https://www.faz.net/-gwz-9lthv

Bild des Schwarzen Lochs : Ein historischer Schatten

Simulation des Supermassiven Schwarzen Lochs im Zentrum unserer Galaxie, so wie es bei der Beobachtung mit dem Radioantennenverbund „Event Horizon Telescope“ erscheinen könnte. Bild: Lucuano Rezzolla, Universität Frankfurt

Schwarze Löcher galten lange als Inbegriff des Unbeobachtbaren. Bevor nun dem EHT erstmalig eine direkte Abbildung gelangt, stellte sich lange die Frage nach ihrer Existenz.

          Durch unsere Welt verläuft seit jeher eine Grenze. Durch sie wird das Beobachtbare vom Unbeobachtbaren getrennt. Zumindest für den Empiristen scheidet diese Grenze das, über dessen Existenz wir sicher sein können, von dem, dessen Existenz wir bloß vermuten. Die Unterscheidungslinie ist indes keine feste. Im Laufe der Zeit und unter dem Einfluss technologischer Entwicklungen bewegt sie sich. Biologische Zellen, Atome, Elektronen und Neutrinos wechselten so einst die Seiten und konnten sich von Zweifeln befreien. 2016 erlangten die von Einstein postulierten Gravitationswellen den Status des direkt Beobachtbaren. Andere Phänomene konnten dem Voranschreiten der Grenzlinie nicht standhalten: Phlogiston, eine im späten 17. Jahrhundert eingeführte Substanz zur Erklärung von Verbrennungsprozessen, und Äther, ein schon von Aristoteles beschriebenes und den Raum füllendes Medium, stellten sich als unbeobachtbar heraus, da sie schlicht nicht existierten.

          Sibylle Anderl

          Redakteurin im Feuilleton.

          Zu jedem Zeitpunkt gibt es aber Phänomene wissenschaftlicher Theorien, von denen man annimmt, dass sie diesem empirischen Reifeprozess entzogen sein könnten, weil ihre Natur so extrem erscheint, dass man sich keine Technologie denken kann, die uns Menschen empirischen Zugang zu ihnen gewähren könnte – nicht einmal indirekt vermittels ihrer Wirkung auf etwas Beobachtbares. Dazu zählen heute viele hypothetische Phänomene der theoretischen Hochenergiephysik: Strings, Extradimensionen, Paralleluniversen. Lange Zeit wurden auch Schwarze Löcher als Phänomene dieser Art genannt.

          Erste Berechnung vor 103 Jahren

          Bereits 1916 wurden diese höchst ungewöhnlichen Objekte von Karl Schwarzschild in ihrer einfachsten Form als Lösungen der Feldgleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie gefunden. Nach Einstein krümmen Massen die Raumzeit. Bei extrem kompakten Massen kann die Krümmung so groß werden, dass eine Region entsteht, aus der nichts, nicht einmal Licht, entkommen kann. Unsere Erde würde so zu einem Schwarzen Loch, wenn man sie auf eine Kugel zusammenpresste, deren Radius dem einer Zwei-Cent-Münze entspricht. Mathematisch präsentieren sich diese Lösungen als „Singularitäten“. Etwas, das im Rahmen der Physik traditionell stets zu verhindern war, da hier Größen unendlich werden und einem die Mathematik gewissermaßen um die Ohren fliegt.

          Der Physiker Stephen Hawking leistete wichtige Beiträge zum theoretischen Verständnis Schwarzer Löcher.

          Einstein selbst zweifelte noch 1939 an ihrer Existenz: „Schwarzschild-Singularitäten“ könnten nicht existieren – so versuchte er zu zeigen –, da es nicht möglich sei, Materie beliebig stark zu konzentrieren. In den sechziger Jahren des vergangenen Jahrhunderts gelangen Physikern wie Roger Penrose und Stephen Hawking aber wichtige theoretische Durchbrüche im Verständnis Schwarzer Löcher. Es wurden beispielsweise die Details der Entstehung Schwarzer Löcher geklärt, wenn massereiche Sterne am Ende ihres Lebens kollabieren. Anfang der siebziger Jahre spekulierten die Astrophysiker Donald Lynden-Bell und Martin Rees, dass sich im Zentrum unserer Galaxie ein supermassereiches Schwarzes Loch befinden könnte, das unablässig Materie schluckt.

