Im Podcast »Die großen Fragen der Wissenschaft« gehen wir den größten Rätseln des Universums auf den Grund. Dieses Interview ist eine gekürzte und angepasste Fassung der Folge »Was passiert in einem Schwarzen Loch, Reinhard Genzel?«.

Herr Genzel, woher kommt die große Faszination für Schwarze Löcher?

Im Jahr 1915 stellte Albert Einstein in Berlin seine allgemeine Relativitätstheorie vor. Demnach krümmen Massen die Raumzeit. Ein Jahr später kamen erstmals die Schwarzen Löcher ins Spiel, mitten im Ersten Weltkrieg: Da nahm ein anderer Physiker, Karl Schwarzschild, der zu dem Zeitpunkt als Soldat an der Ostfront diente, Einsteins Feldgleichung in die Hand und löste sie für einen speziellen Fall. Die Berechnungen schickte er Einstein von der Front aus nach Berlin. Darin steht: Sehr geehrter Herr Einstein, ich habe mir Ihre Gleichung angeschaut und eine Lösung gefunden für den Fall, dass das Gravitationsfeld sphärisch-symmetrisch ist. Und erstaunlicherweise ist es dann so, dass im radialen Teil der Raumzeit eine Singularität entsteht.

Und das war die erste theoretische Vorhersage eines Schwarzen Lochs?

So ist es. Das war am Anfang reine Mathematik. 50 Jahre lang haben Theoretiker mit der Gleichung gespielt. Dabei wurde immer klarer: Wenn die Raumzeitkrümmung oder – in der newtonschen Weise formuliert – die Dichte des Gravitationsfelds immer größer wird, dann gibt es eine Grenze, ab der das Licht nicht mehr entkommen kann. Und das kann man wieder dank Einstein verstehen, der ja schon in seiner speziellen Relativitätstheorie von 1905 die Äquivalenz von Energie und Masse gezeigt hatte.

E = mc², die berühmte Formel …

Genau. Und wenn wir noch hinzunehmen, dass sich Physiker zur selben Zeit das Licht als Teilchen vorstellten, dann ist klar: Licht hat Energie, also muss es auch der Gravitation unterliegen. Und wenn die Gravitation zu groß wird, kommt selbst das Licht nicht mehr weg.

Mathematisch gesehen sind Schwarze Löcher Singularitäten. Was sind sie aus physikalischer Sicht?

Eine Frage der Kommunikation: Wenn ich aus einem Schwarzen Loch heraus ein Signal an Sie schicken möchte, habe ich Pech, weil das Licht oder die Information nicht herauskommen wird. Und wenn Sie umgekehrt mutig in eine Rakete steigen und zum Schwarzen Loch fliegen, dann stoßen Sie irgendwann durch den Ereignishorizont. Ab dann können Sie nicht mehr zurückfunken, aber Sie können auch nicht mehr anhalten. Sie fliegen einfach weiter, angezogen von der Gravitation. Und am Ende der Reise landen Sie im Zentrum des Schwarzen Lochs in einer unendlich hohen Dichte, der Singularität. Das ist eine sehr vertrackte Geschichte, aber das sagt uns die Theorie.

Was genau kennzeichnet den Ereignishorizont?

Wenn Sie noch weit genug weg sind von einem Schwarzen Loch, dann ist es wegen der Gravitationsanziehung zwar nicht leicht, sich von dort zu entfernen, aber es klappt noch. Wenn Sie allerdings am Ereignishorizont oder noch näher am Zentrum des Schwarzen Lochs sind, kommen Sie nicht mehr weg. Die Geschwindigkeit, die Sie dafür haben müssten, wäre größer als die Lichtgeschwindigkeit, und das geht nicht.

Und noch einmal ganz genau: Was ist die Singularität?

Ein Punkt, in dem die Dichte der Energie oder der Masse unendlich hoch ist. Das ist nicht vorstellbar für uns. So etwas kennen wir nicht. Doch mathematisch betrachtet ist es ganz einfach.

Aber ist es tatsächlich ein Punkt ohne jede Ausdehnung? Oder welche Größe können reale Schwarze Löcher haben?

