Was sind Schwarze Löcher und wie entstehen sie: Ein vollständiger Leitfaden

Stellen Sie sich einen Bereich des Universums vor, in dem die Schwerkraft so stark ist, dass nicht einmal Licht entkommen kann. Genau das ist ein Schwarzes Loch, ein kosmisches Phänomen, bei dem Dichte und Schwerkraft in seinem Zentrum, einem Punkt, der Singularität genannt wird, unendlich groß sind.

Der Punkt ohne Wiederkehr ist als Ereignishorizont bekannt und markiert die Grenze, jenseits derer nichts mehr der unerbittlichen Anziehungskraft entkommen kann. Die Größe dieses Horizonts, die in direktem Zusammenhang mit der Masse des Schwarzen Lochs steht, wird als Schwarzschild-Radius bezeichnet.

Schwarze Löcher zeichnen sich durch drei grundlegende Eigenschaften aus: ihre Masse, ihren Spin (oder ihre Rotation) und ihre elektrische Ladung. Ein Schwarzes Loch ohne Rotation oder Ladung wird als Schwarzschild-Schwarzes Loch bezeichnet. Ein rotierendes Schwarzes Loch hingegen ist als Kerr-Schwarzes Loch bekannt.

Darüber hinaus gibt es bei nicht rotierenden Schwarzen Löchern in einer bestimmten Entfernung eine Photonensphäre. An dieser besonderen Grenze kann Licht gefangen werden und in kreisförmigen Bahnen um sie herum kreisen. Karl Schwarzschild schlug 1916 ihre Existenz als Lösung für Einsteins Gleichungen vor.

Lösungen für rotierende Schwarze Löcher kamen später, von Roy Kerr im Jahr 1963, und für elektrisch geladene Schwarze Löcher von Ezra Newman im Jahr 1965. Obwohl die ersten Beobachtungsergebnisse indirekter Natur waren, lieferte uns der Nachweis von Gravitationswellen im Jahr 2016 den ersten direkten Beweis für ihre Existenz.

Arten von Schwarzen Löchern: ein Universum erstaunlicher Größen

Je nach ihrer Masse werden Schwarze Löcher in mehrere Kategorien eingeteilt. Schwarze Löcher mit Sternenmasse, die zwischen dem 3- und 100-fachen der Masse unserer Sonne liegen, entstehen durch den Kollaps massereicher Sterne, wenn diese ihren Brennstoff verbraucht haben. Viele davon wurden dank Gravitationswelleninterferometern entdeckt, was ihre Häufigkeit bestätigt.

Dann gibt es noch supermassive Schwarze Löcher (SMBH), die mehr als eine Million Sonnenmassen haben und normalerweise im Zentrum riesiger Galaxien zu finden sind. Man nimmt an, dass sie aus Schwarzen Löchern mit Sternenmasse entstehen, indem sie Materie ansammeln und sich miteinander verbinden.

Der beste Beweis für ihre Existenz stammt aus der Messung der Bewegung von Sternen um das galaktische Zentrum, wie beispielsweise Sagittarius A*, das etwas mehr als drei Millionen Sonnenmassen hat. Darüber hinaus lieferte uns das Event Horizon Telescope das erste Bild von „Schatten“ schwarzer Löcher in der Galaxie M87 und in unserer eigenen Milchstraße.

Eine weitere Kategorie sind Schwarzlöcher mittlerer Masse (IMBH) mit einer Masse zwischen 100 und einer Million Sonnenmassen. Sie gelten als „Keime” supermassiver Schwarzlöcher im frühen Universum, die auf verschiedene Weise entstanden sind. Der Nachweis von Gravitationswellen durch LIGO/Virgo mit einer Masse von 142 Sonnenmassen ist der bislang beste Beweis dafür.

Das Unsichtbare entdecken: Wie wir Schwarze Löcher finden

Um etwas so schwer fassbares wie ein Schwarzes Loch zu entdecken, braucht es Einfallsreichtum. Eine wichtige Technik ist die dynamische Massenmessung, bei der beobachtet wird, wie sie ihre Umgebung beeinflussen. Bei stellaren Schwarzen Löchern wird die Radialgeschwindigkeitskurve eines Begleitsterns in Röntgendoppelsternsystemen untersucht.

Im Falle von supermassiven Schwarzen Löchern beobachten Wissenschaftler die Bewegung von Sternen in der Nähe ihres Zentrums und modellieren die Dynamik von Gas und Sternen. Bei IMBHs werden manchmal quasi-periodische Schwingungen verwendet. Das ist so, als würde man die Anwesenheit eines unsichtbaren Tieres anhand der Spuren, die es hinterlässt, ableiten.

Ein weiterer wichtiger Hinweis stammt von aktiven Galaxienkernen (AGN), bei denen es sich um supermassive Schwarze Löcher handelt, die aktiv Materie verschlingen in den ersten Galaxien, die sich gebildet haben. Sie lassen sich anhand von Merkmalen in ihrem optischen oder infraroten Spektrum oder anhand des Vorhandenseins bestimmter Elementarten identifizieren.

Das Aufkommen der Gravitationswellenastronomie hat die Detektion revolutioniert, indem sie Wellen in der Raumzeit misst, die von massiven, beschleunigten Objekten wie zwei verschmelzenden Schwarzen Löchern erzeugt werden. Diese wurden erstmals 2015 entdeckt und stellten einen beeindruckenden Meilenstein dar.

Die Auswirkungen von Schwarzen Löchern: Kosmische Evolution und die Zukunft

Eine der wichtigsten Erkenntnisse ist die Akkretion von Schwarzen Löchern, ein Prozess, bei dem diese sich „ernähren“ und riesige leuchtende Röntgenstrahlen ausstoßen. Tatsächlich besteht ein Zusammenhang zwischen dieser Leuchtkraft und der Masse des Schwarzen Lochs, was ein leistungsfähiges Instrument zu deren „Wiegen“ darstellt.

Eine weitere wichtige Entdeckung ist die gemeinsame Entwicklung von Schwarzen Löchern und Galaxien. Es besteht ein enger Zusammenhang zwischen der Masse supermassiver Schwarzer Löcher und den Eigenschaften ihrer Wirtsgalaxien, was darauf hindeutet, dass sie synchron wachsen und sich über kosmische Zeitalter hinweg gegenseitig beeinflussen.

Der Hauptmechanismus hinter dieser Entwicklung ist die AGN-Rückkopplung. Die vom Schwarzen Loch erzeugten Winde oder Jets beeinflussen die Sternentstehung in der Galaxie und regulieren so deren Wachstum. Es ist ein kosmischer Tanz, bei dem das Schwarze Loch den Dirigenten spielt.

Zukünftige Observatorien versprechen einen riesigen Sprung in unserem Verständnis. Teleskope wie SKA, die Satelliten Athena und Lynx oder Gravitationswellendetektoren wie das Einstein-Teleskop und LISA werden es uns ermöglichen, die Entstehung und Entwicklung von Schwarzen Löchern wie nie zuvor zu erforschen. Die Zukunft hält spannende Entdeckungen bereit!

Quellenhinweis:

BLACK HOLES. Mar Mezcua. October 2021. arXiv e-prints