Es gibt viele Dinge, die der Mensch versucht detailliert zu hinterfragen, selbst wenn die subjektiv empfundene Wahrscheinlichkeit für einen Erfolg, noch so gering ist. Offenbar liegt es in der einzigartigen Natur des Menschen, Mechanismen und Vorgänge bis ins feinste Detail hinein zu beobachten um unmittelbar nach den Beobachtungen erste Einschätzungen vom Objekt zu erhalten. Die Evolution stattete jedes Wesen auf diesem Planeten mit Sinnen aus, und diese vermochte der Mensch schon seit Anbeginn seiner Existenz immer wieder geschickt zu verwenden. Problematisch wurde es immer dann, wenn sich einer oder mehrere Sinne abhängig vom jeweiligen Kontext als überflüssig erwiesen. Viele bekommen ein mulmiges Gefühl, wenn sie Nachts draußen alleine unterwegs sind. Der Grund: Unser Sehsinn ist in begrenzten Umfang außer Gefecht gesetzt. Ein leerer Raum, in dem zwar die Sonne scheint aber totenstille herrscht kann unter gegebenen Umständen ebenfalls eine Qual für einen potenziellen Besucher darstellen. Auf unsere Sinne, ist Verlass heisst es immer wieder. Und obwohl die Wissenschaft diese, sehr gewagte These mittlerweile zu widerlegen versucht, bleibt der Hintergrund für diesen Text erhalten: Kommen nicht alle unserer 5 Sinne, für eine beliebige Situation sinnvoll zum Einsatz, sind potenzielle Nervositätszustände nicht mehr weit entfernt. Und was bitte hat das mit unserem Thema zu tun?

 

Über die mathematische Vorhersage

 

Es ist mittlerweile genau 100 Jahre her, als ein berühmter Physiker mit dem Namen Albert Einstein, eine Arbeit verfasste. Der Titel: ,,Zur Elektrodynamik bewegter Körper“, ging schon kurze Zeit später als die allgemeine Relativitätstheorie in die Geschichtsbücher ein. Eine Theorie, die die Physik revolutionierte, neue Maßstäbe ansetzte und das ursprünglich geltende Weltbild von Raum und Zeit in Teilen verwarf. Albert Einstein war der festen Überzeugung, dass Raum und Zeit, als bislang unabhängig formulierte Größen, in eindeutiger Beziehung zueinander standen. Einstein ging sogar so weit zu sagen, dass es zwangsweise erforderlich ist, Raum und Zeit in ein geometrisches Modell zu übersetzen, dass zur Beschreibung der Welt eine 4-dimensionale Raumzeit heranzieht. Mit anderen Worten: Überall wo es Zeit gibt, gibt es Raum. Überall wo Raum ist, ist auch Zeit. Ziemlich simpel, und damit hat sich das zunächst...

 

Wichtig zu wissen ist nun, dass nach der Allgemeinen Relativitätstheorie (ART), Energie und Masse signifikanten Einfluss auf das Raumzeit-Gefüge haben. Die Raumzeit ist an sich nämlich kein abgeschlossenes System, sondern tritt, wie alles natürliche sonst auch mit der Umgebung in Wechselwirkung. Einstein formulierte in seiner ART auch die sogenannten Einsteinschen Feldgleichungen aus. Gravitation ist in dieser Theorie keine Eigenschaft der Masse, sondern eine Eigenschaft der gekrümmten 4-dimensionalen Raumzeit! Und das hat signifikante Konsequenzen für die gesamte Physik, musste doch das damals gültige newtonsche Weltbild mitsamt des Gravitationsgesetzes modifziert bzw. gänzlich verworfen werden. Aus der ART kann man einige, vereinfachte elementare Schlussfolgerungen ziehen. Eine davon lautet: Jede Masse krümmt Raum und Zeit! Die Krümmung der Raumzeit ist dann das, was man in der newtonschen Theorie als Gravitationsfeld versteht. Zur Veranschaulichung des Ganzen, sei das Beispiel eines Bettlakens genannt, dass man vor sich aufspannt und nun eine schwere Kugel reinlegt. Es wird sich im Laken eine Mulde formen, in deren Zentrum sich die Kugel nun befindet. Ähnlich analog dazu, krümmen Massen die Raumzeit und diese wiederum, wird beschrieben von den oben genannten Einsteinschen Feldgleichungen. Und nun, zur Überleitung.

