Im Sommer 2012 galt es schon als fast sicher, dass am Teilchenbeschleuniger LHC des CERN bei Genf nach vielen an­stren­gen­den Jahren der Forschung endlich das Higgs-Teilchen entdeckt worden war. Es verleiht den Elementarteilchen ihre Masse.

Und Masse obsiegt auf große Distanzen über die nur auf atomaren Längen wirksame schwache und starke Kraft, aber auch über die weitaus stärkere elek­tro­mag­ne­ti­sche Kraft mit ihrer unbegrenzt gro­ßen Reichweite, denn alle Materie ist schon über kleine Raumbereiche gemittelt elek­trisch neutral und damit elektromagnetisch kräftefrei.

Sterne sind große Materieansammlungen mit einer hohen Masse. Sie stürzen allein deswegen nicht sofort unter dem Einfluss ihrer eigenen Schwerewirkung in sich zusammen, weil der elektromagnetische Druck in ihrem Innern ­dies verhindert. Dieser Druck baut sich auf bei der Verschmelzung von Atomen. Dabei wird Energie in Form von Photonen freigesetzt, den Überträgern der elektromagnetischen Kraft.

Allerdings hat dieses Gleichgewicht aus Schwerkraft und Strahlungsdruck ein Ende, wenn im Stern der Brennstoff zur Neige geht. Dann gewinnt nämlich die Schwerkraft die Oberhand und der Stern beginnt zu kollabieren. Ist seine Masse dabei größer als rund acht Sonnenmassen, gibt es kein Halten mehr. Er schrumpft und schrumpft, bis sogar die letzte Barriere, das quantenmechanische Pauli-Verbot, unwirksam wird. In der Folge steigt die Dichte des ausgebrannten kollabierenden Sterns über jedes Maß.

Cygnus X-1 – Schwarzes Loch mit Akkretionsscheibe
© NASA / CXC / Melissa Weiss
(Ausschnitt)
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Die Akkretionsscheibe um das Schwarze Loch von Cygnus X-1 ist so heiß, das sie sogar Röntgenstrahlung aussendet (künstlerische Darstellung). Das Schwarze Loch hat eine Masse von rund 15 Sonnen und bildet mit einem blauen massereichen Stern (rechts) ein Doppelsternsystem.

Fluchtgeschwindigkeit

Um das Schwerefeld der Erde zu verlassen, ist bereits eine Geschwindigkeit von 11,2 Kilometern pro Sekunde erforderlich. Bei Neutronensternen, jenen kompakten Sternenresten, deren Ausgangsmasse niedriger als acht Sonnenmassen ist, liegt sie bereits in der Größenordnung von 100 000 Kilometern pro Sekunde, ei­nem Drittel der Lichtgeschwindigkeit.

Oberhalb der Acht-Sonnenmassen-Grenze kollabieren ausgebrannte Sonnen immer weiter und unterschreiten im Verlauf eine bestimmte Grenze, den so genannten Schwarzschild-Radius. Bei solchen

Objekten ist die Dichte derart hoch, dass die Fluchtgeschwindigkeit 300 000 Kilometer pro Sekunde erreicht, also Lichtgeschwindigkeit. Kein Licht kann dem Stern nun mehr entkommen, denn es ist trotz seiner hohen Geschwindigkeit zu langsam6 – ein Schwarzes Loch ist entstanden.

Der Radius, an dem die Fluchtgeschwindigkeit gleich der Lichtgeschwindigkeit ist, bleibt konstant, obwohl die kollabierende Masse sich immer noch weiter ihrem Mittelpunkt nähert. Man nennt diese Kugelfläche um den kollabierenden Stern Ereignishorizont, sein Radius trägt den Namen Schwarzschildradius. Er bildet eine nichtmaterielle Grenze zwischen zwei Raumregionen. Gerät Materie über die Grenze hinweg in den inneren Bereich, so ist sie für den äußeren Bereich für immer verloren. Keine wie auch immer geartete Information kann von innen kommend den äußeren Raumbereich erreichen.

Die allgemeine Relativitätstheorie Einsteins lehrt uns, dass Massen den Raum krümmen und die Zeit dehnen. Masse, Raum und Zeit sind in dieser Beschreibung der Wirklichkeit nicht mehr als unabhängig voneinander zu betrachten. Vielmehr bilden sie eine Einheit: die so genannte Raumzeit. Weil keine bekannte Kraft den weiteren Einsturz jenseits des Ereignishorizonts abbremsen könnte, fällt die kollabierende Materie zu einem mathematischen Punkt zusammen. Sehr zum Leidwesen der Astrophysiker, denn es gibt keine physikalische Beschreibung dieser Extremsituation: Im Zentrum herrscht eine unendlich hohe Dichte.