Diese Frage lässt sich nur experimentell beantworten. Das Problem ist jedoch, dass sich diese Struktur – was auch immer es ist, ein Punkt oder etwas anderes – mit diesem Horizont umgibt, hinter den wir niemals schauen können.

Hat ein Schwarzes Loch denn in jedem Fall eine Kugelgestalt, egal wie groß seine Ausdehnung nun ist – oder könnte es zum Beispiel auch kartoffelförmig sein?

Es gibt eine Theorie, die der Neuseeländer Roy Kerr rund 50 Jahre nach Schwarzschild aufgestellt hat. Kerr ließ zu, dass sich ein Schwarzes Loch auch um sich selbst drehen kann. Und sobald ein Schwarzes Loch einen Drehimpuls hat, ist die Singularität nicht mehr rund, sondern hat eine Form.

»Wir können die Eigenschaften der Singularität, die dort sein soll, nicht bestimmen, weil wir da nicht reinkommen und nicht wieder rauskommen«

Also kein Punkt?

Darauf kann Ihnen kein Physiker eine Antwort geben. Wir haben zwar in den zurückliegenden 50 Jahren unglaubliche Fortschritte bei Nachweisen gemacht, dass die allgemeine Relativitätstheorie richtig ist – und es Schwarze Löcher in der Tat gibt. Aber wir können die Eigenschaften der Singularität, die dort sein soll, nicht bestimmen, weil wir da nicht reinkommen und nicht wieder rauskommen.

Woher wissen wir denn, dass es Schwarze Löcher wirklich gibt?

Der erste Nachweis gelang paradoxerweise aufgrund von Lichterscheinungen: Wenn ein Schwarzes Loch Materie aufsaugt – Sterne, Gas, was auch immer –, wird diese extrem aufgeheizt und sendet, kurz bevor sie den Ereignishorizont überquert, enorme Energiemengen aus. Diese Strahlung können wir beobachten: Als in den 1950er- und 1960er-Jahren die Radioastronomie aufkam, sah man auf einmal sehr helle, fast punktförmige Objekte, die bis zu dem Zeitpunkt unbekannt waren: Wir nennen sie heute Quasare. Im sichtbaren Spektralbereich sehen sie aus wie ganz kleine Sternlein, im infraroten Spektralbereich jedoch haben sie stark rotverschobene Spektrallinien, was anzeigt, dass sie extrem weit entfernt sind. Wenn man die Entfernung herausrechnet, ergibt sich eine Leuchtkraft, die rund 1000-mal größer ist als die der gesamten Milchstraße. Und die hat immerhin 100 bis 1000 Milliarden Sterne. Das stellt uns vor die Frage: Wie kann derart viel Energie aus einem so kleinen Objekt herauskommen? Und dann folgerten die Theoretiker einige Zeit nach der Entdeckung der Quasare, dass es Schwarze Löcher sein könnten, die Materie verschlingen und dabei gewaltige Energiemengen freisetzen.

Aber das war ja noch kein Beweis.

Keinesfalls. Für einen Beweis hätte man den Bereich, von dem derart viel Energie abgestrahlt wird, direkt auflösen und sehen müssen. Am besten sogar die Bewegung des Materials, also des Gases oder der Sterne. Doch das war in den 1960er-Jahren noch hoffnungslos.

»Es hat sehr lange gedauert, aber heute gibt es keinen Zweifel mehr an der Existenz Schwarzer Löcher«

Inzwischen ist die Astronomie aber so weit …

Ja, aber es hat noch einmal 50 Jahre gedauert, bis wir Schwarzen Löchern mit drei verschiedenen Methoden auf den Leib rücken konnten. Zunächst mit radioastronomischen Beobachtungen von Quasaren. Dann über Sternbewegungen im galaktischen Zentrum der Milchstraße – hier war ich wesentlich beteiligt – und schließlich noch mit Gravitationswellen. Es hat sehr lange gedauert, doch heute gibt es keinen Zweifel mehr an der Existenz Schwarzer Löcher.

Wie hängen Gravitationswellen und Schwarze Löcher zusammen?

