Wie entstehen eigentlich Schwarze Löcher?

Herkömmlicherweise ist ein stellares Schwarzes Loch das Lebensende eines großen Sternes. Dafür muss dieser Stern relativ massereich gewesen sein. Hatte er vor dem Verbrauch seines Brennstoffes die 25-fache bis 40-fache Masse unserer Sonne, bleibt nach der finalen Supernova-Explosion genug Masse übrig, um ein Schwarzes Loch zu erzeugen.

Gibt es noch andere Arten von Schwarzen Löchern?

Neben den oben erwähnten stellaren Schwarzen Löchern existieren möglicherweise noch mittelschwere Schwarze Löcher mit Massen von einigen Hundert bis wenigen Tausend Sonnenmassen. Astrophysiker vermuten, dass sie das Ergebnis von Verschmelzungen sehr massereicher Sterne sind. Vorläufig sind diese mittelschweren Schwarzen Löcher aber noch weitgehend theoretischer Natur. Darüber hinaus halten es Astrophysiker für möglich, dass es sogenannte primordiale Schwarze Löcher geben könnte, die bereits beim Urknall entstanden sind.

Wie groß kann ein Schwarzes Loch werden?

Wissenschaftlich abgesichert ist die Existenz von supermassiven Schwarzen Löchern, die im Zentrum von Galaxien sitzen. Ihre angenommenen Massen bewegen sich zwischen einigen Millionen bis mehreren Milliarden Sonnenmassen. Ob letztlich alle Galaxien solche Schwerkraftmonster beherbergen, ist nach wie vor unklar. Vieles spricht jedoch dafür, dass sich auch im Zentrum unserer Milchstraße ein solches supermassives Schwarzes Loch befindet, Astronomen bezeichnen es als Sagittarius A*. Bisherige Messungen lassen darauf schließen, dass es über vier Millionen Sonnenmassen schwer ist – und doch eher klein im Vergleich zu anderen supermassiven Schwarzen Löchern.

Das nun vom Event Horizon Telescope (EHT) abgebildete galaktische Schwarze Loch im Zentrum der aktiven Riesengalaxie Messier 87 (rund 55 Millionen Lichtjahre entfernt) besitzt eine Masse von 6,5 Milliarden Sonnenmassen und hat einen Durchmesser von etwa 40 Milliarden Kilometern. Zum Vergleich: Der Durchmesser der Pluto-Umlaufbahn beträgt rund zwölf Milliarden Kilometer.

Seit wann weiß man von Schwarzen Löchern?

Die Vorstellung von Schwarzen Löchern ist keineswegs neu: Bereits Ende des 18. Jahrhunderts spekulierte der britische Astronom John Michell über astronomische Objekte, deren Fluchtgeschwindigkeit gleich der Lichtgeschwindigkeit ist und die somit Licht nicht entkommen lassen. Ihre moderne Basis erhält diese Hypothese mit Albert Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie, der zufolge kompakte Massen die Raumzeit so stark krümmen können, dass ihre Anziehung alles verschluckt, was den Ereignishorizont eines solchen Objektes passiert hat. Doch auch Einstein konnte sich nicht wirklich mit dieser Idee anfreunden. 1939 veröffentlichte er einen Artikel, in dem er beweisen wollte, dass Schwarze Löcher – damals noch nicht so bezeichnet – unmöglich seien. Den Begriff "Black Hole", also "Schwarzes Loch", etablierte erst der US-Physiker John Archibald Wheeler im Jahr 1967.

Im Zusammenhang mit Schwarzen Löchern ist vom Schwarzschild-Radius die Rede. Was hat es damit auf sich?

Die Bezeichnung geht auf den deutschen Astronomen Karl Schwarzschild zurück, der auch kurz an der Wiener Kuffner-Sternwarte arbeitete. Schwarzschild nahm sich der Ideen Einsteins während des Ersten Weltkriegs noch einmal an und errechnete, wie groß der Radius eines Objektes sein müsste, wenn es so massereich ist, dass selbst Licht seiner Gravitationskraft nicht mehr entrinnt. Der Schwarzschild-Radius bezeichnet bei sogenannten statischen Schwarzen Löchern den Ereignishorizont. Alles, was sich dahinter befindet, ist für Beobachter prinzipiell nicht mehr sichtbar.

Was geschieht im Inneren eines Schwarzen Lochs?

