Ein Schwarzes Loch ist ein Bereich im Weltall, in dem die Schwerkraft so stark ist, dass nicht einmal Licht entkommen kann. Die Grenze, ab der es kein Zurück mehr gibt, nennt man Ereignishorizont.
Schwarze Löcher gehören zu den faszinierendsten Objekten der Astronomie. Lange waren sie nur eine theoretische Folge der Allgemeinen Relativitätstheorie. Heute gibt es viele indirekte und direkte Hinweise auf ihre Existenz: Bewegungen von Sternen, Röntgenstrahlung heißer Gasscheiben, Gravitationswellen und sogar Bilder des Schattens supermassereicher Schwarzer Löcher.
Auch im Zentrum unserer Milchstraße befindet sich ein Schwarzes Loch: Sagittarius A*. Es besitzt etwa vier Millionen Sonnenmassen.
Was ist ein Schwarzes Loch?
Ein Schwarzes Loch ist kein Loch im normalen Sinn. Es ist ein extrem kompakter Bereich, in dem sehr viel Masse auf sehr kleinem Raum konzentriert ist.
Dadurch wird die Gravitation so stark, dass ab einer bestimmten Grenze nichts mehr entkommen kann. Diese Grenze heißt Ereignishorizont.
Was den Ereignishorizont einmal nach innen überschreitet, kann nach heutigem physikalischem Verständnis nicht mehr nach außen gelangen. Das gilt auch für Licht. Deshalb erscheint ein Schwarzes Loch selbst dunkel.
Warum ist ein Schwarzes Loch schwarz?
Schwarze Löcher sind schwarz, weil Licht aus ihrem Inneren nicht entweichen kann. Ein Objekt ist für uns sichtbar, wenn Licht von ihm ausgesendet oder reflektiert wird und unsere Augen oder Teleskope erreicht.
Bei einem Schwarzen Loch passiert genau das nicht. Innerhalb des Ereignishorizonts müsste Licht schneller als die Lichtgeschwindigkeit sein, um zu entkommen. Das ist nicht möglich.
Direkt sichtbar ist ein Schwarzes Loch daher nicht. Sichtbar wird nur seine Wirkung auf die Umgebung.
Was ist der Ereignishorizont?
Der Ereignishorizont ist die Grenze eines Schwarzen Lochs. Von außen betrachtet ist er die letzte Grenze, ab der kein Signal mehr zurückkommen kann.
Man kann sich den Ereignishorizont wie eine unsichtbare Oberfläche vorstellen. Wer sie überschreitet, kann nicht mehr nach außen kommunizieren oder entkommen.
Der Ereignishorizont ist aber keine feste Oberfläche wie bei einem Planeten. Dort gibt es keine harte Wand. Es ist eine physikalische Grenze im Raum.
Was ist der Schwarzschild-Radius?
Der Schwarzschild-Radius beschreibt bei einem nicht rotierenden, ungeladenen Schwarzen Loch die Größe des Ereignishorizonts.
Benannt ist er nach Karl Schwarzschild, der 1916 eine wichtige Lösung der Einsteinschen Feldgleichungen fand. Diese Lösung zeigte, dass die Allgemeine Relativitätstheorie solche extrem kompakten Objekte zulässt.
Je größer die Masse eines Schwarzen Lochs ist, desto größer ist auch sein Schwarzschild-Radius.
Was passiert im Inneren eines Schwarzen Lochs?
Was im Inneren eines Schwarzen Lochs genau geschieht, ist eine der großen offenen Fragen der Physik.
Die Allgemeine Relativitätstheorie führt bei einfachen Modellen zu einer Singularität: einem Punkt oder Bereich, in dem Dichte und Raumzeitkrümmung unendlich werden. Solche Unendlichkeiten zeigen aber wahrscheinlich auch, dass unsere bisherigen Theorien dort an ihre Grenzen kommen.
Für eine vollständige Beschreibung wäre vermutlich eine Theorie nötig, die Gravitation und Quantenphysik verbindet. Eine solche allgemein anerkannte Theorie gibt es bisher nicht.
Wie entstehen Schwarze Löcher?
