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Schwarze Löcher: Hinterm Horizont geht’s weiter?

Schwarze Löcher sind extreme kosmische Gebilde: Nichts, was ihren Ereignishorizont überschritten hat, kann ihnen wieder entkommen. Nun überlegen Forscher, wie man ihnen doch weitere Geheimnisse entlocken könnte.
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Nichts kann ihrem gierigen Schlund je wieder entkommen: Schwarze Löcher sind die ultimativen kosmischen Staubsauger. Sie entstehen, wenn ein schwerer Stern am Ende seiner Lebensdauer kollabiert und die Schwerkraft in seinem Zentrum so groß wird, dass sie so etwas wie ein "Loch" in die Raumzeit reißt. Mehrere Sonnenmassen sind dann in ein Volumen von wenigen Kilometern Durchmesser zusammengequetscht. Bei diesen Gebilden wird die Krümmung der Raumzeit ab einer bestimmten Entfernung so stark, dass sich alles nur noch nach innen bewegen kann. Diese Grenze ist der so genannte Ereignishorizont. Nicht einmal Licht kann ihm entkommen – daher der Name "Schwarzes" Loch.

Zahlreiche Objekte sind den Astronomen bekannt, bei denen es sich nach heutigem Stand der Wissenschaft eigentlich nur um Schwarze Löcher handeln kann. Die einsteinsche Relativitätstheorie beschreibt Raum und Zeit als miteinander verknüpfte Raumzeit. Laut ihren Gleichungen sind extreme Krümmungen in diesem Raumzeit-Kontinuum ebenso möglich wie Schwingungen. Die Schwingungen machen sich als Gravitationswellen bemerkbar, die im vergangenen Jahr erstmals – rund 100 Jahre nach Einsteins Publikation – nachgewiesen werden konnten.

Die Haltung Einsteins hierzu ist interessant: Er hielt damals schon Gravitationswellen für möglich; nur dachte er, sie seien so schwach, dass man sie niemals würde messen können. Schwarze Löcher hingegen hielt Einstein für absurd: Im Jahr 1939 veröffentlichte er sogar einen Artikel in den "Annals of Mathematics", in dem er zu zeigen versuchte, dass es solche Löcher unmöglich geben konnte. Aber auch Einstein irrte hin und wieder. Und es gibt ja durchaus einige Beispiele in der Geschichte der Physik dafür, dass nicht jede mathematisch mögliche Lösung theoretischer Gleichungen in der Natur realisiert ist. Es hat sich allerdings meistens gelohnt, danach zu suchen. Schwarze Löcher sind so ein Fall.

Schwergewichte im Sauseschritt

Schwarze Löcher entstehen am Ende der Lebensdauer sehr schwerer Sterne. Wenn der Brennstoff im Innern aufgebraucht ist und der Stern abkühlt, fällt dieser immer weiter zusammen und wird dabei immer dichter. Besitzt er zu diesem Zeitpunkt noch mehr als die zweieinhalbfache Masse unserer Sonne, so wird seine eigene Schwerkraft so stark, dass die Widerstandskräfte der Materie versagen und das Zentrum des Sterns implodiert. Dabei wird enorm viel Energie freigesetzt: Die äußeren Hüllen explodieren in einer Supernova, sein ultradichtes Zentrum stürzt zum Schwarzen Loch zusammen.

Wenn dieser Kollaps nicht ganz symmetrisch passiert und etwa große Materiemengen in eine bestimmte Richtung ausgestoßen werden, dann erhält das Schwarze Loch einen gehörigen Rückstoß und fliegt in die entgegengesetzte Richtung davon. Ein besonderes Beispiel für einen solchen Irrläufer fanden Astronomen im Jahr 2002. Das Objekt GRO J1655-40 ist in mehrfacher Hinsicht besonders: Es jagt nicht nur mit 400 000 Kilometern pro Stunde quer durch unsere Milchstraße – mehrfach schneller als Sterne in seiner Umgebung. Er hat auch seinen Kompagnon im Schlepptau: Einen weißen Zwergstern, mit dem er vermutlich ein Doppelsternsystem gebildet hatte und der die Supernova "überlebt" hat.