 

Die ART ist eine der am meisten bestätigsten Theorien von allen in der Physik! Zahlreiche Vorhersagen wurden bereits experimentell nachgewiesen. Die Einsteinschen Feldgleichungen können mathematisch auf verschiedenen Wegen gelöst werden. Eine Lösung jedoch, hat es uns scheinbar besonders angetan. Sie stammt aus dem Jahr 1916 und wurde vom deutschen Mathematiker Karl Schwarzschild durchgeführt. Aus diesem Grund wurde diese Gleichung auch Schwarzschild-Lösung genannt. Was postuliert sie? Sie postuliert ein massereiches Objekt, dass die Raumzeit ausreichend stark krümmt, um die Fluchtgeschwindigkeit des sich ergebenden Gravitationsfeldes größer als die Lichtgeschwindigkeit zu modellieren! Das ist das, was man heute ein Schwarzes Loch nennt. Ich habe euch echt lange auf die Folter gesponnen. Sorry, aber dieses Vorwissen ist nicht ganz unwichtig! ;)

 

Die Existenz Schwarzer Löcher ist also mathematisch vorgegeben von der Schwarzschild-Lösung, der Einsteinschen Feldgleichungen aus der Allgemeinen Relativitätstheorie. Aber (!) nur weil die Mathematik die Möglichkeit offenlässt, dass ein solches Objekt tatsächlich auch existieren kann, bedeutet das noch lange nicht, dass es auch existiert!

 

Jede physikalisch/mathematisch gute Theorie trifft Vorhersagen, die experimentell zu bestätigen oder zu widerlegen sind. Mit dabei sind auch immer verschiedene Ausgangsmöglichkeiten für Systeme, obwohl am Ende immer nur eine realisiert wird. Stellen wir uns vor, zur Flächenberechnung eines Quadrates multiplizieren wir die Länge zweier Seiten, welche 2 cm betrage. Für den Flächeninhalt des Quadrats ergeben sich so 4 cm². Um nun wieder auf die Seitenlänge zu kommen, reicht es die Wurzel aus der 4 zu ziehen. Wir erhalten nun jedoch zwei Resultate für die Seitenlänge unseres Körpers: +2 und -2. Was bitte, soll man aber mit einer negativen Seitenlänge anfangen? Obwohl die mathematischen Gesetze Vorhersagen für die Auftretenswahrscheinlichkeit einer negativen Seitenlänge machen, hat sie die Natur nie realisiert. Und Schwarze Löcher? Gibt es die tatsächlich nur weil mathematische Postulate ihre Existenz erlauben?

 

Eigenschaften Schwarzer Löcher und die Entdeckung

 

Betreiben wir mal etwas Physik und beschäftigen uns mit den Eigenschaften Schwarzer Löcher, obgleich wir die ganze Zeit im rein theoretischen Rahmen diskutieren müssen. Wie bereits erwähnt, stellen sie massebehaftete Objekte dar, die nach der ART die Raumzeit sehr stark krümmen. So stark, dass die resultierende Fluchtgeschwindigkeit eines Körpers größer als die Lichtgeschwindigkeit wird. Was ist damit gemeint? Wenn man sich in einem Gravitationsfeld befindet, und man ein Objekt dauerhaft aus dem Gravitationsfeld entfernen möchte benötigt man kinetische Energie in Form von Geschwindigkeit. Je stärker das Feld ist, umso größer muss auch die resultierende Geschwindigkeit des Objektes sein. Ist nun das Gravitationsfeld so stark, dass nicht einmal Photonen entkommen können, haben wir ein Schwarzes Loch erschaffen. Die Fluchtgeschwindigkeit beträgt auf der Erde im Übrigen „mickrige“ 11,2 Km/s. Wichtig zu wissen ist auch, dass Massen unter der Anwesenheit anderer Massen beschleunigt werden. Masse beschleunigt Masse, und abhängig von der Größe der Körper und ihrer Entfernung zueinander fällt diese Beschleunigung mal mehr und mal weniger stark aus.