Schwarze Löcher können auf unterschiedliche Weise entstehen. Am bekanntesten sind stellare Schwarze Löcher, die aus massereichen Sternen hervorgehen.
Wenn ein sehr massereicher Stern am Ende seines Lebens seinen Brennstoff verbraucht hat, kann sein Kern kollabieren. Die äußeren Schichten können bei einer Supernova ins All geschleudert werden.
Ist der verbleibende Kern massereich genug, kann keine bekannte Kraft den Kollaps dauerhaft stoppen. Dann entsteht ein Schwarzes Loch.
Stellare Schwarze Löcher
Stellare Schwarze Löcher entstehen aus massereichen Sternen. Sie besitzen typischerweise einige bis mehrere Dutzend Sonnenmassen. In besonderen Fällen können sie auch schwerer sein.
Solche Schwarzen Löcher sind im Vergleich zu supermassereichen Schwarzen Löchern klein, aber extrem dicht und stark gravitativ.
Man findet sie häufig über ihre Wirkung auf Begleitsterne oder über Röntgenstrahlung, die entsteht, wenn Gas in ihrer Nähe stark aufgeheizt wird.
Mittelschwere Schwarze Löcher
Zwischen stellaren und supermassereichen Schwarzen Löchern vermutet man mittelschwere Schwarze Löcher.
Sie könnten Hunderte bis Hunderttausende Sonnenmassen besitzen. Ihre Entstehung ist noch nicht vollständig geklärt.
Mögliche Wege sind Verschmelzungen kleinerer Schwarzer Löcher, das Wachstum in dichten Sternhaufen oder sehr massereiche frühe Sterne. Diese Klasse ist besonders spannend, weil sie eine Verbindung zwischen kleinen und riesigen Schwarzen Löchern herstellen könnte.
Supermassereiche Schwarze Löcher
Supermassereiche Schwarze Löcher befinden sich in den Zentren vieler großer Galaxien. Sie besitzen Millionen bis Milliarden Sonnenmassen.
Auch unsere Milchstraße enthält ein solches Schwarzes Loch: Sagittarius A*. Es liegt im galaktischen Zentrum und ist im Vergleich zu manchen anderen supermassereichen Schwarzen Löchern eher ruhig.
Wie supermassereiche Schwarze Löcher genau entstanden sind, ist noch nicht vollständig geklärt. Vermutlich wuchsen sie durch Materiezufuhr, Verschmelzungen und die Entwicklung ihrer Heimatgalaxien.
Wie weist man Schwarze Löcher nach?
Da Schwarze Löcher selbst kein Licht aussenden, werden sie über ihre Wirkung auf die Umgebung nachgewiesen.
Wichtige Hinweise sind:
- Bewegung von Sternen: Sterne können ein unsichtbares massereiches Objekt umkreisen.
- Akkretionsscheiben: Gas in der Nähe eines Schwarzen Lochs wird extrem heiß und leuchtet stark.
- Röntgenstrahlung: heiße Materie nahe am Schwarzen Loch sendet energiereiche Strahlung aus.
- Gravitationslinsen: starke Gravitation kann Licht ablenken und verzerren.
- Gravitationswellen: verschmelzende Schwarze Löcher erzeugen messbare Wellen in der Raumzeit.
- EHT-Bilder: Radioteleskope können den Schattenbereich supermassereicher Schwarzer Löcher sichtbar machen.
Akkretionsscheibe: Wenn Materie vor dem Fall aufleuchtet
Wenn Gas oder Staub in die Nähe eines Schwarzen Lochs gelangt, fällt es meist nicht direkt hinein. Stattdessen bildet sich häufig eine rotierende Scheibe aus heißer Materie.
Diese Scheibe nennt man Akkretionsscheibe. Durch Reibung, Magnetfelder und starke Gravitation wird das Material extrem aufgeheizt.
Die Akkretionsscheibe kann sehr hell leuchten, obwohl das Schwarze Loch selbst dunkel bleibt. Viele Schwarze Löcher werden genau durch diese leuchtende Umgebung entdeckt.
Jets: Materiestrahlen aus der Umgebung Schwarzer Löcher
Manche Schwarze Löcher besitzen gewaltige Jets. Das sind gebündelte Materiestrahlen, die aus der Umgebung des Schwarzen Lochs in den Raum geschleudert werden.
