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Physik-Nobelpreis 2020 : Die Grenzorte des Verstehens

Andrea Ghez, Professorin für Physik und Astronomie an der University of California in Los Angeles.
Andrea Ghez, Professorin für Physik und Astronomie an der University of California in Los Angeles. : Bild: dpa

Singularitäten sind reale Eigenschaften

Bis sich diese Deutung durchsetzen konnte, dauerte es aber viele Jahre. Auch Einstein zweifelte, zu extrem erschienen ihre Konsequenzen. In den frühen sechziger Jahren gab es aber erste Hinweise, dass es im Kosmos tatsächlich Objekte geben könnte, die dieser theoretischen Beschreibung entsprechen. Bestimmte ferne Galaxien, sogenannte Quasare, strahlen in ihrem Zentrum rund tausendmal so hell wie unsere gesamte Milchstraße. Eine Beobachtung, die nur durch eine extreme Massenkonzentration erklärt werden konnte. Diese Beobachtung gab den Theoretikern neuen Aufwind.

Zusammen mit anderen gelang es schließlich Roger Penrose zu zeigen, dass das Auftreten der Singularitäten nicht der Einführung bestimmter mathematischer Annahmen geschuldet war, sondern eine reale Eigenschaft der Raumzeit darstellt. Dafür nutzte er die mathematischen Werkzeuge der Topologie, mit denen er beschreiben konnte, wie jede geschlossene zweidimensionale Fläche innerhalb des Schwarzschildradius exotische raumzeitliche Eigenschaften ausbildet: Raum und Zeit vertauschen dort ihre Rollen. So wenig wie man sich in der Zeit rückwärts bewegen kann, ist es möglich, aus einem Schwarzen Loch zu entkommen. Mit Hilfe der von Penrose in den sechziger Jahren entwickelten Konzepte wurde jeder Zweifel ausgeräumt: Wenn ein Stern oder eine Materiewolke genügend großer Masse kollabieren, entsteht eine raumzeitliche Singularität, ein Schwarzes Loch.

Sagittarius A*, der massenreiche Schwerkraftgigant

Schwarze Löcher konnten daraufhin zum Verständnis der Quasare dienen. Die Materie, die sich in großen Scheiben in das Zentrum dieser Galaxien und in das sich dort befindende Schwarze Loch hineinbewegt, wird aufgeheizt und erzeugt so eine gigantische Leuchtkraft.

Roger Penrose, Theoretiker und Mathematiker an der University of Oxford.
Roger Penrose, Theoretiker und Mathematiker an der University of Oxford. : Bild: dpa

Ein empirischer Beweis für die Existenz Schwarzer Löcher im Zentrum von Galaxien war dies allerdings noch nicht. Den konnten erst um die Jahrtausendwende Reinhard Genzel und Andrea Ghez zusammen mit ihren jeweiligen Mitarbeitern liefern. Dafür richteten sie ihre Teleskope auf das Zentrum der Milchstraße – eine dicht von Sternen, Gas- und Staubwolken besiedelte und damit sehr unübersichtliche Region unserer Heimatgalaxie, deren zentrale Radioquelle als Sagittarius A* bezeichnet wird. Die Idee: Aus der Bewegung von Sternen um das Galaktische Zentrum kann die dortige Massenverteilung abgeleitet werden und damit die Frage beantwortet werden, welche Art von Objekt sich dort befindet. Diese Strategie erfordert für die Wiedergabe der Sternbewegungen lange Beobachtungszeiten und höchste Präzision. Möglich wurde dies nur durch die Nutzung adaptiver Optik, die aktive, durch Anpassungen des Sekundärspiegels im Teleskop erzielte Korrektur derjenigen Bildfehler, die durch den Einfluss der Erdatmosphäre hervorgerufen werden.

Ghez und ihre Mitarbeiter nutzten dafür das Keck-Observatorium auf Hawaii, Genzels Team beobachtete die Sterne mit chilenischen Teleskopen der Europäischen Südsternwarte. Die Ergebnisse beider Gruppen stimmten schließlich überein. Insbesondere die extreme Bewegung eines Sterns, genannt S2, der in weniger als 16 Jahren das Zentrum der Milchstraße umkreist, lieferte den Nachweis, dass sich dort ein Schwarzes Loch mit einer Masse befindet, die der von rund vier Millionen Sonnen entspricht. Dieses Resultat wurde seitdem vielfach bestätigt.

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Im Überblick : Nobelpreisträger von 1901 bis 2020

Die Realität Schwarzer Löcher ist heute unbezweifelt – der Versuch, sie vollständig zu verstehen, ist dennoch nach wie vor sehr lückenhaft. Auf die Frage, was sich im Inneren eines Schwarzen Lochs befindet, antwortete Andrea Ghez am Dienstag nach Bekanntgabe ihrer Ehrung: „Wir wissen es nicht. Sie repräsentieren die Grenze unseres physikalischen Verständnisses.“ Eine Eigenschaft, die sicherlich einen Teil ihrer Faszination ausmacht.

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