gravitationskollaps manchmal einfach zur Bildung eines Neutronensterns führen könnte, kann er auch zur Entstehung eines Schwarzen Lochs führen, wie Robert Oppenheimer und George Volkoff mit Hartland Snyder zeigten.

Die Theorie der Schwarzen Löcher war Gegenstand einer beeindruckenden Arbeit von Chandrasekhar in den 1970er Jahren. Zusammen mit seiner Entdeckung, der heute so genannten „Chandrasekhar-Masse“, war sie einer der Gründe für seinen Nobelpreis für Physik im Jahr 1983. Wie bei der Verleihung dieses Preises üblich hielt der Preisträger einen Vortrag. Am Ende seines Vortrags machte der große indische Astrophysiker einige faszinierende Bemerkungen über die mathematische Theorie der schwarzen Löcher:

„Ich weiß nicht, ob die volle Bedeutung dessen, was ich gesagt habe, klar ist. Lassen Sie mich das erklären. Schwarze Löcher sind makroskopische Objekte mit Massen von einigen Sonnenmassen bis hin zu Milliarden von Sonnenmassen. Wenn sie als stationär und isoliert betrachtet werden können, werden sie alle, jedes einzelne von ihnen, genau durch die Kerr-Lösung beschrieben. Dies ist der einzige bekannte Fall, in dem wir eine exakte Beschreibung eines makroskopischen Objekts haben.

Die makroskopischen Objekte, die uns umgeben, werden von einer Vielzahl von Kräften beherrscht, die durch verschiedene Näherungen mehrerer physikalischer Theorien beschrieben werden. […] Im Gegensatz dazu sind die einzigen Bausteine der Schwarzen Löcher unsere Grundbegriffe von Raum und Zeit. Sie sind damit, fast per Definition, die perfektesten makroskopischen Objekte im Universum. Und da uns die allgemeine Relativitätstheorie eine Familie von Lösungen liefert, deren Beschreibung von nur zwei Parametern abhängt, sind sie auch die einfachsten Objekte im Universum.”

Schwarze Löcher: Hawking-Strahlung

Die folgenden Überlegungen gehen von der Theorie aus, dass alle Informationen, die in Objekten enthalten sind, die in ein Schwarzes Loch fallen (angefangen bei denen, die in einem Stern enthalten sind, der sich in ein Schwarzes Loch verwandelt), definitiv zerstört oder zumindest unzugänglich sind. Ein Schwarzes Loch sollte also über Entropie verfügen und wie jedes Objekt mit Entropie sollte es Temperatur haben und strahlen. Zu diesem Schluss kam Stephen Hawking, als er die Quantenmechanik auf Schwarze Löcher anwandte und entdeckte, dass sie Strahlung in der Art eines erhitzten schwarzen Körpers aussenden sollten.

Schwarze Löcher sollten daher durch Hawking-Strahlung verdampfen. Allerdings stützt bis heute keine Beobachtung diese Theorie, obwohl sie auf der Basis der aktuellen theoretischen Physik sehr solide erscheint. Sie führt jedoch zu Paradoxien, wie dem Informationsparadoxon und dem Firewall-Paradoxon, deren Lösungen die Physik revolutionieren würden.

Astrophysiker versuchen nachzuweisen, dass Objekte, die sich wie Schwarze Löcher verhalten, auch wirklich welche sind, d.h. einen Ereignishorizont haben. Die Untersuchung von Gravitationswellen, die von der Verschmelzung von Schwarzen Löchern ausgesendet werden, mit Ligo-, aber vor allem mit eLisa- und vielleicht auch mit dem Event Horizon-Telescope (EHT), könnte uns Antworten auf dieses Thema liefern. Ligo entdeckte 2015 zum ersten Mal Wellen, die von einer solchen Verschmelzung eines Schwarzen Lochs direkt auf der Erde ausgesendet wurden, und Mitglieder der EHT-Kollaboration enthüllten am 10. April 2019 ein erstes Bild eines supermassiven Schwarzen Lochs mit seinem Ereignishorizont. Das Bild zeigt das Schwarze Loch im Zentrum der Galaxie M87 und stimmt mit dem überein, was Jean-Pierre Luminet 1979 erstmals am Computer vorhergesagt hat.

Urhebender Autor: Laurent Sacco