          Stephen Hawking und die Wette

          Dennoch hielt sich die Skepsis hinsichtlich der Existenz Schwarzer Löcher, selbst als sich in den siebziger und achtziger Jahren die indirekten empirischen Hinweise für sie mehrten. Noch 1983 bekannte der kanadische Wissenschaftsphilosoph Ian Hacking: „Nun muss ich gestehen, dass ich Schwarze Löcher etwa mit einer gewissen Skepsis betrachte. Von Leibniz übernehme ich einen gewissen Widerwillen gegen okkulte Kräfte.“ So habe dieser nichts von Newtons Gravitation als unerklärlicher Fernwirkung gehalten und immerhin 200 Jahre später recht bekommen. Stephen Hawking und Kip Thorne, Physik-Nobelpreisträger 2017, wetteten 1975 darum, ob die galaktische Röntgenquelle Cygnus X-1 ein Schwarzes Loch beherbergt, das aus dem Kollaps eines Sterns entstanden ist – Massenabschätzungen hatten dies nahegelegt. Heute gilt diese Deutung als gesichert.

          Das Doppelsystem Cygnus X-1 war der erste überzeugende Kandidat dafür, Heimat eines stellaren Schwarzes Lochs zu sein – hier in künstlerischer Darstellung.

          Die letzten Zweifler wurden um die Jahrtausendwende überzeugt, als unabhängig voneinander europäische Astronomen um Reinhard Genzel und Andreas Eckart sowie eine amerikanische Gruppe um Andrea Ghez aus der Bewegung von Sternen im Zentrum unserer Galaxie ableiten konnten, dass sich dort tatsächlich eine kompakte Masse – rund vier Millionen Mal so massereich wie unsere Sonne – befindet, ein „supermassereiches Schwarzes Loch“. Heute geht man davon aus, dass sich solche gigantischen Schwarzen Löcher im Zentrum fast aller Galaxien finden, neben den vielen „kleinen“ stellaren Schwarzen Löchern, die innerhalb der Galaxie verteilt sind. Einen weiteren Beleg für die Existenz stellarer Schwarzer Löcher lieferten die erstmals 2016 beobachteten Gravitationswellen, die durch die Verschmelzung ineinander stürzender Schwarzer Löcher erklärt werden können.

          Im Zentrum unserer Milchstraße – hier am Himmel hinter dem Alma-Teleskopverbund zu sehen – weisen die extremen Bewegungen von Sternen auf die Existenz einer enormen Masse hin.

          All diese empirischen Belege sind indirekter Art. Was bislang fehlte, war etwas, das uns visuell ausgerichteten Menschen als Erstes in den Sinn kommt, wenn wir an Beobachtbarkeit denken, und das damit final die Grenzüberschreitung hin zum uns Vertrauten definiert: ein Bild eines Schwarzen Lochs. Nun liegt bereits in diesem Begriff ein innerer Widerspruch: Wie will man etwas abbilden, das alles Licht unwiederbringlich schluckt? Sind Schwarze Löcher nicht die ultimativen Vertreter dessen, was nicht direkt beobachtbar ist?

          Abbildung im Kontrast zur Umgebung

          Wenn von einem Bild eines Schwarzen Lochs die Rede ist, kann es tatsächlich nur darum gehen, das Schwarze Loch im Kontrast zu seiner sichtbaren Umgebung abzubilden, dem Gas also, das sich in einem scheibenförmigen Strudel in das Loch hinein bewegt und teilweise in zwei strahlenförmigen Ausflüssen senkrecht zur Scheibe abgestoßen wird. Dieses Gas heizt sich in seiner Bewegung zu einem heißen Plasma auf. Freie Elektronen senden auf ihren gekrümmten Bahnen starke Synchrotronstrahlung aus, die bei Wellenlänge vom Radiobereich bis ins ferne Infrarot beobachtbar ist.

          Diese Illustration zeigt, wie sich Gas in einer Akkretionsscheibe in ein supermassereiches Schwarzes Loch bewegt, während senkrecht zur Scheibe magnetisierte Ausflüsse ausgestoßen werden.

