- Astronomie im Berchtesgadener Land -

Monatsthema August 2012: "Schwarze Löcher - Giganten am Himmel"

Als im Jahre 1783 der englische Naturphilosoph und Geologe John Mitchell an Henry Cavendish von der Royal Society, London einen Brief schrieb, entwickelte er in diesem ein Gedankenexperiment, in dem die Schwerkraft einer hypothetische Kugel 500 Mal schwerer als die Sonne dazu führen müsste, dass Licht, ausgehend von der Oberfläche dieses Körpers, von der übergroßen Schwerkraft so stark angezogen wird, dass es die Oberfläche nicht mehr verlässt. Damit war Mitchell der Erste, der etwas beschrieb, was erst sehr viel später als ein "Schwarzes Loch" bezeichnet wurde. Mehr als zehn Jahre danach entwickelte der berühmte französische Mathematiker Pierre-Simon Laplace eine ähnliche Theorie von einem "Dunklen Stern". Das 19. Jahrhundert ignorierte gänzlich diese neue Vorstellung, vor allem deshalb, weil man sich einfach nicht vorstellen mochte, dass etwas "Immaterielles" wie das Licht von der Schwerkraft beeinflusst werden könnte. Erst Albert Einstein revolutionierte mit seiner Allgemeinen Relativitätstheorie diese gebräuchliche Anschauung und postulierte, dass auch Licht ein Äquivalent einer Masse besitzt, und gab damit der Laplaceschen Idee eine neue Grundlage. Wenige Monate nach Einsteins Relativitätstheorie entwickelte Karl Schwarzschild, der deutsche Physiker und Astronom, ein Modell einer kugelförmigen Masse, die durch äußere Einwirkung so stark komprimiert wird, dass ab einem bestimmten Radius diese Masse zu einem Schwarzen Loch kollabiert, der Körper damit unsichtbar wird. Dieser Radius wird nach seinem Entdecker heute Schwarzschild-Radius genannt. Die Ursprungstheorie gilt für ein nicht rotierendes Schwarzes Loch (fast ein halbes Jahrhundert später wurde sie erweitert auf rotierende Schwarze Löcher).

Was ist ein Schwarzes Loch? Der amerikanische Physiker und Professor der Princeton-Universität John Archibald Wheeler gebrauchte 1967 zum ersten Mal diesen Begriff. Von ihm stammt auch der viel zitierte Ausspruch: Schwarze Löcher haben keine Haare. Astrophysiker vermuteten schon lange, dass im Zentrum von Galaxien, auch in unserer Galaxie, der Milchstraße, ein supermassives "Etwas" vorhanden sein muss, denn Bahnberechnungen von Sternen in der Milchstraße und eine Abschätzung der Gesamtmasse haben ergeben, dass die im Zentrum der Milchstraße versammelte Masse an sichtbaren Sternen bei Weitem nicht ausreicht, um die Bewegung aller Sterne um das gemeinsame Zentrum unserer Galaxie zu erklären. Wie man heute weiß, können sich Sterne zu einem Schwarzen Loch entwickeln. Wenn Riesensterne mit einer Masse größer als 25 Sonnenmassen am Ende ihres Lebens (Ende des Wasserstoff- bzw. Heliumbrennens) in sich zusammenstürzen, sind Gleichgewicht aus Gravitation, Gasdruck, Strahlungsdruck und Fliehkraft zugunsten der Gravitation gestört, der Stern fällt in sich zusammen und es entsteht ein Schwarzes Loch von typischerweise drei bis zehn Sonnenmassen.