Stellen Sie sich einen Stern vor und nehmen Sie einmal an, dass Sie so viel Kraft haben, dass Sie den Stern immer wieder zusammendrücken können, sodass er gewissermaßen vibriert. Seine Masse wird periodisch beschleunigt. Die Raumzeitumgebung des Sterns reagiert dann, indem sie ebenfalls vibriert. Der Raum wird immer wieder gestaucht und gestreckt. Es entsteht eine Welle der Raumzeit, eben eine Gravitationswelle. Bei Schwarzen Löchern sind diese Wellen noch extremer. Der erste Nachweis von Gravitationswellen im Jahr 2016 ging auf die Kollision zweier Schwarzer Löcher zurück, die anschließend zu einem einzigen, größeren Schwarzen Loch verschmolzen sind.

Welche Frage zu Schwarzen Löchern wollen Sie als Nächstes klären?

Wie Schwarze Löcher entstanden sind. Hier helfen uns die statistischen Erhebungen der letzten 30, 40 Jahre: Wir sehen, dass Quasare umso stärker werden, je weiter man sich von ihnen entfernt, und dass ihre Eigenschaften mit der Zeit immer extremer werden, genauso wie Galaxien mit zunehmender Entfernung extremer werden.

Woran liegt das?

Unsere derzeitige Vorstellung ist, dass die Galaxien durch Einfall von Materie wachsen – und die Schwarzen Löcher in ihren Zentren in gleichem Maße mit.

Das Schwarze Loch frisst also Materie und wächst dadurch?

Ja, das ist alles sehr plausibel, und wir haben das inzwischen mehrfach beobachtet: in weit entfernten Quasaren, im Zentrum unserer Milchstraße und auch in sogenannten stellaren Schwarzen Löchern, die aus schweren Sternen entstehen. Aber vieles ist auch noch unklar. Zum Beispiel wissen wir noch nicht, ob es rotierende Schwarze Löcher gemäß der Theorie von Kerr gibt. Allerdings habe ich die Hoffnung, dass wir das innerhalb der nächsten 15 Jahre hinbekommen.

Gehen Sie davon aus, dass es in jeder Galaxie ein Schwarzes Loch gibt?

Mindestens eines, jedenfalls oberhalb einer Minimalmasse für Galaxien. Nur wenn man sich sehr kleine Galaxien anschaut, kann man sich schon fragen, ob da überhaupt ein Schwarzes Loch drin ist. Das ist durchaus eine wichtige Forschungsfrage.

Aber wieso mindestens ein Schwarzes Loch?

Weil manchmal Galaxien zusammenstoßen. Wir und die Andromeda-Galaxie, unsere nächste große galaktische Nachbarin, kollidieren in etwa zwei bis vier Milliarden Jahren. Und die beiden Schwarzen Löcher in den Zentren werden im Lauf der Zeit immer näher zusammenkommen, um dann irgendwann ein einziges, noch größeres Schwarzes Loch zu bilden.

Die fressen sich gegenseitig?

Die fressen sich gegenseitig und nehmen dabei an Masse zu. So etwas sehen wir tatsächlich vereinzelt im Universum. Es sind aber seltene Ereignisse. Pro Galaxie passiert das im statistischen Mittel nur alle drei bis vier Milliarden Jahre.

Was hat es mit stellaren Schwarzen Löchern auf sich?

Sie entstehen, wenn schwere Sterne am Ende ihres Lebens explodieren. Die Umwandlung von Wasserstoff zu Helium, also die Kernfusion im Stern, funktioniert nicht mehr, weil der Wasserstoff aufgebraucht ist. Und dann kollabiert der Stern aufgrund der Gravitation zu einem Schwarzen Loch von 10 bis 100 Sonnenmassen. Zum Vergleich: Sagittarius A*, das Objekt im galaktischen Zentrum des Sonnensystems, ist Millionen Sonnenmassen schwer. Und bei Quasaren sind wir bei Milliarden von Sonnenmassen. Es gibt also verschiedene Klassen von Schwarzen Löchern, die durch verschiedene Prozesse entstanden sind, vielleicht auch zu verschiedenen Zeiten.

»Das Wachstum der Schwarzen Löcher und die Zunahme der Masse einer Galaxie sind in etwa miteinander korreliert«

Wann sind die ersten Schwarzen Löcher entstanden – schon so in der allerersten Frühgeschichte des Universums?

