Schwarze Löcher
- The event horizon as the point of no returnnoch nicht geprüft
- Schwarzschild radius r_s = 2GM/c²noch nicht geprüft
- Stellar-mass and supermassive black holesnoch nicht geprüft
- Hawking radiation and the information paradoxnoch nicht geprüft
Karl Schwarzschild, ein deutscher Astrophysiker, der im Ersten Weltkrieg an der russischen Front diente, löste Einsteins Feldgleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie für den einfachsten Fall — die Raumzeit um eine einzelne, nicht rotierende Masse — und schickte die Lösung im Januar 1916 an Einstein. Vier Monate später starb er, mit 42 Jahren, an einer seltenen Autoimmunkrankheit. Seine Lösung enthielt ein Merkmal, das man erst vier Jahrzehnte später ernst nahm: Bei einem bestimmten Radius wird der Sog so steil, dass nicht einmal Licht wieder herausklettern kann. Man hielt das Phänomen für eine mathematische Kuriosität, bis die Röntgenastronomie in den 1960er Jahren Doppelsterne fand, die sich nur durch kompakte, dunkle, kollabierte Objekte erklären ließen. Schwarze Löcher sind real. Das Bild, das das Event Horizon Telescope 2019 vom zentralen Schwarzen Loch der Galaxie M87 aufnahm — ein leuchtender Ring um eine Dunkelheit von der Größe unseres Sonnensystems —, war die erste direkte Sichtbestätigung.
Ein Schwarzes Loch ist ein Bereich des Raums, in dem die Schwerkraft so stark ist, dass nichts — nicht einmal Licht — entkommen kann. Die Grenze ist der Ereignishorizont: der Punkt ohne Wiederkehr, hinter dem nichts mehr herausklettern kann. Bei einem nicht rotierenden Loch liegt dieser Horizont beim Schwarzschild-Radius — bei einer Sonnenmasse rund 3 km, bei der Erde 9 mm. Innerhalb davon führt jeder mögliche Weg nach innen auf eine zentrale Singularität zu, einen Punkt formal unendlicher Dichte, an dem die Allgemeine Relativitätstheorie selbst versagt. Bemerkenswerterweise ist ein zur Ruhe gekommenes Schwarzes Loch durch nur drei Zahlen vollständig beschrieben — seine Masse, seine elektrische Ladung und seinen Drehimpuls (das „Keine-Haare“-Theorem); den rotierenden Fall beschreibt die Kerr-Lösung von 1963. Schwarze Löcher von Sternmasse entstehen, wenn der Kern eines massereichen Sterns kollabiert, sobald die Fusion ihn nicht mehr stützt. Supermassereiche, millionen- bis milliardenfach so schwer wie die Sonne, sitzen in den Zentren fast aller Galaxien, darunter Sgr A* der Milchstraße (~4 Millionen Sonnenmassen, dessen umlaufende Sterne von den Nobelpreisträgern Genzel und Ghez 2020 verfolgt wurden). Und Schwarze Löcher sind nicht vollkommen schwarz: 1974 zeigte Stephen Hawking, dass Quanteneffekte am Horizont sie schwach leuchten und über ungeheure Zeiträume langsam verdampfen lassen — Hawking-Strahlung, umso schwächer, je massereicher das Loch. Daraus erwächst das Informationsparadoxon: Diese Strahlung wirkt strukturlos und scheint nichts nach außen zu tragen, doch die Quantenmechanik besteht darauf, dass Information niemals vernichtet werden kann — ein zentrales ungelöstes Problem der Quantengravitation. Gravitationswellen verschmelzender Schwarzer Löcher, 2015 erstmals von LIGO eingefangen, gehören heute zur Routine und eröffnen einen direkten experimentellen Zugang zur Schwerkraft in ihrer extremsten Form.