Beobachter im äußeren Raumbereich, also im normalen Universum, stellen fest, dass der Kollaps bei Annäherung an den Ereignishorizont immer langsamer verläuft und schließlich zum Stillstand kommt. Dies ist eine Folge der relativistischen Zeitdehnung. Für uns bleibt dieser Zusammenbruch auf einen Punkt daher unbeobachtbar.

Cygnus X-1 im Sternbild Schwan
© Digitized Sky Survey
(Ausschnitt)
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Die helle Röntgenquelle Cygnus X-1 befindet sich im Sternbild Schwan in rund 6000 Lichtjahren Abstand zur Erde. In der ersten Nachthälfte des Oktobers steht sie nahe des Zenits.

Könnte man nicht eine Raumsonde zu einem Schwarzen Loch entsenden, um es zu beobachten? Oder würde sie, wie gelegentlich behauptet, gleichsam wie von einem Staubsauger angezogen und verschluckt? Solange die Sonde den Ereignishorizont nicht passiert, kann sie ohne Weiteres in einer Umlaufbahn um das Schwarze Loch verbleiben. Es gibt keinen Saugeffekt! Kann man sogar hineinfliegen? Auch das gelingt – jedoch ohne Rückfahrkarte. Insbesondere die extrem massereichen Schwarzen Löcher in den Zentren der Galaxien sind in dieser Hinsicht absolut harmlos. Das Schwarze Loch im Zentrum unseres Milchstraßensystems hat eine Masse von rund vier Mil­lio­nen Sonnenmassen. Sein Schwarzschildradius beträgt daher immerhin rund acht Prozent des Abstands Erde–Sonne, etwa zwölf Millionen Kilometer. Die den Ereignishorizont durchdringende Sonde würde dabei nichts Außergewöhnliches messen.

Spagettisierung

Masseärmere Schwarze Löcher sind in dieser Hinsicht nicht so ungefährlich. Bei Annäherung an ein stellares Schwarzes Loch, wie es bei manchen Supernova-Explosionen entsteht, beginnt die Gezeitenkraft immer stärker zu wirken und der so genannte Spagetti-Effekt tritt ein. Die Gezeitenkraft beschreibt die unterschiedliche Wirkung der Anziehungskraft etwa auf einen Astronauten, dessen Füße näher beim Schwarzen Loch sind als sein Kopf. Die Differenz in der Anziehungskraft ist in dem Fall so groß, dass er unaufhaltsam in die Länge gezogen und zu einem Spagetti-Faden wird – mit Sicherheit ein schrecklicher Tod.

Die Existenz Schwarzer Löcher lässt sich aus der allgemeinen Relativitätstheorie folgern, doch woher wissen wir eigentlich, dass es sie wirklich gibt? Wie können wir sie beobachten, wenn sie doch eigentlich im besten Sinn des Worts schwarz sind? Die Lösung liegt darin, ihren Einfluss auf ihre Umgebung zu erkunden. Am Schwarzen Loch vorbeiziehende Sterne zeigen Bahnänderungen, die auf eine große unsichtbare Masse hinweisen. Ein anderer Effekt tritt auf, wenn ein Stern bei zu großer Annäherung von den Gezeitenkräften zerrissen wird und bei der Aufheizung Röntgenstrahlung aussendet. Ebenfalls nachweisbar ist eine so genannte Ak­kre­tions­schei­be, die um ein Schwarzes Loch entsteht, wenn Materie in seine Richtung fällt und der Drehimpuls sie in eine Umlaufbahn zwingt. Dabei heizt sich die Materie äußerst stark auf.

Einen Hinweis auf extrem massereiche Schwarze Löcher von mehreren Milliarden Sonnenmassen zeigen die Quasare. Das sind die Kerne junger Galaxien zu Beginn unseres Universums. Sie sind so hell, dass nur die beinahe vollständige Umwandlung von Materie in Energie die Ursache sein kann. Genau dies steht auf dem Steckbrief der Schwarzen Löcher.

Bezüglich des eingangs erwähnten Teilchenbeschleunigers LHC ging zeitweise die Furcht um, er könne mikroskopisch kleine Schwarze Löcher erzeugen, welche schließlich die ganze Erde verschlingen. Selbst wenn das Erzeugen gelänge: Diese Miniaturausgaben können nicht wachsen, sondern zerstrahlen in kürzester Zeit komplett. Ihr Schwarzschildradius wäre winzig, die Gezeitenkraft hoch. Beides zusammen führt dazu, dass virtuelle Teilchenpaare, die sonst sofort wieder verschwänden, getrennt werden. Es entsteht die nach ihrem Entdecker benannte Hawking-Strahlung. Sie ist umso heftiger, je kleiner das Schwarze Loch ist. Miniaturausgaben, wie sie beim LHC diskutiert wurden, verdampfen explosionsartig – noch lange bevor sie Schaden anrichten können.