Diese Frage steht gerade an der Spitze der Forschung. Das Wachstum der Schwarzen Löcher und die Zunahme der Masse einer Galaxie sind in etwa miteinander korreliert. Gab es also einen Moment im frühen Universum, zu dem noch kein Schwarzes Loch da war? Oder sind die Schwarzen Löcher bereits im Urknall entstanden? Das wird Astronomen und Physiker in den nächsten Jahren intensiv beschäftigen.

Im Jahr 2024 haben Forscher mit dem James-Webb-Space-Teleskop sogenannte »little red dots« entdeckt: kleine rote Punkte aus der absoluten Frühzeit des Universums. Könnten das wachsende, supermassereiche Schwarze Löcher sein?

Meine Forschungsgruppe sowie meine Nachfolger werden versuchen, das in den nächsten zehn Jahren mit noch besseren Instrumenten herauszufinden. Ich glaube, wir haben da eine gute Chance. Europa hat schon jetzt in Chile die fähigsten Teleskope der Welt im Optischen und im nahen Infrarot. In vier Jahren werden wir sogar das größte Teleskop der Welt in Betrieb nehmen – das Extremely Large Telescope mit 40 Metern Durchmesser. Außerdem nutzen wir inzwischen Techniken aus der Radioastronomie – die Interferometrie –, um sogar noch größere Teleskope zu bilden, indem man mehrere miteinander verschaltet. Damit wollen wir diese »little red dots« anschauen und herausfinden: Sind das kompakte Schwarze Löcher aus der Frühzeit des Universums, die jetzt gerade anfangen zu wachsen? Eine unglaublich spannende Geschichte! Kaum zu glauben für mich, dass das alles während meiner Lebenszeit passiert.

Was waren Ihre ersten eigenen Begegnungen mit Schwarzen Löchern?

Ich habe Radioastronomie studiert. Das war damals in Deutschland das Modernste, was man tun konnte. Das Wetter bei uns ist ja nicht so günstig wie in Chile; auch ist es nicht dunkel genug. Deshalb ist optische Astronomie in Deutschland nicht die beste. Aber Radioastronomie kann man gut betreiben. In der Eifel haben wir ein Riesenteleskop, das Radioteleskop Effelsberg mit einer Öffnungsweite von 100 Metern. Mit ihm haben wir erste Messungen von akkretierenden, das heißt wachsenden Schwarzen Löchern vorgenommen. Dann ging ich in die USA und hatte das große Glück, in Berkeley in die Gruppe des weltberühmten Physikers Charles Townes zu kommen. Er hatte 1964 den Nobelpreis für die Entwicklung des Lasers und des Masers erhalten. Als ich bei ihm war, war er gerade dabei, erste Experimente zu entwerfen, mit denen man das galaktische Zentrum der Milchstraße in relativ hoher Auflösung anschauen könnte. Und dann haben wir begonnen, Jagd auf das Material in der Umgebung des vermuteten Schwarzen Lochs im Zentrum der Milchstraße zu machen. Wir haben studiert, wie schnell sich Sterne dort bewegen und wie sie immer näher und näher an das Zentrum rücken. Und über eine Spanne von insgesamt 40 Jahren haben wir es geschafft. Vorhersehbar war das nicht. Wir haben dabei auch wahnsinnig viel Glück gehabt.

Woher kommt der Name Sagittarius A* für das schwarze Loch im galaktischen Zentrum?

Der stammt aus der Radioastronomie. Das Zentrum unserer Galaxie liegt im Sternbild Schütze (Sagittarius). Von Bayern aus kann man es gerade mal ein paar Stunden pro Tag im Sommer sehen. In Chile jedoch ist es die ganze Nacht über sichtbar – allerdings nicht im optischen Bereich. Zwar ist das Milchstraßenzentrum nur etwa 29 000 Lichtjahre entfernt – in astronomischen Entfernungsmaßstäben also quasi um die Ecke –, aber es liegt Staub davor. Es brauchte deshalb erst neue Instrumente: zunächst im Radiobereich, dann im Röntgenbereich und schließlich im Infrarotbereich – hier war ich dann beteiligt –, um mit immer besserer Auflösung die Objekte anzuschauen. Die Radioastronomen aber waren die Ersten, die einzelne Objekte in Sagittarius sehen konnten, und die hellste Radioquelle haben sie Sagittarius A* genannt.