Es gibt noch weitere Mechanismen, die zur Entstehung von Schwarzen Löchern führen können. Eine Sternkollision könnte zu einem Schwarzen Loch mittlerer Größe führen. Die Verschmelzung von zwei Neutronensternen beispielsweise wäre eine weitere Möglichkeit. Nach Berechnungen der ESO soll es in der Milchstrasse und natürlich auch in anderen Galaxien Milliarden von stellaren Schwarzen Löchern geben. Da sie ihrer Natur gemäß unsichtbar sind, kann man sie nur indirekt nachweisen. Dass es im Zentrum unserer Milchstraße ein Schwarzes Loch gibt, wird in der Wissenschaft kaum noch bestritten. Man geht sogar davon aus, dass sich dort ein supermassives Schwarzes Loch von der Masse von mehreren Millionen Sonnenmassen befindet (bei anderen Galaxien geht man sogar von Milliarden von Sonnenmassen aus!). Es verhält sich ruhig, d. h., man kann keine besondere Aktivität in Form von Strahlungs-Variationen aus dem vermuteten Ort des Schwarzen Lochs messen. Ziemlich unklar ist, wann dieses Schwarze Loch dort "geboren" wurde und auch wie es entstanden sein könnte. Die Astrophysiker sind sich allerdings einig, dass es kein gewöhnliches, d. h. kein aus einem Riesenstern entstandenes stellares Schwarzes Loch sein kann.

Der zentrale Teil der Milchstrasse, aufgenommen mit dem Very Large Telescope (VLT) der ESO
Quelle: ESO/S. Gillessen et al.
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Es gibt Erfolg versprechende Forschungsergebnisse, die eine baldige Lösung dieses Rätsels erwarten lassen. Bereits seit 20 Jahren vermisst ein deutsches Team der ESO die Bewegung von 28 Sternen, welche sich in der Nähe des Schwarzen Lochs der Milchstraße aufhalten und konnte deren Bahndaten gewinnen. Einen besonders schnellen Stern, S0-2 genannt, beobachteten die Wissenschaftler über seine ganze Umlaufperiode. Der Stern näherte sich dabei auf seiner stark elliptischen Bahn dem Schwarzen Loch bis auf 17 Lichtstunden (knapp 20 Milliarden km, zum Vergleich: Abstand Erde-Sonne 150 Millionen km). Aus all diesen Daten errechnete das Team eine Masse für das Schwarze Loch von über vier Millionen Sonnenmassen. Da das Zentrum der Milchstraße wegen des dort reichlich vorhandenen Staubs für sichtbares Licht undurchdringlich ist, verwendeten die Astronomen Teleskope und Kameras, welche für infrarotes Licht ausgelegt sind. Man sollte bei diesen Ergebnissen hervorheben, welche besondere Leistung von den verwendeten Instrumenten erbracht werden musste. Das New Technology Telescope mit 3,5 m Durchmesser auf La Silla und nachfolgend das 8,2 m Very Large Telescope VLT der ESO auf dem Paranal in Chile, beide mit adaptiver Optik versehen, lieferten die äußerst präzisen Bahndaten, welche zu den herausragenden Ergebnissen dieser zeitaufwendigen Forschungsanstrengung führten. Der Ort des Schwarzen Lochs der Milchstraße ist übrigens schon länger bekannt und wird Sagittarius A* im Sternbild Schütze genannt. Seit den Anfängen der Radioastronomie (von Karl Jansky 1931 begründet) und der aufkommenden Bedeutung in den 60er Jahren des vergangenen Jahrhunderts ist diese Quelle starker Radiostrahlung bekannt (Radiostrahlung durchdringt Staubwolken im Milchstraßenzentrum!).

Wie oben gesagt, verhält sich das Schwarze Loch im Zentrum ruhig. Allerdings haben jüngste Forschungen des Max-Planck-Instituts für extraterrestrische Physik MPE in Garching bei München mit dem VLT der ESO ergeben, dass eine massereiche und kühle Gaswolke (ein Mehrfaches der Erdmasse), bestehend aus Wasserstoff und Helium, auf den Ort von Sagittarius A* hin beschleunigt wird und sich zurzeit mit einer Geschwindigkeit von 2350 km/s bewegt. Dabei wird die Wolke in naher Zukunft mehr und mehr zerrissen und zunehmend erhitzt werden. In den nächsten zwei Jahren erhoffen sich die Wissenschaftler bedeutende Erkenntnisse über den Mechanismus, auf welche Weise Schwarze Löcher sich Materie "einverleiben" und wie die dabei entstehende Strahlung verlaufen wird.

Auf jeden Fall scheint sicher zu sein, dass die hochkarätige und intensive Forschung auf dem Gebiet der supermassiven Schwarzen Löcher in den nächsten Jahren Ergebnisse bringen wird, die uns so manche Überraschungen bereiten werden.

Walter Conrad

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