Astronomie

Die Jagd nach schwarzen Löchern

01.06.2017 - Lars Jaeger

Von den vielen bizarren Dingen, mit denen uns die theoretische Physik in den letzten 100 Jahren konfrontiert hat, gehören „Schwarze Löcher“ wohl mit zu den eigenartigsten. Nachdem Albert Einstein im November 1915 die Grundgleichungen seiner allgemeinen Relativitätstheorie formuliert hatte, dauerte es weniger als ein Jahr, bis die Physiker begriffen, welch dramatische Konsequenzen aus ihnen folgen. So gelang es dem deutschen Astronom Karl Schwarzschild bereits im Jahr 1916 eine Raum-Zeit-Metrik anzugeben, die einer Lösung der Einstein-Gleichungen für das Gravitationsfeld einer punktförmigen Masse beim Nullpunkt (r=0) entspricht. Sie beschreibt eine derartig große Krümmung der Raum-Zeit-Struktur, dass selbst Licht nicht mehr entweichen kann.

Konkret beschreibt hier die Raum-Zeit das, was Physiker eine „Singularität“ nennen: Gängige physikalische Größen sind nicht mehr als endliche Größen definierbar, was nichts anderes bedeutet, als dass Raum und Zeit an dieser Stelle in ihrer gängigen Form zu existieren aufhören. Allerdings ist die notwendige Materiedichte, ab dem ein solches Phänomen auftritt, derart groß (bzw. der sogenannte ‚Ereignishorizont‘, bei dem es einsetzt, derart klein), dass weder Einstein noch Schwarzschild mit dieser Lösung etwas anzufangen wussten (bei der Masse der Erde entspricht der Ereignishorizont einer Kugel mit einem Radius von 9 mm). 

So hielten die Astronomen solche Gebilde lange für eine belanglose Kuriosität einer bereits an sich sehr bizarren Theorie. Erst Jahrzehnte später erkannten sie, dass derart hohe Massedichten im Universum tatsächlich auch für größere Ereignishorizonte existieren. So popularisierte der Physiker John Wheeler erst im Jahre 1967 den Begriff „Schwarzes Loch“ für ein solches Gebilde, als er nach einem besseren Wort als „durch Gravitation vollständig kollabiertes Objekt“ suchte. Der erste Kandidat für ein reales Schwarzes Loch war „Cygnus X-1“ im Sternbild Schwan, entdeckt 1971. 

Die Astrophysiker verstehen die Entstehungsdynamik Schwarzer Löcher unterdessen recht gut (wenn auch noch nicht in allen Einzelheiten): Bei allen Körpern führt die Gravitationskraft zu einer Kompression. Je massereicher der Körper, desto stärker die Kompression. Normalerweise wird diese durch Gegenkräfte im Inneren des Körpers – thermodynamischer Druck, Abstoßung zwischen den Atomen bzw. Nukleonen oder Fermi-Druck (Elektronen oder Nukleonen können niemals im gleichen Quantenzustand sein) – aufgehalten, was schließlich zu einem Gleichgewicht zwischen Gravitation und den Gegenkräften führt. Jenseits einer kritischen Masse reichen die Gegenkräfte allerdings nicht mehr aus, um die Gravitationskraft zu kompensieren. Dann setzt ein vollständiger Gravitationskollaps ein: Die Masse fällt auf ein nahezu verschwindendes Volumen zusammen (dieses erreicht aus der Sicht eines äußeren Beobachters jedoch niemals Null, da die immer weiter ansteigende Gravitation den Raum und den Ablauf der Zeit lokal immer stärker verzerrt, was bedeutet, dass der Kollaps immer langsamer abläuft und sich das Volumen nie auf einen einzelnen Punkt zusammenzieht; zudem beginnen mögliche Quantenprozesse, deren Natur wir noch nicht kennen und die von der allgemeinen Relativitätstheorie nicht mehr beschrieben werden, eine eigene Rolle zu spielen).