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Computersimulation eines supermassereichen Schwarzen Lochs | Im Zentrum von Galaxien sitzen so genannte "supermassereiche Schwarze Löcher". Sie können Millionen bis Milliarden Sonnenmassen auf die Waage bringen.

Überraschenderweise können sehr viel schwerere Schwarze Löcher noch sehr viel schneller werden. Im Zentrum von Galaxien sitzen so genannte "supermassereiche Schwarze Löcher". Sie können Millionen bis Milliarden Sonnenmassen auf die Waage bringen und sind üblicherweise entsprechend träge. Wenn Galaxien sich vereinigen – ein auf den langen zeitlichen Maßstäben im Kosmos durchaus üblicher Prozess –, dann kommen sich auch die extrem massereichen Schwarzen Löcher im Zentrum der Galaxien irgendwann näher. Da hier enorme Massen auf engstem Raum einander umkreisen, werden auch starke Gravitationswellen freigesetzt.

Falls die beiden Schwarzen Löcher bei dieser Annäherung nun in einer bestimmten Weise rotieren, können bei der Vereinigung extrem starke Gravitationswellen in eine bestimmte Richtung abgestrahlt werden, so dass das frisch entstandene vereinigte Schwarze Loch einen richtigen "Tritt" in die Gegenrichtung abbekommt – und dadurch aus dem Zentrum seiner Galaxie herauskatapultiert wird. "Man kann sich diese Dynamik vorstellen wie einen Sprinkler auf einer Eisfläche", sagt Luciano Rezzolla, der an der Universität Frankfurt zu Schwarzen Löchern forscht. Wenn der Sprinkler das Wasser nicht auf beiden Seiten ganz gleichmäßig herausspritzt, dann eiert er auf dem Eis herum. Dreht man das Wasser erst stark auf und dann plötzlich ganz ab, wird er in eine Richtung weiterrutschen.

Warum haben manche Galaxien riesige Schwarze Löcher, andere keine?

"Unter den richtigen Bedingungen kann das Schwarze Loch dann bis zu mehrere Millionen Kilometer pro Stunde schnell werden", so Rezzolla. Das ist sogar schnell genug, um aus dem Gravitationsfeld der gesamten Galaxie hinaus in die Tiefen des Alls davondüsen zu können. Allzu häufig treten solche extremen Ereignisse aber nicht auf. Überhaupt beginnt man heute erst zu verstehen, warum manche Galaxien ein vergleichsweise kleines zentrales Schwarzes Loch von vielleicht einigen Millionen Sonnenmassen besitzen, andere anscheinend gar keines und andere Galaxien wiederum wahre Massemonster mit etlichen Milliarden Sonnenmassen.

Ein internationales Team von Astronomen hat gerade kürzlich ein großes Beobachtungsprogramm mit dem Very Large Telescope der Europäischen Südsternwarte durchgeführt, um nach Schwarzen Löchern zu suchen. "Wir haben in 30 nahen Galaxien nach zentralen Schwarzen Löchern gesucht und fast überall welche gefunden", sagt Ralf Bender vom Max-Planck-Institut für Extraterrestrische Physik in Garching. Dabei zeichnet sich ab: Massereiche elliptische oder kugelförmige Galaxien haben schwere Schwarze Löcher, massearme oder rein scheibenförmige Galaxien gar keines oder nur ein vergleichsweise leichtes. Bei der Verschmelzung von Galaxien und dem folgenden Engtanz der beiden zentralen Schwarzen Riesenlöcher können aber zahlreiche Sterne im Galaxienzentrum aus ihrer Bahn katapultiert werden. "Im Ergebnis bedeutet das, dass die Dichte der Sterne in den Zentren von Galaxien, die einen Verschmelzungsprozess durchgemacht haben, abnimmt", so Bender. Die Beobachtungsdaten bestätigen diese Vermutung.

