Schwarze Löcher - Fast Forward Science 2018

Schwarze Löcher gehören zu den seltsamsten Objekten des Universums – und sie wirken

oft sogar ein bisschen angsteinflößend. Aber was wissen wir wirklich über sie? Wie

entsteht ein schwarzes Loch und was macht es so fremdartig? Wir wollen heute einige

Sachen richtig stellen, die immer wieder falsch dargestellt werden. Vor allem aber werden

wir einige der spektakulärsten Phänomene betrachten, welche in der Nähe schwarzer

Löcher auftreten. Ich bin Ronny – Willkommen bei Raumzeit!

In den Videos zu Supernovae und Neutronensternen haben wir erfahren, dass ein Stern, dessen

Kern mehr als 1,4 Sonnenmassen besitzt, am Ende der Fusionskette in einer Supernova detoniert.

Der Kern kollabiert und erzeugt einen Neutronenstern – der Kollaps wurde durch Neutronenentartungsdruck

aufgehalten. Wenn allerdings ein anderes Limit überschritten wird, welches wir Tolman-Oppenheimer-Volkoff-Limit

nennen und welches bei etwa 2,2 Sonnenmassen liegt, dann hält auch der Entartungsdruck

der Neutronen dem Kollaps nicht mehr stand. Keine Kraft des Universums kann diesen Kollaps

aufhalten – alle Materie verdichtet sich in einem unendlich kleinen Punkt – der Singularität.

Diese Singularität erzeugt eine derartig starke Gravitationskraft, dass in einem bestimmten

Radius um sie herum der so genannten Ereignishorizont entsteht. Eine Grenze, die immer nur in eine

Richtung überschritten werden kann – hin zur Singularität. Nichts, keine Materie,

kein Licht, keine Information kann ihr entweichen. Diesen Ereignishorizont müssten wir als runde,

schwarze Fläche – als perfekt schwarze Fläche wahrnehmen – er ist ein schwarzes

Loch. Wir kennen schwarze Löcher mit stellaren Massen aber es gibt auch supermassereiche

Schwarze Löcher im Zentrum von Galaxien. In der Milchstraße ist dies Sagittarius A

Stern – ein Schwarzes Loch mit 4,3 Millionen Sonnenmassen. Das größte uns bekannte schwarze

Loch ist die Quelle des Quasars S5 0014+81, mit einer Masse von ca. 40 Milliarden Sonnenmassen

– und damit 10.000 Mal größer als Sagittarius A Stern in der Milchstraße.

Schwarze Löcher gelten oft als unheimlich – als Monstren, die sich durch Galaxien

fressen und ein Vakuum der Zerstörung hinter sich lassen. Dies ist allerdings falsch – wäre

unsere Sonne ein schwarzes Loch mit der gesamten Masse der Sonne, (und nein, die Sonne kann

keines werden) dann hätte sie einen Radius von etwa 3 Kilometern. Die Planeten des Sonnensystems

aber würden weiter unbeeindruckt ihre Bahnen ziehen – denn an der Gravitationskraft im

Zentrum des Systems hätte sich rein gar nichts verändert.

Genaugenommen könnte jedes Objekt ein schwarzes Loch werden. Die Voraussetzung ist, dass man

die Masse des Objekts soweit komprimiert, bis ein bestimmter Radius unterschritten wird

– der Schwarzschildradius. Für die Erde wäre dieser Radius etwas unter einem Zentimeter

– könnte ich also die Erde derartig zusammenpressen – würde auch sie zum schwarzen Loch werden.

Die Singularität im Zentrum eines schwarzen Lochs können wir mit den uns bekannten Theorien

nicht präzise beschreiben, geschweige denn beobachten, da keinerlei Informationen und

kein Licht den Ereignishorizont des schwarzen Lochs verlassen können. Warum aber ist das

so? Der Grund wird im Internet nahezu immer falsch

dargestellt. Auf Basis von Newton erklärt man, dass das schwarze Loch so viel Gravitationskraft

besitze, dass die Fluchtgeschwindigkeit größer als die Lichtgeschwindigkeit sei – damit

sei nicht einmal Licht schnell genug, um dem schwarzen Loch zu entkommen.

Tatsächlich können wir die Besonderheiten eines schwarzen Lochs nicht mit Newtons Gravitationsgesetz

erklären. Wie vermutlich die meisten von euch längst wissen, bewegt sich Licht gemäß

Einsteins spezieller Relativitätstheorie immer mit der exakt gleichen Geschwindigkeit

– der Lichtgeschwindigkeit, die masselosen Photonen müssten das schwarze Loch also verlassen

können. Und zwar mit Lichtgeschwindigkeit. Dies ist nicht möglich, weil – wieder Einstein,

nur dieses Mal die allgemeine Relativitätstheorie – die Anwesenheit von Masse die Raumzeit

krümmt. Ist die Raumzeit gekrümmt, vergeht Zeit langsamer. Mit anderen Worten, Uhren

auf dem Jupiter ticken langsamer als auf der Erde.