Wichtig ist: Diese Jets kommen nicht aus dem Inneren des Ereignishorizonts. Sie entstehen in der Umgebung des Schwarzen Lochs, vor allem durch Akkretionsscheiben und Magnetfelder.
Solche Jets können sich über enorme Entfernungen erstrecken und im Radiobereich, Röntgenlicht oder anderen Wellenlängen sichtbar sein.
Schwarze Löcher und Gravitationslinsen
Starke Gravitation krümmt Raum und Zeit. Dadurch wird auch Licht abgelenkt.
Befindet sich ein massereiches Objekt zwischen uns und einem weiter entfernten Hintergrundobjekt, kann dessen Licht verzerrt, verstärkt oder mehrfach abgebildet werden. Dieses Phänomen nennt man Gravitationslinse.
Nicht nur Schwarze Löcher können Gravitationslinsen erzeugen. Auch Galaxien und Galaxienhaufen können das Licht ferner Objekte sichtbar ablenken.
Das Schwarze Loch im Zentrum der Milchstraße
Im Zentrum der Milchstraße befindet sich Sagittarius A*, abgekürzt Sgr A*. Dieses Objekt ist ein supermassereiches Schwarzes Loch.
Seine Masse beträgt etwa vier Millionen Sonnenmassen. Es liegt ungefähr 26.000 Lichtjahre von der Erde entfernt in Richtung des Sternbildes Schütze.
Der Nachweis gelang unter anderem durch die Beobachtung von Sternen, die das galaktische Zentrum sehr schnell umkreisen. Ihre Bahnen zeigen, dass dort sehr viel Masse auf sehr kleinem Raum konzentriert ist.
Das erste Bild eines Schwarzen Lochs
2019 veröffentlichte das Event Horizon Telescope das erste Bild des Schattens eines Schwarzen Lochs. Es zeigte das supermassereiche Schwarze Loch im Zentrum der Galaxie M87.
2022 folgte ein Bild von Sagittarius A*, dem Schwarzen Loch im Zentrum unserer Milchstraße.
Diese Bilder zeigen nicht das Schwarze Loch selbst, sondern den hellen Ring aus heißem Material und den dunklen Schattenbereich im Zentrum. Sie sind trotzdem ein wichtiger Beobachtungserfolg, weil sie extreme Vorhersagen der Relativitätstheorie sichtbar machen.
Schwarze Löcher und aktive Galaxien
Wenn ein supermassereiches Schwarzes Loch im Zentrum einer Galaxie viel Materie aufnimmt, kann die Umgebung extrem hell werden.
Dann spricht man von einem aktiven galaktischen Kern. Besonders leuchtkräftige aktive Galaxienkerne nennt man Quasare.
Die enorme Energie stammt nicht aus dem Schwarzen Loch selbst heraus, sondern aus der aufgeheizten Materie in seiner Umgebung, bevor sie den Ereignishorizont erreicht.
Wachsen Schwarze Löcher immer weiter?
Schwarze Löcher können wachsen, wenn sie Materie aufnehmen oder mit anderen Schwarzen Löchern verschmelzen.
In der klassischen Beschreibung kann aus dem Inneren des Ereignishorizonts nichts entkommen. Theoretisch sagt die Physik jedoch eine sehr schwache Hawking-Strahlung voraus. Für astrophysikalische Schwarze Löcher ist dieser Effekt extrem klein und praktisch nicht beobachtbar.
In der normalen astronomischen Entwicklung wachsen Schwarze Löcher deshalb vor allem durch Materiezufuhr und Verschmelzungen.
Sind Schwarze Löcher gefährlich?
Ein Schwarzes Loch ist nicht automatisch ein kosmischer Staubsauger, der alles in der Umgebung verschlingt.
Aus größerer Entfernung wirkt seine Schwerkraft wie die Schwerkraft jedes anderen Objekts mit derselben Masse. Würde man die Sonne durch ein Schwarzes Loch gleicher Masse ersetzen, würden die Planeten weiterhin ungefähr auf ähnlichen Bahnen bleiben. Natürlich gäbe es dann kein Sonnenlicht mehr.
