Schwarzes Loch

Wissenschaftliche Forschungsergebnisse bestätigen, dass in jedem Galaxienzentrum ein supermassives Schwarzes Loch existiert. Schwarze Löcher sind damit maßgeblich an der Schöpfung von Galaxien, Sonnen, Planeten und dem „Leben an sich“ beteiligt. Der Begriff „Schwarzes Loch“ wurde erstmals 1967 durch den amerikanischen Physiker John Wheeler geprägt.

Wenn ein Stern nach einer Supernova-Explosion mit einer überkritische Masse unter seinem eigenen Gewicht kollabiert, erreicht er irgendwann eine kritische Größe, bei der die Fluchtgeschwindigkeit gleich der Lichtgeschwindigkeit ist. Dann ist nach der Allgemeinen Relativitätstheorie die Gravitationskraft an seiner Oberfläche unendlich groß. Das bedeutet, dass auch die Kraft, die nötig wäre, um sein weiteres kollabieren zu verhindern, unendlich groß sein müsste.

Der Radius, der dieser kritischen Größe entspricht, wird als Schwarzschild-Radius bezeichnet und ist benannt nach dem deutschen Astronomen Karl Schwarzschild (1873-1916). Er bildet die äußerste Grenze eines Schwarzen Lochs. Die imaginäre Kugel um ein Schwarzes Loch wird Ereignishorizont genannt. Aus ihm kann aufgrund der unendlichen Gravitationskraft nichts mehr entkommen, noch nicht einmal Licht, wodurch Schwarze Löcher ihren Namen erhielten.

Sobald ein kollabierender Stern seinen eigenen Ereignishorizont überschreitet, kollabiert er bis seine gesamte Masse auf einem einzigen Punkt zusammengepresst ist, die sogenannte Singularität. Hier herrschen extreme Bedingungen, der Raum ist unendlich gekrümmt und die physikalische Zeit endet.

Ein Schwarzes Loch hat die selben elementaren Eigenschaften wie ein Elementarteilchen, nämlich nur noch Masse, Ladung und Spin. Sie charakterisieren ein Schwarzes Loch vollständig. Zwei Schwarze Löcher mit der selben Masse, der selben Ladung und dem selben Spin sind physikalisch identisch.

Schwarze Löcher sind nicht vollkommen schwarz, denn sie emittieren Strahlung in Form von Photonen. Erhält ein Schwarzes Loch keine Energiezufuhr mehr von außen in Form von Sternen, Staub und Galaxien, verdampft es infolge der Strahlenemission, der sogenannten Hawking-Strahlung, im Laufe der Zeit vollständig. Zurück bleibt eine nackte Singularität und das vorläufige Ende der Zeit.

Bisher wird angenommen, dass eine nackte Singularität eines Schwarzen Lochs zugleich der Beginn eines neuen Universums durch einen Urknall sein könnte, denn auch der Urknall ist eine nackte Singularität und der Anfang der Zeit. Beide Fälle sind sehr ähnlich, wenn nicht sogar identisch. Alternativ wäre es auch möglich, dass ein Schwarzes Loch mit einem Weißen Loch einer anderen Dimension durch eine Einstein-Rosenbrücke verbunden sein könnte, wodurch dort ein neues Universum als Urknall aus diesem Weißen Loch hervorgeht.

Um zu verstehen, was in einem Schwarzen Loch vor sich geht, untersuchte Jacob Bekenstein (1947-2015) mit Stephen Hawking (1942-2018) die Entropie von Schwarzen Löchern. Sie beschreibt das Maß der Unordnung von Teilchen und Energie in einem Schwarzen Loch. Die Theorie der Bekenstein-Hawking-Entropie besagt, dass die Entropie im Inneren eines Schwarzen Lochs proportional zur Fläche seines Ereignishorizonts ist. Sie wurde aus Daten von Gravitationswellen bei der Verschmelzung Schwarzer Löcher im Jahr 2021 bestätigt.

Die Erkenntnis ihrer Theorie ist ein Meilenstein in der Geschichte der Physik, denn sie zeigt, dass Schwarze Löcher thermodynamische Systeme mit Temperatur und Entropie sind, wodurch die Relativitätstheorie mit der Quantenmechanik verknüpft wurde.

Quasar (Quasistellares Objekt)

Ein Quasar ist ein "aktives" supermassives Schwarzes Loch im Zentrum einer Galaxie, das Photonen emittiert. Dabei erzeugen starke Magnetfelder gerichtete Teilchenströme (Jets), die senkrecht zur Akkretionsscheibe (Drehachse) ausgestoßen werden. Die dabei emittierte Strahlung wird Synchrotronstrahlung genannt.

Die Jets eines Quasars werden weit ins Weltall hinaus gefeuert und strahlen heller, als ihre gesamte umliegende Galaxie. Gespeist werden die Quasare durch jegliche erreichbare Materie aus ihrer Umgebung. Lässt der Materienachschub nach, reduziert sich die Strahlung und das Schwarze Loch wird optisch unsichtbar.

Jede Galaxie unseres Universums hat einmal die Phase eines Quasars durchlaufen. Die Andromeda-Galaxie beinhaltet ein Schwarzes Loch mit 100-140 Millionen Sonnenmassen. Dagegen hat das Schwarze Loch im Zentrum unserer Milchstraße nur etwas mehr als 4 Millionen Sonnenmassen und ist damit verhältnismäßig klein.

Quasare sind die am weitesten entfernten sichtbaren Objekte im Universum. Manche sind über 10 Milliarden Lichtjahre entfernt. Das Universum war zu diesem Zeitpunkt noch relativ jung, als das für uns sichtbare Licht dort ausgestrahlt wurde.