»Wir waren zwar im Wettbewerb miteinander, haben aber dasselbe gefunden – das erhöht die Glaubwürdigkeit«

Im Jahr 2020 sind Sie mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet worden, zusammen mit zwei Kollegen: Ihrer Konkurrentin Andrea Ghez, mit der Sie sich einen jahrelangen Wettlauf um den empirischen Nachweis des Schwarzen Lochs im galaktischen Zentrum geliefert hatten, sowie mit Roger Penrose für seine theoretischen Arbeiten. Warum diese Auswahl?

Der Wettbewerb zwischen unserer Gruppe in München und der Gruppe von Andrea Ghez in Kalifornien war wichtig, denn er hat wesentlich dazu beigetragen, dass den Messergebnissen, die wir hatten und die dann im Lauf der Jahre immer präziser wurden, geglaubt wurde. Wir waren zwar im Wettbewerb miteinander, haben aber dasselbe gefunden – das erhöht die Glaubwürdigkeit. Die Theoriebildung hat freilich schon weit vor Roger Penrose mit Einstein eingesetzt, doch Penrose hat sie quasi abgeschlossen. Andere haben den Nobelpreis nicht bekommen, da gehört immer auch eine Portion Glück zu.

Gab es einen bestimmten Moment, in dem Ihnen klar wurde, dass da tatsächlich ein Schwarzes Loch im Zentrum der Milchstraße lauern muss?

Nein, dafür hat das alles zu lange gedauert. Schon als ich mit Charles Townes in den 1980er-Jahren zusammenarbeitete, haben wir in Publikationen geschrieben, dass wir ziemlich sicher seien, dass Sagittarius A* ein Schwarzes Loch ist. Nur haben uns das die Leute noch nicht geglaubt. Das bedeutete: noch mal ranklotzen, noch bessere Experimente machen. Es hat dann erneut 20 Jahre gedauert, bis wir die Qualität der Messungen so weit getrieben hatten, dass wirklich alle sagten: Wenn das sogar zwei Gruppen unabhängig voneinander sehen, dann könnte das wirklich wahr sein.

Gab es umgekehrt Durststrecken in Ihrer jahrzehntelangen Forschung, wo Sie sich gefragt haben, ob Sie nicht auch mal etwas ganz anderes machen sollten?

Nein, aber andere haben zu mir gesagt: Reinhard, wir glauben dir ja, dass da ein Schwarzes Loch ist, aber warum musst du denn immer noch weitermachen damit? Das ist ja furchtbar, du machst ja nichts anderes mehr. Aber wissen Sie, die Instrumente, die wir gebaut haben, sind für mich das Wichtigste. Und die haben wir auch für andere Fragen benutzt, etwa wie sich Galaxien gebildet haben. Also, wir hatten nie Langeweile. Es war wirklich eine tolle Zeit.

Können Schwarze Löcher eigentlich auch in großen Teilchenbeschleunigern entstehen? Bevor der Large Hadron Collider am CERN in Genf in Betrieb genommen wurde, befürchteten manche das.

Das wurde damals tatsächlich diskutiert. Man dachte, unter bestimmten Bedingungen könnten bei Kollisionen Mini-Schwarze-Löcher oder Mikro-Schwarze-Löcher entstehen. Das wiederum müsste man durch sogenannte Hawking-Strahlung sehen. Doch das ist nicht passiert.

»Ein kleines Teilchen, das sich innerhalb des Ereignishorizonts befindet, hat eine bestimmte quantenmechanische Wahrscheinlichkeit, da herauszukommen«

Was hat es mit der Hawking-Strahlung auf sich?

In der Quantenmechanik gibt es die heisenbergsche Unschärferelation. Die erlaubt es, dass Dinge auf kleinster Skala passieren können, die in der klassischen Physik nicht möglich sind. Zum Beispiel kann ein Elektron, das innerhalb eines Atoms sitzt, auf einmal auch außerhalb des Atoms sein. Das nennt man Tunneln. Und das geht auch bei einem Schwarzen Loch: Ein Teilchen, das sich innerhalb des Ereignishorizonts befindet, hat eine bestimmte quantenmechanische Wahrscheinlichkeit, da herauszukommen, und diese hat Stephen Hawking in den 1970er-Jahren ausgerechnet. Jene Teilchen, die dem Schwarzen Loch auf diese Weise tatsächlich entkommen, bilden die Hawking-Strahlung. Dabei handelt es sich um thermische Strahlung: Je größer die Masse des Objekts, desto kälter die Strahlung. Dieser Theorie nach müsste das Schwarze Loch im Zentrum unserer Milchstraße wie eine Lampe aussehen, die eine Temperatur von 10^–40 Kelvin hat.