Gefährlich wird ein Schwarzes Loch vor allem in unmittelbarer Nähe. Dort können Gezeitenkräfte, Strahlung aus Akkretionsscheiben und die extreme Gravitation zerstörerisch wirken.
Was passiert, wenn man in ein Schwarzes Loch fällt?
Für einen fallenden Körper würden die Gezeitenkräfte immer stärker. Das bedeutet: Die Schwerkraft zieht an verschiedenen Teilen des Körpers unterschiedlich stark.
Bei kleinen Schwarzen Löchern wären diese Unterschiede schon weit vor dem Ereignishorizont tödlich. Bei supermassereichen Schwarzen Löchern könnten die Gezeitenkräfte am Ereignishorizont zunächst geringer sein, aber ein Entkommen wäre trotzdem unmöglich.
Was nach dem Überschreiten des Ereignishorizonts aus Sicht des Fallenden genau geschieht, führt tief in die Relativitätstheorie und an die Grenzen heutiger Physik.
Schwarze Löcher und Wurmlöcher
In Science-Fiction werden Schwarze Löcher oft mit Wurmlöchern oder Reisen in andere Universen verbunden.
In der Physik gibt es theoretische Lösungen, die wurmlochartige Strukturen beschreiben. Es gibt jedoch keinen Nachweis, dass reale Schwarze Löcher nutzbare Durchgänge zu anderen Orten oder Dimensionen sind.
Für einen sachlichen Astronomieartikel sollte man Schwarze Löcher daher nicht als bewiesene Wurmlöcher darstellen.
Warum sind Schwarze Löcher wichtig?
Schwarze Löcher sind wichtig, weil sie extreme Physik sichtbar machen. Sie verbinden Gravitation, Relativitätstheorie, Quantenfragen, Galaxienentwicklung und Sternentwicklung.
Stellare Schwarze Löcher zeigen, wie massereiche Sterne enden können. Supermassereiche Schwarze Löcher beeinflussen die Entwicklung ihrer Galaxien.
Sie sind also nicht nur exotische Einzelobjekte, sondern ein wichtiger Bestandteil der modernen Astronomie.
Häufige Fragen zu Schwarzen Löchern
Was ist ein Schwarzes Loch?
Ein Schwarzes Loch ist ein Bereich mit so starker Gravitation, dass ab dem Ereignishorizont nichts mehr entkommen kann, nicht einmal Licht.
Kann man ein Schwarzes Loch sehen?
Das Schwarze Loch selbst sieht man nicht. Sichtbar sind seine Wirkungen: heiße Materie in der Umgebung, Sternbewegungen, Jets, Gravitationslinsen oder der Schattenbereich auf EHT-Bildern.
Wie entsteht ein Schwarzes Loch?
Stellare Schwarze Löcher entstehen, wenn sehr massereiche Sterne am Ende ihres Lebens kollabieren. Supermassereiche Schwarze Löcher wachsen vermutlich über lange Zeit durch Materieaufnahme und Verschmelzungen.
Gibt es ein Schwarzes Loch in der Milchstraße?
Ja. Im Zentrum der Milchstraße befindet sich Sagittarius A*, ein supermassereiches Schwarzes Loch mit etwa vier Millionen Sonnenmassen.
Saugen Schwarze Löcher alles ein?
Nein. Ein Schwarzes Loch zieht nur Objekte stark an, die ihm sehr nahe kommen. Aus größerer Entfernung wirkt seine Gravitation wie die eines anderen Objekts gleicher Masse.
Kurz zusammengefasst
- Ein Schwarzes Loch besitzt so starke Gravitation, dass kein Licht entkommen kann.
- Die Grenze heißt Ereignishorizont.
- Stellare Schwarze Löcher entstehen aus massereichen Sternen.
- Supermassereiche Schwarze Löcher befinden sich in den Zentren vieler Galaxien.
- Im Zentrum der Milchstraße liegt Sagittarius A*.
- Schwarze Löcher werden über ihre Wirkung auf Materie, Licht und Raumzeit nachgewiesen.
- Schwarze Löcher sind keine bewiesenen Wurmlöcher.