Schwarze Löcher – Fallen in der Raumzeit

Schwarze Löcher gehören zum festen Inventar von Science-Fiction. Diese Objekte bestehen nicht aus Materie, obwohl sie eine große Masse besitzen. Sie krümmen Raum und Zeit und haben eine geradezu unwiderstehliche Anziehungskraft. Kaum zu glauben, dass die Idee hinter solchen kosmischen Exoten schon mehr als 230 Jahre alt ist.

Im Jahr 1783 denkt der englische Naturphilosoph und Geologe John Michell über „Dunkle Sterne“ nach, die wegen ihrer Gravitation kein Licht aussenden. In seiner allgemeinen Relativitätstheorie schafft Albert Einstein 1915 die mathematischen Grundlagen für derartige Objekte. Karl Schwarzschild beschreibt ein Jahr später die Geometrie eines statischen schwarzen Lochs.

In den 1960er-Jahren erlebt die Relativitätstheorie durch neue Beobachtungen eine Renaissance. Roger Penrose (Physik-Nobelpreis 2020) und Stephen Hawking zeigen, dass es in einem schwarzen Loch eine Singularität unendlicher Dichte sowie eine unendliche Krümmung der Raumzeit geben muss.

Tatsächlich bestimmt abstrakte Mathematik den strukturellen Aufbau eines rotierenden schwarzen Lochs. Niemand kann sich etwa vorstellen, dass eine Ringsingularität keine Ausdehnung hat. Anschaulicher ist der Ereignishorizont: Er definiert Größe und Grenze, jenseits derer es für Licht oder Materie kein Zurück mehr gibt. Innerhalb der Ergosphäre muss alles mit dem schwarzen Loch mitrotieren (Grafik 1).

Mittlerweile haben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler mehrere Arten von schwarzen Löchern im All entdeckt. Sie werden je nach ihrer Masse in vier unterschiedliche Klassen eingeteilt (Grafik 2).

Galten schwarze Löcher viele Jahrzehnte als theoretische Gebilde, gelangen ab den 1970er-Jahren immer mehr praktische Beobachtungen. Vorläufiger Höhepunkt ist das erste Bild vom Schatten eines schwarzen Lochs, das im April 2019 der Weltöffentlichkeit präsentiert wurde (Grafik 3).

Bilder: GCO; ISTOCK; NASA/CXC/M. WEISS; ESO/L. CALÇADA/SPACEENGINE.ORG