Das Schwarze Loch ist ein besonders mysteriöses Objekt im Universum. Es wurde zwar bereits im Jahre 1916 von dem Astronomen Karl Schwarzschildt als Konsequenz aus der Allgemeinen Relativitätstheorie theoretisch vorausgesagt. Allerdings war lange nicht klar, ob es diese Objekte auch wirklich gibt. Heute sind jedoch bereits mehrere Schwarze Löcher bekannt und die Forscher haben außerdem eine Vorstellung davon bekommen, welche Rolle diese merkwürdigen Himmelskörper für die Entwicklung des Weltalls spielen.

Was ist ein Schwarzes Loch?

Das Schwarze Loch ist ein Gebilde mit enormer Masse und Anziehungskraft, welches nur Materie und Strahlung verschlucken, jedoch nicht mehr abgeben kann. Im Bereich des sogenannten Schwarzschildt-Radius entspricht die notwendige Entweichgeschwindigkeit der Lichtgeschwindigkeit. Unterhalb des Schwarzschildt-Radius müsste die Entweichgeschwindigkeit sogar die Lichtgeschwindigkeit übertreffen, damit Materie oder Strahlung das Schwarze Loch verlassen könnte. Da es aber keine Überlichtgeschwindigkeit gibt, kann das Schwarze Loch nur immer größer und schwerer, nie aber kleiner und leichter werden. Die Masse des Schwarzen Loches ist enorm. So besitzen die kleinsten bekannten Schwarzen Löcher ungefähr die dreifache Masse der Sonne. Nach oben gibt es jedoch keine Massebegrenzung. Heute sind sogar Schwarze Löcher mit einer Masse von mehreren Milliarden Sonnenmassen bekannt.

Im Inneren des Schwarzen Loches strebt die Materie einem sogenannten singulären Punkt zu. Die dort herrschenden physikalischen Bedingungen sind so extrem und bizarr, dass sie die Vorstellungskraft der Menschen sprengen. Die zuständigen physikalischen Gesetze sind bis heute noch nicht verstanden.

Wie können Schwarze Löcher nachgewiesen werden?

Schwarze Löcher sind nur sehr schwer nachzuweisen, weil sie ja selber keine Materie und Strahlung abgeben können. Da sie aber neben Materie auch Licht anziehen, werden die Lichtstrahlen in ihre Richtung abgelenkt. Befindet sich also ein Schwarzes Loch direkt vor einem anderen kosmischen Objekt, wird dieses durch die Lichtkrümmung verzerrt. So kann es vorkommen, dass weit entfernte Galaxien, die sich zufällig hinter einem riesigen Schwarzen Loch befinden, mehrfach zu sehen sind. Dieser sogenannte Gravitationslinseneffekt erzeugt teilweise beeindruckende Bilder mit ringförmigen optischen Strukturen.

Ein Schwarzes Loch kann aber auch nachgewiesen werden, wenn es Teil eines Doppel- oder Mehrfachsternsystems ist. Die Bewegungen der sichtbaren Sterne können beispielsweise auf eine versteckte Masse hindeuten. Wenn diese Masse drei Sonnenmassen überschreitet, handelt es sich mit großer Wahrscheinlichkeit um ein Schwarzes Loch.

Oder der Partnerstern gibt Materie an seinen unsichtbaren Partner ab. Dabei bildete sich um diesen eine Gasscheibe, die durch Reibung enorme Mengen an Energie abgibt, bevor die Materie im Schwarzen Loch verschwindet. Gleichzeitig können sich an den Polen der unsichtbaren Objekte (oft Schwarze Löcher oder Neutronensterne) auch Jets aus Materie bilden, die weit ins Weltall geschossen werden.

Diese Prozesse können sich auch in noch größerem Maßstab abspielen. So stellen die Kerne von Galaxien supermassereiche Schwarze Löcher dar. Wenn nun größere Gas- oder Staubmassen ins Zentrum der Galaxie gelangen, kommt es zu gewaltigen Energieausbrüchen, die sich als aktive Galaxienkerne oder gar als Quasare bemerkbar machen. Quasare sind meist viele Milliarden Lichtjahre entfernt. Trotzdem leuchten sie aufgrund ihrer enormen Energieausbrüche noch ungewöhnlich hell. Außerdem ist ihre Helligkeit trotz der unfassbaren Entfernung innerhalb von Tagen, Wochen oder Monaten veränderlich. Das weist darauf hin, dass die hochenergetischen Prozesse dort in kleinsten Raumbereichen stattfinden.