 

Der nächste Schritt. Vor längerer Zeit fing man nun an sich zu fragen, wie eigentlich die Milchstraße als Gesamtsystem funktioniert und vor allem physikalisch aufgebaut ist. Nach der Entdeckung von Spiralarmen und dichten Gas- und Staubwolken, folgte die Entdeckung, dass auch ein Zentrum dieser riesigen Sternansammlung ausfindig zu machen war. Problematisch war, dass eben jene Materieansammlungen einen uneingeschränkten Blick auf das Zentrum der Galaxie unmöglich machten. Nur mithilfe anderer Wellenlängen (zb. Im Infraroten oder Radiobereich) gelingt es bis in das „Herz“ der Milchstraße vorzudringen und detailliert zu untersuchen, was sich dort eigentlich befindet. Was man zunächst vorfand, war Schwärze! Die purze Schwärze ohne Aussicht auf Erfolg leuchtende Materie zu entdecken. Es schien, als klaffe im Zentrum unserer Galaxie ein riesiges Loch, dass von Vakuum angefüllt war und dem Beobachter sonst verborgen blieb. Eines jedoch, machte die Astronomen stutzig: Nach wiederholten intensiven Beobachtungen, fand man im Kern der Galaxie dutzende Einzelsterne. Das ist noch nichts besonderes, gehören Sterne doch bekanntlich zu gravitativ gebundenen Gas- und Staubassoziationen dazu. Merkwürdig war, die Geschwindigkeit mit der die Sterne das galaktische Zentrum umkreisten! Spektroskopiert man die Objekte um den Kern der Galaxie, findet man Hinweise auf extrem hohe Radialgeschwindigkeiten im Bereich von mehreren Tausend Km/s. Die Massen wurden beschleunigt! Nur wovon? Zu sehen von einer anderen großen Masse war ja nichts. Wir sind der Sache dicht auf der Spur. Was wir suchen ist ein massereiches, aber unsichtbares Objekt, dass die beobachteten Einzelgeschwindigkeiten der Sterne im galaktischen Zentrum zu verursachen hat. Es bleibt für eine Erklärung überhaupt nichts anderes übrig, als ein Schwarzes Loch! Erneut machen wir uns Kausalitätsgedanken zunutze und schließen aus der beobachteten Wirkung nämlich der Geschwindigkeit der Sterne auf die Ursache, und das ist die Masse die das Schwarze Loch im Zentrum der Milchstraße hat. Da das Zentrum der Milchstraße auch im Radiobereich zu beobachten ist, nannte man das Schwarze Loch schlicht Sgr A*. Es ergibt sich für den Massenwert eine Masse von sage und schreibe 4,3 Mio. Sonnenmassen! Das steht im krassen Widerspruch zu stellaren Schwarzen Löchern, die im interstellaren Raum verweilen, mit Glück aufgespürt werden können und eine Grenzmasse von einigen Sonnenmassen nicht überschreiten.

 

Stellare Schwarze Löcher

 

