Die erschreckende Realität von Schwarzen Löchern

von Chris Impey, Universität von Arizona

Halloween ist eine Zeit, in der Geister, Kobolde und Ghule heimgesucht werden, aber nichts im Universum ist furchterregender als ein Schwarzes Loch.

Schwarze Löcher – Regionen im Weltraum, in denen die Schwerkraft so stark ist, dass nichts entkommen kann – sind heutzutage ein heißes Thema in den Nachrichten. Die Hälfte des Physik-Nobelpreises 2020 ging an Roger Penrose für seine mathematischen Arbeiten, die zeigen, dass Schwarze Löcher eine unausweichliche Folge von Einsteins Gravitationstheorie sind. Andrea Ghez und Reinhard Genzel teilten sich die andere Hälfte, um zu zeigen, dass ein massereiches Schwarzes Loch im Zentrum unserer Galaxie sitzt.

Schwarze Löcher sind aus drei Gründen beängstigend. Wenn Sie beim Tod eines Sterns in ein schwarzes Loch fallen, werden Sie zerfetzt. Auch die massereichen Schwarzen Löcher, die im Zentrum aller Galaxien zu sehen sind, haben einen unstillbaren Appetit. Und Schwarze Löcher sind Orte, an denen die Gesetze der Physik ausgelöscht werden.

Ich studiere Schwarze Löcher seit über 30 Jahren. Insbesondere habe ich mich auf die supermassiven Schwarzen Löcher konzentriert, die im Zentrum von Galaxien lauern. Die meiste Zeit sind sie inaktiv, aber wenn sie aktiv sind und Sterne und Gas fressen, kann die Region in der Nähe des Schwarzen Lochs die gesamte Galaxie, die sie beherbergt, in den Schatten stellen. Galaxien, in denen Schwarze Löcher aktiv sind, werden Quasare genannt. Trotz allem, was wir in den letzten Jahrzehnten über Schwarze Löcher gelernt haben, gibt es noch viele Rätsel zu lösen.

Tod durch Schwarzes Loch

Es wird erwartet, dass sich Schwarze Löcher bilden, wenn ein massereicher Stern stirbt. Nachdem der Kernbrennstoff des Sterns erschöpft ist, kollabiert sein Kern auf den dichtesten vorstellbaren Materiezustand, hundertmal dichter als ein Atomkern. Das ist so dicht, dass Protonen, Neutronen und Elektronen keine diskreten Teilchen mehr sind. Da Schwarze Löcher dunkel sind, werden sie gefunden, wenn sie einen normalen Stern umkreisen. Die Eigenschaften des normalen Sterns erlauben es Astronomen, auf die Eigenschaften seines dunklen Begleiters, eines Schwarzen Lochs, zu schließen.

Das erste bestätigte Schwarze Loch war Cygnus X-1, die hellste Röntgenquelle im Sternbild Cygnus. Seitdem wurden etwa 50 Schwarze Löcher in Systemen entdeckt, in denen ein normaler Stern ein Schwarzes Loch umkreist. Sie sind die nächsten Beispiele von etwa 10 Millionen, die voraussichtlich durch die Milchstraße verstreut werden.

Schwarze Löcher sind Gräber aus Materie; nichts kann ihnen entkommen, nicht einmal Licht. Das Schicksal eines jeden, der in ein Schwarzes Loch fällt, wäre eine schmerzhafte „Spaghettifizierung“, eine Idee, die Stephen Hawking in seinem Buch „A Brief History of Time“ populär gemacht hat. Bei der Spaghettifizierung würde die starke Schwerkraft des Schwarzen Lochs dich auseinander ziehen und deine Knochen, Muskeln, Sehnen und sogar Moleküle trennen. Wie der Dichter Dante die Worte über den Toren der Hölle in seinem Gedicht Göttliche Komödie beschrieb: Gib die Hoffnung auf, alle, die hier eintreten.

Ein hungriges Biest in jeder Galaxie

In den letzten 30 Jahren haben Beobachtungen mit dem Hubble-Weltraumteleskop gezeigt, dass alle Galaxien Schwarze Löcher in ihren Zentren haben. Größere Galaxien haben größere Schwarze Löcher.