Eiskalt …

Eiskalt, also da kommt nicht viel raus. Aber wenn im LHC ein winziges Schwarzes Löchlein mit viel geringerer Masse entstehen würde, dann zerfiele das mit Hawking-Strahlung sehr schnell, und diese wärmere Strahlung könnte man vielleicht nachweisen.

Das Beispiel zeigt aber, dass Schwarze Löcher einen Bezugspunkt für Relativitätstheorie und Quantenmechanik darstellen können. Was hat es da mit dem Informationsparadoxon auf sich? In der Quantenmechanik kann eine Information nicht verloren gehen, aber vom Schwarzen Loch wird Information ja aufgesaugt, wie Sie eingangs darlegten …

Machen wir ein Experiment nach Einstein: Sie beide bauen jeweils ein Schwarzes Loch. Einer nimmt dafür lauter Volkswagen, der andere lauter BMWs. Alle paar Stunden lassen Sie einen weiteren VW oder eben BMW in Ihr jeweiliges Schwarzes Loch hineinfallen. Die einzige Bedingung, die ich als Juror dieses Experiments stelle, ist, dass am Ende exakt dieselbe Masse entsteht, zum Beispiel genau eine Sonnenmasse. Dann würde die allgemeine Relativitätstheorie sagen: Die beiden entstehenden Objekte können Sie nicht unterscheiden. Aber laut Quantenmechanik müsste das sehr wohl gehen, weil die Volkswagen andere Quanteneigenschaften haben als die BMWs. Das könne man schon unterscheiden, man müsste halt nur nachschauen. Nur wie denn? Wo ist denn diese Quanteninformation? Das ist eine Diskussion, die unter theoretischen Physikern seit 25 Jahren wild tobt. Da kursieren inzwischen ungefähr 60 verschiedene Theorien. Mal ist die eine beliebt, mal die andere. Einige von ihnen gehen davon aus, dass die Hawking-Strahlung diese herauskommende Information darstellt. Dann wäre sie nicht nur thermische Strahlung, die etwas über die Masse des Schwarzen Lochs aussagt, sondern sie würde auch etwas über die VWs und die BMWs aussagen.

Könnte es dann auch Weiße Löcher geben, die Materie ausspucken, statt sie zu verschlucken?

Ja, das ist gerade die Hawking-Strahlung für mich.

Das hieße dann ja, dass Schwarze und Weiße Löcher das Gleiche sind.

Absolut. Die Quantenmechanik erlaubt es einem Schwarzen Loch, auch gleichzeitig weiß zu sein. Aber eben auf geringster Ebene. Das dürfen Sie sich nicht so vorstellen, dass es montags schwarz ist und mittwochs weiß. So ist es nicht. Doch es gibt eine Konfiguration Weißer Löcher – nämlich über Strahlung, die aus dem Schwarzen Loch herauskommen kann.

Seit Langem ist die Physik auf der Suche nach einer Vereinheitlichung aller Wechselwirkungen. Wenn Schwarze Löcher sowohl Betrachtungsobjekte der Quantenmechanik als auch der allgemeinen Relativitätstheorie sind, sind das dann die Objekte, die dazu berufen sind, die Weltformel zu finden?

Die grundlegenden Aussagen der allgemeinen Relativitätstheorie über Schwarze Löcher sind inzwischen empirisch gut belegt. Doch manches, etwa den Ereignishorizont, haben wir noch nicht im Detail betrachtet. Das werden wir aber in den nächsten 20 Jahren tun, da bin ich sicher. Und wenn wir über die Messungen nahe genug herankommen an ein Schwarzes Loch, dann wird es spannend: Gibt es Abweichungen von der Theorie? Das wäre dann ein guter Input für die Suche nach einer Weltformel.