Nun gehen die Meinungen der Wissenschaftler bei kaum einem anderen kosmischen Objekt so sehr auseinander wie bei Schwarzen Löchern. Das liegt einerseits in der Natur der Sache: Denn solch extreme Gebilde wie Schwarze Löcher führen nicht nur das menschliche Vorstellungsvermögen, sondern auch die besten heutigen Theorien an ihre Grenzen. Und genau das lädt zu Spekulationen ein, die man natürlich wieder kritisieren kann. So funktioniert eben Wissenschaft, indem mutig neue Theorien aufgestellt und wieder eingedampft werden, bis sich schließlich die brauchbarsten Ansätze herausschälen.

Das Ende der normalen Welt

Bei Schwarzen Löchern kommt nun etwas Entscheidendes hinzu: Sie sind Objekte an der Grenzscheide zwischen Relativitätstheorie und Quantenphysik – die beiden Theorienblöcke der modernen Physik, die zu Beginn des 20. Jahrhunderts die Naturwissenschaft revolutioniert haben. Denn am Ereignishorizont scheidet sich nicht nur die Welt in "innerhalb" oder "außerhalb" des Schwarzen Loches. Hier scheiden sich auch die Geister der Wissenschaftler – denn der Ereignishorizont ist im Prinzip nicht nur das "Ende der normalen Welt", sondern auch ein hochinteressantes physikalisches Testobjekt, um mögliche gemeinsame Effekte der einsteinschen Relativitätstheorie und der Quantenphysik zu studieren.

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Massereiches Schwarzes Loch Sagittarius A* | Auch im Zentrum unserer Galaxis befindet sich ein extrem massereiches Schwarzes Loch: Sagittarius A* ist rund 26 000 Lichtjahre von der Erde entfernt, seine Masse beträgt rund vier Millionen Sonnenmassen. Wissenschaftler gehen davon aus, dass sich in den Zentren der meisten Galaxien derartig massereiche Schwarze Löcher befinden.

Bis heute stehen die Relativitätstheorie als Theorie von Raum und Zeit und die Quantenphysik als Theorie der Materie nebeneinander, ohne zueinander zu passen. Bis heute ist es den Wissenschaftlern nicht gelungen, beide Theorienkomplexe in Einklang zu bringen. Da am Ereignishorizont extreme Bedingungen herrschen und auch Quanteneffekte dort eine Rolle spielen sollten, könnte also die Erforschung von Schwarzen Löchern ganz neue Ideen für künftige physikalische Theorien liefern. Einige Forscher vermuten, der Ereignishorizont könnte einer "Feuerwand" gleichen. Laut der Relativitätstheorie sollte dort eigentlich nichts weiter passieren, als dass die Krümmung der Raumzeit den Wert überschreitet, bei der auch Licht nicht mehr entkommen kann. Quanteneffekte könnten aber dazu führen, dass dort eine Schicht hochenergetischer Teilchen brodelt. Diese These ist unter Experten stark umstritten – denn sie löst zwar einige theoretische Probleme, wirft aber wieder neue auf.

Genauso wenig ist klar, ob Schwarze Löcher in ihrem Innern vielleicht eine ungewöhnliche geometrische Struktur besitzen. Eine solche Möglichkeit, die von Theoretikern diskutiert wird, ist das so genannte "Geon". Bei solch einer verwobenen, seltsamen Struktur ist das Äußere und das Innere wie bei einer "kleinschen Flasche" identisch. Außerhalb des Ereignishorizonts würde ein solches Geon aber aussehen wie ein gewöhnliches Schwarzes Loch.