Es gibt auch ein supermassives Schwarzes Loch in der Milchstraße. Dieses befindet sich direkt im Zentrum unseres Sternsystems. Im Vergleich zu anderen Galaxien ist es aber relativ klein und hat eine Masse von „nur“ 4 Millionen Sonnenmassen. In anderen Galaxien kommen supermassive Schwarze Löcher mit Massen von mehreren 100 Millionen bis mehrere Milliarden Sonnenmassen vor. Außerdem verhält sich das Schwarze Loch in der Milchstraße sehr ruhig, weil es fast am Verhungern ist. In dessen Nähe befindet sich derzeit zu wenig Materie, um gewaltige Energieausbrüche hervorzurufen. Allerdings ist bekannt, dass sich um das Milchstraßenzentrum ein Ring aus jüngeren Sternen befindet, der auf eine Explosion im Galaxienzentrum in der jüngeren kosmischen Vergangenheit hinweist. Vielleicht haben die meisten Galaxien im Kern hin und wieder mal eine unruhige Phase mit Energieausbrüchen. Es wird vermutet, dass die überwiegende Mehrzahl der Galaxien ein massives Schwarzes Loch im Zentrum beherbergt.

Wie entsteht ein Schwarzes Loch?

Heute sind folgende drei Arten von Schwarzen Löchern bekannt:

  • stellare Schwarze Löcher
  • mittelschwere Schwarze Löcher
  • supermassive Schwarze Löcher

Die stellaren Schwarzen Löcher sind relativ massearm. Sie entstehen aus massereichen Sternen, die sich in der Endphase ihrer Entwicklung befinden. Ihr Massebereich erstreckt sich zwischen 3 und mehreren Hundert Sonnenmassen. Die Ausgangsmasse der massereichen Sterne müsste mindestens 25 Sonnenmassen betragen, damit sich ein Schwarzes Loch bilden kann. Denn die Sterne verlieren während ihrer Entwicklung viel Masse. Im Rahmen der Sternentwicklung massereicher Sterne findet durch Kernfusion die Elementsynthese bis zum Eisen statt. Dann bricht die Kernfusion im Zentrum des Sterns ab, weil die Bildung noch höherer Elemente Energie verbrauchen würde. Durch die enorme Gravitationskraft bricht der Kern in sich zusammen und die Hülle des Sterns wird in einer gewaltigen Supernovaexplosion abgesprengt. Wenn die Masse des Eisenkerns unter drei Sonnenmassen liegt, entsteht ein sogenannter Neutronenstern. Hier werden die Elektronen der Atomhülle in den Atomkern gedrückt. Dort vereinigen sich diese mit den Protonen des Atomkerns zu Neutronen. Dieser Neutronenbrei ist aufgrund von bestimmten Quanteneffekten sehr stabil und wirkt einer weiteren Kontraktion des Kerns entgegen. Wenn der Eisenkern jedoch drei Sonnenmassen überschreitet, kann die Kontraktion nicht mehr gestoppt werden. Dann reichen die Quanteneffekte nicht mehr aus, um das weitere Zusammenquetschen der Neutronen zu verhindern. Die Materie fällt ins Bodenlose und ein Schwarzes Loch entsteht.

Mittelschwere Schwarze Löcher zeichnen sich durch eine Masse von einigen Hundert bis einigen Tausend Sonnenmassen aus. Sie befinden sich oft im Zentrum von Kugelsternhaufen oder kleinen Galaxien, die am Anfang ihrer Entwicklung stehen. Möglicherweise entstehen diese Schwarzen Löcher oft durch häufige Sternverschmelzungen.

Supermassive Schwarze Löcher befinden sich im Zentrum von Galaxien. Wahrscheinlich besitzen die meisten größeren Galaxien supermassive Schwarze Löcher. Wie deren Bildung ablief, ist noch nicht vollständig geklärt. Vielleicht haben sie sich ganz am Anfang aus Verschmelzungen vieler stellarer Schwarzer Löcher im entstehenden Galaxienzentrum entwickelt. Allerdings wurden auch relativ nackte supermassive Schwarze Löcher im Weltall gefunden. Möglicherweise handelt es sich hier um übrig gebliebene Galaxienkerne nach der Zerstörung der Muttergalaxie bei den nicht selten vorkommenden Galaxienzusammenstößen.