Da niemand hinter den Ereignishorizont blicken kann, lässt sich das allenfalls theoretisch beschreiben – und ist für den menschlichen Verstand nur schwer fassbar: Übersteigt die Gravitationskraft jegliche entgegenwirkenden Kräfte, etwa den thermodynamischen Druck oder die Abstoßung zwischen den Atomen, presst ein sich beschleunigender Prozess die vorhandene Masse auf ein verschwindend geringes Volumen zusammen. In der Folge verzerrt die Gravitation den Raum dramatisch, und auch der Ablauf der Zeit selbst verändert sich: Von außen betrachtet verlangsamt sich dieser Kollaps eigentlich immer mehr, und es scheint, als würde sich das Volumen nie wirklich auf einen Punkt zusammenziehen. Laut der Theorie entsteht unterhalb des Ereignishorizonts, der "Oberfläche" des Schwarzen Lochs, so etwas wie ein Riss im Raum-Zeit-Gefüge, eine Singularität.

Kann wirklich nichts einem Schwarzen Loch entkommen?

Theoretisch können selbst Photonen einem Schwarzen Loch nicht mehr entrinnen, sobald sie den Ereignishorizont passiert haben. Der im Vorjahr verstorbene britische Astrophysiker Stephen Hawking war allerdings anderer Meinung. Nach seiner Ansicht haben Schwarze Löcher auch eine Temperatur und müssten demzufolge eigentlich auch Strahlung abgeben. 1975 veröffentlichte er eine Arbeit, in der er darlegte, dass Schwarze Löcher auf diese Weise sogar allmählich Masse verlieren. Grundlage dieser Hypothese ist die Theorie, dass im Universum fortlaufend Materie-Antimaterie-Teilchenpaare entstehen. Normalerweise vernichten einander diese beiden auch gleich wieder. Passiert das allerdings am Rande eines Schwarzen Lochs, wird einer der beiden Zwillinge sehr vereinfacht gesagt vom Ereignishorizont verschluckt, während das zweite Teilchen ins All entkommt. Besitzt das geschluckte Teilchen eine negative Energie, verliert das Schwarze Loch gleichsam an Masse. Das Ergebnis ist die sogenannte "Hawking-Strahlung". Dass diese jedoch tatsächlich existiert, muss erst beweisen werden.

Was passiert mit einem Menschen, der in ein Schwarzes Loch gerät?

Ein solches Abenteuer wäre eher kein Vergnügen, wie schon Stephen Hawking in seinem Buch "Eine kurze Geschichte der Zeit" beschrieben hat: Nähert man sich einem Schwarzen Loch an, kann man sich auf eine veritable Verlängerung gefasst machen. Da die Gravitationskraft im unmittelbaren Umfeld eines Schwarzen Lochs rasant zunimmt, wirken an den Beinen andere Kräfte als am Kopf. Das Resultat ist eine Streckung in Längsrichtung, gleichsam eine Spaghettifizierung. Gleichzeitig müsste man sich mit dem Höllenfeuer auseinandersetzen, das in der Umgebung des Ereignishorizonts herrscht. Es ist das Resultat der Materie, die das Schwarze Loch mit enormer Geschwindigkeit umkreist und sich dabei in Millionen Grad Celsius heißes Plasma verwandelt. Deshalb sprachen die Physiker bei der Präsentation des ersten Fotos eines Schwarzen Lochs auch von den "Toren der Hölle".

Könnte auch auf der Erde ein Schwarzes Loch entstehen, beispielsweise am Kernforschungszentrum Cern?

Als der Large Hadron Collider (LHC) des Cern bei Genf 2008 in Betrieb genommen wurde, traten in der Folge "Mahner" auf den Plan, die davor warnten, dass die dortigen Experimente ein Schwarzes Loch hervorrufen und letztlich den Weltuntergang einläuten könnten. Diese Aluhut-Theorien sind freilich völliger Unsinn: Laut einigen vereinheitlichten Theorien könnten zwar bei Teilchenkollisionen mit entsprechend hohen Energien sogenannte Schwarze Mikrolöcher entstehen, doch nach denselben Theorien besitzen diese eine nur extrem geringe Lebensdauer. Nichts, was dort oder auch bei jedem anderen Teilchenkollisionsexperiment geschieht, könnte also etwas derart Dramatisches hervorrufen. Tatsache ist, dass Teilchenkollisionen, wie sie am Cern stattfinden werden, am oberen Rand der Erdatmosphäre laufend mit bedeutend höheren Energien stattfinden. Falls dort dabei jemals ein Schwarzes Loch entstanden wäre, hätte uns das vermutlich auffallen müssen. (tberg, 11.4.2019)