Neben den supermassereichen Schwarzen Löchern, die im Zentrum von Galaxien sitzen gibt es nämlich auch noch eine zweite Möglichkeit für die Natur masseärmere sogenannte stellare Schwarze Löcher zu erschaffen, und zwar nach dem finalen Abgang eines massereichen Sterns in Form einer Supernova-Explosion. Abhängig von der Masse eines Sterns, beendet er sein Leben entweder in Form eines planetarischen Nebels (0,5 – 7,9 Sonnenmassen) oder in einer Supernova-Explosion (ab 8 Sonnenmassen). Zurück bleibt nach dieser Explosion ein Neutronenstern, der durch den quantenmechanischen Fermi-Druck der Neutronen stabilisiert wird. Da schreibe ich bald wohl noch einen Text zu. Hat der nach der Explosion des Sterns übrig bleibende Neutronenstern eine Masse von mindestens 3 Sonnenmassen, so fällt er unter seiner eigenen massiven Schwerkraft so weit zusammen, bis seine Fluchtgeschwindigkeit größer als die Lichtgeschwindigkeit ist. Auf diesem Wege, entstehen auch nach der Explosion von massereichen Sternen ab etwa 25 Sonnenmassen Schwarze Löcher. Sterne zwischen 8 und 25 Sonnenmassen hinterlassen nach ihrer Explosion hingegen „nur“ einen schnell rotierenden Neutronenstern, der von uns als Pulsar detektiert werden kann, aber nicht weiter zusammenfällt, weil sein Gravitationsfeld nicht stark genug ist. Stellare Schwarze Löcher und supermassereiche Schwarze Löcher, unterscheiden sich lediglich in ihrer Masse besitzen aber die ansonsten gleichen Eigenschaften.

 

Über die Entdeckung stellarer Schwarzer Löcher

 

Auch die Entdeckung stellarer Schwarzer Löcher erfolgt anders als die der supermassereichen. Verständlicherweise ist die Sterndichte im interstellaren Raum nicht groß genug damit ein nur wenige Sonnenmassen schweres Schwarzes Loch mehrere Sterne in einen Orbit ziehen kann. Stellare Schwarze Löcher entdeckt man derweil viel öfter über sogenannte Akkretionsprozesse. Was ist damit wieder gemeint? Stellen wir uns vor, eine Gaswolke fristet in Ruhe ihr Dasein im interstellaren Raum. Sie besitzt einen Drehimpuls und kommt zufällig in die Nähe eines stellaren Schwarzen Lochs. Das Gas wird anfangen sich der Gravitationskraft des Loches zu unterwerfen und zunächst spiralförmig auf das Objekt zuströmen. Aufgrund der Tatsache, dass das Gas Drehimpuls besitzt und zu jeder Zeit an jedem Ort im Kosmos der Drehimpulserhaltungssatz greift, wird sich das Gas in einer flachen Scheibe um das Schwarze Loch ansammeln und dort eine breite Palette beobachtbarer Effekte erzeugen. Stellen wir uns eine solche Scheibe mit Schwarzem Loch im Zentrum mal bildlich vor. Die Gasareale die sich näher am Loch befinden sind einer stärkeren Gravitationskraft ausgesetzt, als die Bereich die weiter außen liegen. Es resultiert anlässlich der lokal begrenzten Unterschiede im Gravitationspotenzial auch eine unterschiedliche Effizienz der Beschleunigungseffekte auf die umliegenden Gasmassen. Die Bereiche näher am Loch, werden schneller um das Zentrum rotieren als die Gebiete weiter außen (Keplersche Rotation). Die Folge sind heftige Reibungsmechanismen innerhalb der Scheibe, die den Drehimpuls des Gases in thermische Energie verwandeln. Die Scheibe wird heiß, wie alles was sich eben reibt, und fängt an zu strahlen! Nach dem Wienschen Verschiebungsgesetz ist die maximale Spektralfrequenz eines Körpers eindeutig mit seiner Temperatur verknüpft. Die Tatsache, dass wir Akkretionsscheiben um stellare Schwarze Löcher im Röntgenbereich beobachten können, lässt Rückschlüsse auf eine Temperatur von einigen Mio. Grad Celsius in der Scheibe schließen. Die dabei einsetzende Ionisation der Wasserstoffatome führt schließlich zur Generierung eines elektrischen Stroms der Magnetfelder nach sich zieht, und in einigen Fällen zur Ausbildung eines Jets führt (zb. Bei M87, auch wenn es sich hier um ein supermassereiches Loch handelt). Wir kennen nun schon zwei Arten mit denen es gelingt Schwarze Löcher aufzuspüren:

