Schwarze Löcher

Wo die Raumzeit sich so stark krümmt, dass Licht nicht mehr hinausfindet, endet auch die Eintracht der Physik: Allgemeine Relativitätstheorie und Quantenmechanik geben dort verschiedene Antworten.

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Der Beitrag

Im Dezember 1915 schickte Karl Schwarzschild Einstein eine Lösung von dessen Feldgleichungen für den denkbar einfachsten Fall: die Raumzeit um eine einzelne, nicht rotierende Masse. Der deutsche Astrophysiker stand zu dieser Zeit an der russischen Front des Ersten Weltkriegs; fünf Monate später war er tot, mit 42 Jahren, an einer seltenen Autoimmunkrankheit. In seiner Lösung steckte ein Detail, das vier Jahrzehnte lang niemand ernst nahm: Von einem bestimmten Radius an wird der Sog so steil, dass nicht einmal Licht wieder herausklettert. Man hielt das für eine mathematische Kuriosität — bis die Röntgenastronomie Anfang der 1970er Jahre Doppelsterne fand, die sich allein durch kompakte, dunkle, kollabierte Begleiter erklären ließen. Schwarze Löcher gibt es wirklich. Die erste direkte Sichtbestätigung lieferte 2019 das Event Horizon Telescope mit seinem Bild des zentralen Schwarzen Lochs von M87: ein leuchtender Ring um eine Dunkelheit von der Größe unseres Sonnensystems.

Ein Schwarzes Loch ist ein Raumbereich, in dem die Schwerkraft so stark ist, dass nichts entkommt — auch das Licht nicht. Seine Grenze ist der Ereignishorizont, der Punkt ohne Wiederkehr, hinter dem kein Weg zurückführt. Bei einem nicht rotierenden Loch liegt er beim Schwarzschild-Radius: rund 3 km für eine Sonnenmasse, 9 mm für die Erde. Dahinter führt jeder mögliche Weg nach innen, auf eine zentrale Singularität zu — einen Punkt formal unendlicher Dichte, an dem die Allgemeine Relativitätstheorie selbst aufhört zu gelten. Bemerkenswert ist, wie wenig ein zur Ruhe gekommenes Loch braucht, um vollständig beschrieben zu sein: drei Zahlen, nämlich Masse, elektrische Ladung und Drehimpuls — das Theorem, dass Schwarze Löcher „keine Haare“ haben; den rotierenden Fall behandelt die Kerr-Lösung von 1963. Löcher von Sternmasse entstehen, wenn der Kern eines massereichen Sterns kollabiert, sobald die Fusion ihn nicht mehr trägt. Supermassereiche, millionen- bis milliardenfach schwerer als die Sonne, sitzen in den Zentren nahezu aller Galaxien, in der Milchstraße Sgr A∗ mit etwa 4 Millionen Sonnenmassen, dessen umlaufende Sterne Genzel und Ghez vermessen haben — Nobelpreis 2020. Ganz schwarz sind sie ohnehin nicht: 1974 zeigte Stephen Hawking, dass Quanteneffekte am Horizont ein schwaches Leuchten erzeugen und das Loch über ungeheure Zeiträume verdampfen lassen — die Hawking-Strahlung, umso schwächer, je massereicher das Loch. Daran hängt das Informationsparadoxon: Diese Strahlung wirkt strukturlos und scheint nichts hinauszutragen, während die Quantenmechanik darauf besteht, dass Information nie vernichtet wird — eines der zentralen ungelösten Probleme der Quantengravitation. Gravitationswellen verschmelzender Schwarzer Löcher, 2015 erstmals von LIGO aufgefangen, sind heute Routine und öffnen einen direkten experimentellen Zugang zur Schwerkraft im Extremfall.

Warum jetztDie Gravitationswellen-Astronomie — LIGO, Virgo, KAGRA, künftig LISA — hat über hundert Verschmelzungen Schwarzer Löcher eingefangen und kartiert inzwischen deren Populationen quer durch das Universum. Das Event Horizon Telescope hat sowohl das Loch in M87 (2019) als auch Sgr A∗ (2022) abgebildet; einen Film von Sgr A∗ erwartet man vor 2030. Zum Prüffeld höchster Präzision ist die Thermodynamik Schwarzer Löcher geworden — die Einsicht, dass ein Schwarzes Loch eine wohlbestimmte Temperatur und Entropie besitzt: Jede vorgeschlagene Theorie der Quantengravitation muss diese Zahlen exakt herausbekommen. Aus derselben Arbeit ist der Gedanke hervorgegangen, dass sich alles, was in einem Bereich geschieht, auf dessen Rand kodieren lässt (Holografie) — heute ein eigenständiger, tragender Rahmen. Wie Information einem verdampfenden Loch entkommt, ist nach wie vor umkämpft; mehrere Vorschläge konkurrieren. Schwarze Löcher sind zugleich die einfachsten und die extremsten Objekte der Physik.

Zur VertiefungEine kurze Geschichte der Zeit (Hawking, 1988). Black Holes and Time Warps (Thorne, 1994). Black Hole Physics (Frolov & Novikov, 1998). Spacetime and Geometry (Carroll, 2. Aufl., 2019).