Quantensonden belauschen die Innenseite

Nun kann zwar nichts einem Schwarzen Loch entkommen. Aber man könnte verschränkte Quantenpaare erzeugen, von denen man jeweils nur eines als Sonde hineinschickt. Auf dieses Teilchen hätte man dann natürlich keinen Zugriff mehr – es bliebe nach dem quantenphysikalischen Prinzip der Verschränkung aber mit seinem Partnerteilchen außerhalb verknüpft. Indem man das Verhalten der zurückgebliebenen Teilchen beobachtet, könnte man dann vielleicht doch einen "Blick hinter den Vorhang" werfen. Robert Mann und Alexander Smith von der Universität Waterloo haben diese Möglichkeit untersucht. "Ein Quantendetektor könnte im Prinzip zwischen einem solchen Geon und einem normalen Schwarzen Loch unterscheiden", sagt Mann. "Quanteneffekte würden einen Detektor in einem anderen Muster klicken lassen als bei einem normalen Schwarzen Loch." Das würde vermutlich nur funktionieren, wenn der Ereignishorizont nicht aus einer Feuerwand bestünde, die solche Versuche unmöglich macht. Andere Forscher haben aber auch diese Möglichkeit untersucht: Laut einem (noch sehr einfachen) Modell könnten die Testquanten den Schritt durch eine Feuerwand sogar überstehen, ohne dadurch untauglich zu werden.

Ob es nun so etwas wie Feuerwände wirklich gibt, wird sich wohl nicht so bald herausfinden lassen: In unserer galaktischen Umgebung gibt es glücklicherweise kein Schwarzes Loch, das wir scharf genug beobachten könnten, um nähere Informationen zu erhalten. Was aber würde mit einem Astronauten passieren, der einmal hinter dem Ereignishorizont verschwunden ist? Der Weg zurück ist jedenfalls versperrt. Wie genau es ihm dabei ergeht, hängt nun insbesondere von der Größe des Schwarzen Loches ab. Hat man es mit einem jener riesigen Schwarzen Löcher zu tun, die sich im Zentrum von Galaxien befinden und viele Milliarden Sonnenmassen schwer sein können, dann ist der Schritt durch den Ereignishorizont zunächst unspektakulär. Das liegt an der schieren Größe dieser Löcher: Sie krümmen den Raum zwar extrem, allerdings auch über eine entsprechend größere Distanz. Zunächst wird dem Astronauten nur auffallen, dass er keine Nachrichten mehr nach draußen senden kann.

"Man kann mathematisch beweisen, dass die Singularität in der Zukunft jedes Teilchens liegt, das sich innerhalb eines Schwarzen Loches bewegt. Was auch immer du also tust, du wirst in der Singularität enden."(Luciano Rezzolla)

Bei einem kleinen Schwarzen Loch von vielleicht zehn Sonnenmassen ist aber bereits der Schwerkraftunterschied zwischen Kopf und Füßen des Astronauten so stark, dass er wie eine Spagetti in die Länge gezogen wird. Aber egal, ob man sich in einem großen oder kleinen Schwarzen Loch befindet: Drinnen kann man es sich nicht gemütlich einrichten, dafür ist die Anziehung Richtung Zentrum zu stark. Schlussendlich stürzt man in die zentrale "Singularität". "Man kann mathematisch beweisen, dass die Singularität in der Zukunft jedes Teilchens liegt, das sich innerhalb eines Schwarzen Loches bewegt", sagt Rezzolla. "Was auch immer du also tust, du wirst in der Singularität enden."

Was genau dort wiederum passiert, ist jedenfalls unklar. Nach den Gleichungen von Einsteins Relativitätstheorie gehen dort Werte wie etwa die Krümmung der Raumzeit ins Unendliche. Nun sind Unendlichkeiten nur mathematische, aber keine sinnvollen physikalischen Größen. Theoretiker rätseln darüber, ob Quanteneffekte – die in der Relativitätstheorie nicht berücksichtigt werden – diese Unendlichkeiten zum Verschwinden bringen könnten. Jedenfalls ist hier viel Luft für Spekulationen.