 

  1. Durch die Beobachtung von Einzelmassen, die durch eine unsichtbare große Masse beschleunigt werden

  2. Durch Akkretionsprozesse, deren Grundlage eine Akkretionsscheibe ist, und die strahlt in verschiedenen Wellenlängenbereichen

 

Mittlerweile sind wir schon ziemlich weit gekommen. Die Grundlagenphysik zu Schwarzen Löchern wurde bereits genannt. Was nun noch fehlt, ist die Frage wie sie sich mathematisch beschreiben lassen und wie man eigentlich diversen, teils unbegründeten teils begründeten Fragen ihrerseits nachgeht.

 

Physikalisch ist ein Schwarzes Loch eindeutig definiert worden. Wir erinnern uns an die ART und die Krümmung der Raumzeit. Mathematisch wird ein Schwarzes Loch im Wesentlichen durch 3 Größen beschrieben und charakterisiert:

 

  1. Die elektrische Ladung

  2. Der Drehimpuls

  3. Die Masse

Abhängig davon, welche Kombinationen sich unter diesen 3 Größen entfalten, werden mathematisch unterschiedliche Metriken angewandt um eine Beschreibung zu unterlegen. Die Rotation Schwarzer Löcher spielt unter anderem bei der physikalischen Betrachtung aktiver galaktischer Kerne und Quasare eine bedeutende Rolle, da sie massiven Einfluss auf die Effizienz der Akkretionsprozesse hat. Widmen wir uns nun, noch einigen häufig gestellten Fragen zu Schwarzen Löchern, ehe wir diesen Text beenden.

 

Kann ein Schwarzes Loch die Erde verschlucken? :O

 

Schwarze Löcher existieren im Kosmos nicht überhäufig. Selbst im interstellaren Raum, sind bisher nur einige von ihnen bekannt. Das Sonnensystem liegt gerade so in der galaktischen Scheibe, dass hochenergetische Prozesse und kompakte Objekte, die potenziell Gefahr bedeuten könnten, sehr weit entfernt liegen. Man sagt, unser Sonnensystem läge auch abgesetzt im kosmischen Hinterhof, der astrophysikalisch gesehen von Langeweile nicht zu übertreffen ist! Das ein Schwarzes Loch in unmittelbarer Sonnennähe Kurs auf das Sonnensystem nimmt, ist ohnehin schon beinahe ausgeschlossen. Hinzu kommt aber, dass der Einflussbereich eines Schwarzen Lochs außerordentlich beschränkt ist, und man schon einige Mio. Kilometer vom Loch selber gar nichts mehr bemerkt. Kurzes Beispiel: Man stelle sich vor, unsere Sonne falle zum Schwarzen Loch zusammen. Abgesehen von der fehlenden Leuchtkraft und Wärme, wäre hier auf der Erde gar nichts davon zu merken. Lediglich in unmittelbarer Sonnennähe wäre der Anwuchs der Gravitationsbeschleunigung über alle Maßen groß. Es wird Zeit Abschied zu nehmen, von der Vorstellung, Schwarze Löcher seien die kosmischen Staubsauger, die gnadenlos alles einziehen was zu nahe kommt! Wir haben anhand der Akkretionsscheiben gesehen, dass nicht sofort alles einfallen kann und darf was nahe genug kommt, ungeachtet der Tatsache, dass Akkretion mit Saugen nicht das Geringste zu tun hat. Schwarze Löcher sind für das Sonnensystem völlig ungefährlich.

 

Was ist im Innern eines Schwarzen Lochs?