Wie wäre es nun, mal einen direkten Blick auf ein Schwarzes Loch zu werfen (genauer: auf das Gebiet unmittelbar außerhalb seines Ereignishorizonts)? Da Schwarze Löcher im kosmischen Maßstab sehr klein und sehr weit von der Erde entfernt sind, ist dies äußerst schwierig. Die Herausforderungen sind elementarer optischer Natur: Die Auflösung eines Teleskops hängt von seinem Linsendurchmesser, der so genannten „Apertur-Blende“, ab (sowie von der Wellenlänge des Lichtes). Größere Teleskope ermöglichen es kleinere Strukturen aufzulösen. Beim Blick auf das Schwarze Loch „Sagittarius A*“ (kurz „Sgr A*“) im Herzen unserer Milchstraße zum Beispiel, müsste die Radioschüssel (für die Wellenlängen, die es bis auf die Erdüberfläche schaffen) so groß sein wie die Erde selbst. Denn die Größe von Sgr A* ist von der Erde aus betrachtet vergleichbar mit der einer Untertasse auf der Mondoberfläche. Doch lässt sich ein Teleskop von der Größe unseres Planten bauen? Dies ist tatsächlich möglich: Man schließt einfach mehrere Observatorien zu einem virtuellen Teleskop zusammen. Dieses besitzt dann einen effektiven Durchmesser, der so groß ist wie die Entfernung zwischen den einzelnen Observationspunkten. Sind diese über den ganzen Planten verteilt, hat man die notwendige Größe für ein Teleskop zusammen, mit dem wir auf die Jagd nach Schwarzen Löchern gehen können. 

Genau dies ist nun im Rahmen des Projektes „Event Horizon Telescope (EHT)“ geschehen, welches im April 2017 seine Beobachtungsarbeit aufnahm. Allerdings macht das Projekt die Auswertung von immensen Datenbergen erforderlich, nur um bestenfalls ein paar unscharfe, aus wenigen Pixeln bestehende Bilder vom Umfeld des Schwarzen Loches Sgr A* zu erhalten. Doch schon diese könnten Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie auf einen ganz neuen Prüfstand stellen. Schließlich hat man das Geschehen so nahe an einem derart extremen kosmischen Gebilde bisher noch nie direkt beobachten können. Die Struktur der Raum-Zeit nahe eines Schwarzen Loches macht es auch möglich, dass man seinen gesamten Ereignishorizont beobachten kann, also auch hinter das Schwarze Loch zu blicken vermag. Dies wird dadurch möglich, dass die Gravitation die Raum-Zeit so stark verzerrt, dass Lichtstrahlen um das Schwarze Loch herumlaufen können (diesen Effekt haben auch die Produzenten des Films „Interstellar“ 2014 auf die Leinwand gebracht). Mit ersten Resultaten von EHT ist allerdings erst im Jahr 2018 zu rechnen. 

Nun könnte man denken: Warum dieser ganze Aufwand, um eine Theorie zu vermessen, die bisher noch jeden Test einer Messung bis in die letzten Einzelheit bestanden hat? Hier sollte man wissen, dass sich gerade in der theoretischen Beschreibung Schwarzer Löcher fundamentale Unterschiede zwischen den beiden Theorien ergeben, die das Fundament der heutigen Physik bilden: die allgemeine Relativitätstheorie und die Quantentheorie. Bis anhin hatten sie ungestört nebeneinander koexistieren können, die Quantentheorie die atomare Welt des Mikrokosmos beschreibend, die allgemeine Relativitätstheorie den Makrokosmos der Galaxien und das Universum als Ganzes. Beide Theorien in eine einzige Theorie mit Geltungsbereich über sämtliche Skalen hinweg zusammenzubringen, erwies sich mit zunehmenden Bemühungen gar als theoretisch unmöglich (aus Sicht der Quantentheorie ist die allgemeine Relativitätstheorie immer noch eine „klassische Theorie“, die ohne Quantensprünge und Wahrscheinlichkeitswellen auskommt, während aus der Sicht der allgemeinen Relativitätstheorie die Quantentheorie nach wie vor eine „hintergrundunabhängige Theorie“ darstellt, d.h. sie kennt keinen Einfluss von Materie auf die Struktur von Raum und Zeit). Schwarze Löcher fallen nun aber zugleich in den Geltungsbereich von allgemeiner Relativitätstheorie und Quantentheorie und stellen daher einen simultanen Testfall für beide dar. Einen solchen haben Astrophysiker mit vergleichbarer Genauigkeit bisher noch nicht vermessen können. Das führt uns neben der aufregenden Möglichkeit, einmal direkt auf ein derartig bizarres Objekt zu blicken, möglicherwiese zu ganz neuen Einsichten über die Natur unseres Universums.

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