Die Natur weiß, wie man Schwarze Löcher über einen erstaunlichen Massenbereich herstellt, von Sternleichen mit der ein paarfachen Sonnenmasse bis hin zu Monstern, die zig Milliarden Mal massereicher sind. Das ist wie der Unterschied zwischen einem Apfel und der großen Pyramide von Gizeh.

Erst letztes Jahr veröffentlichten Astronomen das allererste Bild eines Schwarzen Lochs und seines Ereignishorizonts, eines 7-Milliarden-Solarmassen-Tiers im Zentrum der elliptischen Galaxie M87.

Es ist über tausendmal größer als das Schwarze Loch in unserer Galaxie, dessen Entdecker den diesjährigen Nobelpreis erhalten haben. Diese Schwarzen Löcher sind die meiste Zeit dunkel, aber wenn ihre Schwerkraft nahe Sterne und Gas anzieht, flammen sie in intensive Aktivität auf und pumpen eine riesige Menge Strahlung aus. Massive Schwarze Löcher sind in zweierlei Hinsicht gefährlich. Kommt man ihm zu nahe, wird man von der enormen Schwerkraft eingesaugt. Und wenn sie sich in ihrer aktiven Quasarphase befinden, wird man von energiereicher Strahlung gesprengt.

Wie hell ist ein Quasar? Stellen Sie sich vor, Sie schweben nachts über einer Großstadt wie Los Angeles. Die rund 100 Millionen Lichter von Autos, Häusern und Straßen der Stadt entsprechen den Sternen einer Galaxie. In dieser Analogie ist das Schwarze Loch in seinem aktiven Zustand wie eine Lichtquelle mit einem Durchmesser von 1 Zoll in der Innenstadt von LA, die die Stadt um einen Faktor von Hunderten oder Tausenden überstrahlt. Quasare sind die hellsten Objekte im Universum.

Supermassive Schwarze Löcher sind seltsam

Das größte bisher entdeckte Schwarze Loch wiegt die 40-Milliarden-fache Masse der Sonne oder die 20-fache Größe des Sonnensystems. Während die äußeren Planeten in unserem Sonnensystem alle 250 Jahre einmal umkreisen, dreht sich dieses viel massereichere Objekt alle drei Monate. Sein äußerer Rand bewegt sich mit halber Lichtgeschwindigkeit. Wie alle Schwarzen Löcher sind die riesigen durch einen Ereignishorizont vor dem Blick geschützt. In ihren Zentren befindet sich eine Singularität, ein Punkt im Raum, an dem die Dichte unendlich ist. Wir können das Innere eines Schwarzen Lochs nicht verstehen, weil die Gesetze der Physik zusammenbrechen. Die Zeit friert am Ereignishorizont ein und die Gravitation wird an der Singularität unendlich.

Die gute Nachricht über massive Schwarze Löcher ist, dass Sie überleben könnten, wenn Sie in eines fallen. Obwohl ihre Schwerkraft stärker ist, ist die Dehnungskraft schwächer als bei einem kleinen schwarzen Loch und würde Sie nicht töten. Die schlechte Nachricht ist, dass der Ereignishorizont den Rand des Abgrunds markiert. Nichts kann innerhalb des Ereignishorizonts entkommen, also konntest du nicht entkommen oder über deine Erfahrung berichten.

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Laut Stephen Hawking verdunsten Schwarze Löcher langsam. In der fernen Zukunft des Universums, lange nachdem alle Sterne gestorben sind und Galaxien durch die beschleunigte kosmische Expansion aus dem Blickfeld gerissen wurden, werden Schwarze Löcher die letzten überlebenden Objekte sein.

Die massereichsten Schwarzen Löcher werden eine unvorstellbare Anzahl von Jahren brauchen, um zu verdampfen, geschätzt auf 10 hoch 100 oder 10 mit 100 Nullen danach. Die gruseligsten Objekte im Universum sind fast ewig.

Chris Impey, angesehener Universitätsprofessor für Astronomie, Universität von Arizona

Dieser Artikel wurde von The Conversation unter einer Creative Commons-Lizenz neu veröffentlicht. Lesen Sie den Originalartikel.