          Die definitorische Grenze eines Schwarzen Lochs ist sein Ereignishorizont – der von der Masse des Schwarzen Lochs abhängige Radius, ab dem kein Entkommen mehr möglich ist. Allerdings werden Lichtteilchen bereits in einem größeren Bereich um das Schwarze Loch herum eingefangen. Der entsprechende Photonen-Einfangradius ist im einfachsten Fall eines wie von Karl Schwarzschild beschriebenen Schwarzen Lochs rund fünfmal so groß wie der Ereignishorizont. Lichtteilchen, deren Entfernung vom Schwarzen Loch genau diesem Einfangradius entspricht, bewegen sich auf einer instabilen Kreisbahn, dem sogenannten Photonenring. Simulationen zeigen, dass ein entfernter Beobachter diesen Photonenring als dünnen Emissionsring sehen sollte, eingebettet in die Strahlung der Akkretionsscheibe, deren Rückseite durch den Einfluss der starken Gravitation oberhalb und unterhalb des dunklen „Schattens“ des Schwarzen Lochs sichtbar wird.

          Die Größe des „Schattens“ des Schwarzen Lochs im Zentrum unserer Galaxie, genannt Sagittarius A*, ist am Himmel allerdings winzig: etwa so groß, wie uns von der Erde aus gesehen eine Mandarine auf dem Mond erschiene. Die Sicht ist zudem durch Material der galaktischen Ebene beeinträchtigt. Etwas kleiner erscheint das supermassereiche Schwarze Loch der rund 55 Millionen Lichtjahre entfernten elliptischen Galaxie M87 im Zentrum des Virgo-Haufens. Dessen Masse ist mehr als tausendmal größer als die von Sagittarius A*. Um eine Auflösung zu erreichen, die die Umgebung dieser Schwarzen Löcher abbilden kann, braucht man bei Wellenlängen im Millimeter-Bereich ein Teleskop der Größe der Erde – das durch die Kombination von Radioteleskopen weltweit simuliert werden kann.

          Der Bereich des Beobachtbaren hat sich mit diesem Bild eines Schwarzen Lochs, aufgenommen durch das EHT, erneut erweitert.

          Das international organisierte „Event Horizon Telescope“ (EHT) hat dieses gigantische Beobachtungsprojekt seit ersten Planungen 2012 in Angriff genommen, nachdem Astronomen um Heino Falcke von der niederländischen Radboud University im Jahr 2000 die prinzipielle Durchführbarkeit des Projektes gezeigt hatten. In der vergangenen Woche konnten die Wissenschaftler nun also das erste, 2017 aufgenommene Bild des Schwarzen Lochs in M87 veröffentlichen.

          Das Bild zeigt um den „Schatten“ herum den erwarteten Ring, der im Süden heller ist als im Norden – ein Effekt, der durch die relativistische Bewegung des Gases hervorgerufen wird, das heller erscheint, wenn es sich auf den Beobachter zubewegt. Die jahrelangen Bemühungen der Astronomen weltweit haben sich gelohnt: Die Grenze des Bereichs des Beobachtbaren ist mit diesem so lange erwarteten wissenschaftlichen Ergebnis in eindrucksvoller Weise ein weiteres Mal verschoben worden.

          Weitere Themen

          Topmeldungen

          Hat sich zum Zwei-Prozent-Ziel der Nato-Staaten bekannt: Annegret Kramp-Karrenbauer

          Akks Wehretat : Der Streit schwelt weiter

          Die neue Verteidigungsministerin Annegret Kramp-Karrenbauer bekräftigt das Ziel der Nato, dass die Verteidigungsausgaben steigen sollen. Das provoziert Widerstand – in der Opposition und selbst beim Koalitionspartner.

          Newsletter

          Immer auf dem Laufenden Sie haben Post! Abonnieren Sie unsere FAZ.NET-Newsletter und wir liefern die wichtigsten Nachrichten direkt in Ihre Mailbox. Es ist ein Fehler aufgetreten. Bitte versuchen Sie es erneut.
          Vielen Dank für Ihr Interesse an den F.A.Z.-Newslettern. Sie erhalten in wenigen Minuten eine E-Mail, um Ihre Newsletterbestellung zu bestätigen.