 

Kurz und knapp: Man weiss es nicht. Problematisch ist, dass Schwarze Löcher Singularitäten darstellen, mathematische Unendlichkeiten sind, in denen jegliche physikalische Gesetze außer Kraft treten bzw. unrelevant werden. Wir wissen nicht was im Innern eines Schwarzen Lochs passiert, und werden es definitiv auch nie wissen können! Eine weitere Frage ist auch: Kommt man überhaupt im Innern an? Denn noch bevor das der Fall ist, wird durch die annäherungsweise unendliche Raumkrümmung die gravitative Zeitdilatation einen so hohen Wert erreichen, dass die Zeit für den Beobachter beinahe stehen bleibt. Was da drin ist, ist nicht zu beantworten. Döner werden es aber sicher nicht sein ;)

 

Was passiert wenn ich in ein Schwarzes Loch falle?

 

Eine unangenehme Frage, vor deren Antwort man sich aber nicht scheuen sollte. Man wird zerrissen. Und zwar ziemlich eklig, entlang der Körperachse wobei der Kopf als erstes auseinandergefetzt wird. Man spricht hier von Spaghettisierung. Sterben wird man wegen der extrem starken Gezeitenkräfte, die den Körper ohne Probleme schon früh in Stücke reissen. Spätestens ab dem sogenannten Ereignishorizont gibt es für einen Reisenden kein Zurück mehr! Wer Lust hat, kann mithilfe der Formel für die Roche-Grenze mal ausrechnen, bei welcher Dichte er wie nahe an ein Schwarzes Loch mit gegebener Masse heranrücken muss, um auseinandergerissen zu werden. Wir rechnen bitte mit einem flüssigen Körper.

 

Kann ein Schwarzes Loch auch sterben?

 

Ja, tatsächlich ist wie sonst auch, die Lebenszeit jedes Schwarzen Loches limitiert begrenzt. Grund dafür ist, dass es in Form der sogenannten Hawking-Strahlung ständig Teilchen verliert und damit konstant Masse verloren geht. Das ist so erforderlich um den Energieerhaltungssatz nicht zu verletzen. Man kann bei gegebener Masse des Lochs genau ausrechnen, wie lange es bestehen bleibt unter der Annahme, dass im Laufe der Entwicklung nicht noch Akkretionsprozesse Einfluss auf die Lochmasse nehmen.

 

Reissen Schwarze Löcher die Raumzeit auf?

 

Wie oben schon erwähnt, sind Schwarze Löcher die ultimativen Raumzeitkrümmer. Der Begriff Reissen ist hier jedoch etwas fehl am Platz, suggeriert er doch, dass ein Schwarzes Loch die Raumzeit damit „zerstört“. Richtig ist, dass die Einsteinschen Feldgleichungen einen Energie-Impuls-Tensor beinhalten und abhängig von seiner Ausstattung erlangt die Raumzeit verschiedene Geometrien. Immer ist dabei aber eine Krümmung oder Deformation am Werk, nicht etwa ein Zerreissen, wie wir es aus dem Alltag kennen.

 

Nach diesem Text, der hoffentlich detailliert geschildert hat, wie der heutige Wissensstand zu Schwarzen Löchern aussieht, wird es Zeit die Einleitung erneut aufzugreifen. Schwarze Löcher, sind physikalisch absolut sinnvolle und mögliche Objekte. Visualisieren und sich vorstellen, was sich darin befindet, wie die gekrümmte Raumzeit nun aussieht oder wie dick oder flach ein solches Loch ist, ergibt hier kein realistisches Resultat! Schwarze Löcher entziehen sich sämtlichen unserer Sinne. Wir können sie nicht hören, nicht riechen, nicht schmecken, nicht fühlen und nicht einmal sehen. Genau das ist der Grundbaustein für viele offene Fragen, die unter anderem mit einem leicht ängstlichen Unterton (,,Können uns Schwarze Löcher gefährlich werden?“) gestellt und von Science-Fiction-Fanatikern aufrecht erhalten werden. Im Rahmen ihrer Möglichkeiten, tun Schwarze Löcher ihr absolut bestes und sind auch wirklich mehr als normal. Sogar Albert Einstein, der Mann, dem wir die ganzen Erkenntnisse des Textes letztlich zu verdanken haben sagte einmal: ,,Man muss die Welt nicht verstehen, man sollte sich nur gut in ihr zurecht finden.“