Der Effekt ist stärker je größer die Masse ist. Innerhalb des Schwarzschildradius ist

die Raumzeit so stark gekrümmt, dass die Zeit stillsteht. Die Photonen könnten dem

schwarzen Loch entweichen – aber da keine Zeit vergeht, kommt es zu einem Effekt, der

gravitational redshift genannt wird: je stärker die Zeitdilatation, desto langwelliger wird

das Licht. Am Ereignishorizont ist dieser gravitational redshift unendlich groß. Keine

Welle. Keine Bewegung. Kein Licht. Schwarz. Aus irgendeinem Grund hat sich die Newtonsche

Erklärung im Internet durchgesetzt und wird quasi als Meme weitergetragen. Möglicherweise

trägt ja unser Video ein wenig dazu bei, hier ein wenig Licht ins Dunkel zu bringen

(das war ein Wortspiel, Christoph). Bleiben wir kurz bei den Absonderlichkeiten

der Raumzeit um ein schwarzes Loch. Stellen wir uns mal einen überraschten Astronauten

namens Tom vor, der aus einem abwegigen Grund (involviert waren eine Fehlfunktion der Raumschifftoilette,

ein 1-Meter langer Gummischlauch und ein Pavian namens Dr. Kepler) – der also aus irgendeinem

Grund in ein schwarzes Loch fällt. Die Zeit verläuft nun jeweils anders für ihn und

für Dr. Kepler, der aus sicherer Distanz vom Raumschiff aus zusieht. Der Pavian sieht

den Astronauten fallen – und zwar immer langsamer. So lange, bis dieser schließlich

am Ereignishorizont einzufrieren scheint. Wenig später verblasst der Astronaut und

verschwindet. Anders ergeht es dem Astronauten Tom. Er nimmt

keine Verlangsamung wahr – auf seiner Uhr vergeht die Zeit normal weiter. Anders im

Universum um ihn herum. Wenn Tom den Ereignishorizont erreicht und in die Sterne blickt, dann würde

er, könnte er dort kurz anhalten, die gesamte Zukunft des beobachtbaren Universums sehen.

Und zwar gleichzeitig. Das Licht aller Sterne von jetzt und allen Sternen die da noch sein

werden würde ins Unendliche blau verschoben und träfe Tom. Und brennt ihn aus dem Universum.

Dass Tom das nicht miterleben muss, hat er der Gezeitenkraft zu verdanken. Ihr erinnert

euch vielleicht an das Video, dass wir dazu machten. Die Gravitation ist umgekehrt proportional

zum Quadrat der Distanz zwischen zwei Massen. Also Tom und der Singularität. Normalerweise

wäre ein Unterschied von 2 Metern zu vernachlässigen – nicht aber bei einem schwarzen Loch. Dessen

Masse ist so gewaltig, und sein Radius so klein, dass die Kraft, die an Toms Füßen

zieht, vielfach stärker ist als die Kraft, die an seinem Kopf zieht. Tom wird in diesem

Gravitationsfeld in die Länge gezogen bis er – einem Spaghetti gleich – viele Kilometer

lang aber nur noch so dick ist wie ein Haar. Der astronomische korrekte Fachbegriff für

diesen Effekt ist Spaghettifizierung. Kein Witz.

Diese Spaghettifizierung ist übrigens auch der Grund, warum Wurmlochreisen in schwarzen

Löchern so unwahrscheinlich scheinen – selbst wenn es sie gäbe – wir könnten nur als

extrem langer Wurm durchs Wurmloch … Und auf Wunsch einiger Zuschauer noch etwas

zur Hawking-Strahlung. Stephen Hawking hat gezeigt, dass Quanteneffekte in gekrümmter

Raumzeit dazu führen können, dass ein schwarzes Loch Masse verliert. Vereinfacht dargestellt

entstehen – durch die starke Gravitation des schwarzen Loches – in der Nähe des

Ereignishorizonts virtuelle Teilchenpaare aus Materie und Antimaterie. Befindet sich

eines dieser Teilchen innerhalb des Ereignishorizonts, verbleibt es im schwarzen Loch – der andere

allerdings kann entkommen. Das geflüchtete Teilchen hat eine positive Ladung, welche

damit dem Schwarzen Loch verloren geht. Nach Einsteins E=mc² hat das schwarze Loch nun

an Energie und Masse eingebüßt. Auf diese Weise könnten Schwarze Löcher über Trillionen

von Jahren all ihre Energie als Hawking Strahlung abgeben und letztlich verdampfen. Beobachten

konnten wir Hawking-Radiation bis dato noch nicht.

Geschafft. Hoffentlich habt ihr heute einiges Neues zu schwarzen Löchern gelernt. Lest

das ganze ruhig nochmal nach, informiert euch gerne auch in anderen Quellen – aber in

diesem Fall bitte ausnahmsweise nicht auf YouTube. Moment – bevor ihr ausschaltet,

abonniert, teilt, liked und vergesst die Glocke nicht. Wir sagen wie immer danke fürs Zuschauen

und in diesem Sinne: 42!