Weiße Löcher und Wurmlöcher noch mathematische Spekulation

Nun ist es aus mathematischen Erwägungen prinzipiell denkbar, dass neben Schwarzen auch Weiße Löcher existieren könnten. Wenn man die Krümmung der Raumzeit einfach umdreht, entsteht genau die umgekehrte Situation: In ein solches Weißes Loch könnte nichts hineingelangen. Selbst Licht würde so stark abgelenkt und zurückgeworfen werden, dass es nie weiter als bis zum "Ereignishorizont" eines solchen Weißen Loches gelangen könnte. Im Prinzip könnte ein Weißes Loch mit einem Schwarzen Loch verbunden sein und ein "Wurmloch" bilden. In der Sciencefiction sind solche Gebilde für Reisen durch Raum und Zeit beliebt. Diese interessanten Spekulationen sollten aber nicht darüber hinwegtäuschen, dass Schwarze Löcher noch immer zu den Exoten im Kosmos zählen, über die nur wenig gesicherte Fakten bekannt sind. Astronomische Beobachtungen weisen nur auf die Existenz Schwarzer Löcher hin. Effekte wie Feuerwände, Weiße Löcher oder Wurmlöcher sind bislang noch ein Gebiet mathematischer Spekulation.

Der Tunnel des LHCLaden...
Der Tunnel des LHC | Kann man in so einem Tunnel Schwarze Löcher züchten? Als vor ein paar Jahren der neue Teilchenbeschleuniger am Europäischen Forschungszentrum CERN in Betrieb ging, war bei einigen die Sorge groß, dort könnten "Schwarze Minilöcher" entstehen. Die Energie, bei der dort die Kollisionen im Large Hadron Collider stattfinden, ist so viel höher als bei früheren Experimenten, dass manch einer schon das Ende der Welt befürchtete. Bislang sind allerdings keine Spuren solcher Minilöcher gefunden worden.

Als vor ein paar Jahren der neue Teilchenbeschleuniger am Europäischen Forschungszentrum CERN bei Genf in Betrieb ging, war bei einigen die Sorge groß, dort könnten "Schwarze Minilöcher" entstehen. Die Energie, bei der dort die Kollisionen im Large Hadron Collider stattfinden, ist so viel höher als bei früheren Experimenten, dass manch einer vermutete, die überschäumende Forscherlust könnte gar das Ende der Welt einläuten. Einige Publikationen, die die Erzeugungsmöglichkeiten solcher Minilöcher untersucht hatten, erregten die Gemüter so sehr, dass sich schließlich sogar Gerichte damit befassen mussten. Weitere Publikationen, die die Gemüter beruhigen sollten, wiesen nach, dass solche Minilöcher, falls sie bei hochenergetischen Kollisionen entstehen sollten, nicht stabil seien und sich praktisch instantan in Luft auflösen würden. Auch diese Sorge wurde natürlich vor Gericht getragen: Denn was, dachten einige, wenn durch einen dummen Zufall das Miniloch so schnell "gefüttert" und anwachsen würde, dass es schließlich unseren ganzen Planeten verschlänge?

Nun prasseln aus dem Weltall seit Jahrmilliarden unglaublich viele hochenergetische Partikel auf die Erde – weit energiereicher als alles, was sich in Teilchenbeschleunigern erzeugen lässt. Sollten Schwarze Minilöcher wirklich bei Teilchenkollisionen entstehen und wachsen können, so gäbe es schon lange keine Erde mehr – und auch keine anderen Planeten oder Sterne, sondern nur noch Schwarze Löcher überall. Der Large Hadron Collider läuft mittlerweile schon seit einigen Jahren und liefert eine Menge interessanter Daten. In der Tat haben Forscher am CERN auch nach möglichen Schwarzen Minilöchern Ausschau gehalten: Die Signatur, die entsteht, wenn sie zerstrahlen, würde sich von anderen bekannten Teilchenprozessen erkennbar unterscheiden. Damit hätte man ein hervorragendes Testobjekt für den bislang noch völlig unverstandenen Zusammenhang von Quantenphysik und Relativitätstheorie. Nichts deutet jedoch darauf hin, dass sich Schwarze Minilöcher als Testobjekt im Labor erzeugen lassen. Für viele klingt das sehr beruhigend – manch einer findet es aber dennoch vielleicht ein bisschen schade.

50/2016

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 50/2016

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