bartusiakSchwarze Löcher gehören zu den faszinierendsten Objekten im Universum. Lange Zeit galten sie nur als mathematische Kuriosität; heute wissen wir, dass sie überall im Kosmos zu finden sind und großen Einfluss auf seine Entwicklung haben. Über schwarze Löcher gibt es viel zu erzählen und über sie existieren viele falsche Vorstellungen. Ich wollte schon seit längerer Zeit eine ausführliche Serie über schwarze Löcher schreiben. Und da Marcia Bartusiak kürzlich ein tolles Buch* zu diesem Thema veröffentlicht hat, nehme ich das als Anlass, um diese Serie endlich zu schreiben. Alle Teile der Serie findet ihr hier.
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Schwarze Löcher sind böse, fies und höchst gefährlich! So zumindest ist ihr übliches Image, wenn man nach dem geht, was man in Kino-Filmen und Science-Fiction-Büchern vorgeführt bekommt. Aber schwarze Löcher sind nicht so sehr gefährlich, als viel mehr höchst seltsam. Und sie sind die Voraussetzung dafür, das Leben auf der Erde existiert!

Dieser Aspekt wird bei der Betrachtung schwarzer Löcher meistens ein wenig ignoriert. Aber er folgt eigentlich direkt, wenn man sich ein paar Gedanken darüber macht, was es bedeutet, in einem Universum zu leben, in dem schwarze Löcher existieren können. Dass schwarze Löcher tatsächlich existieren können, war in der Astronomie lange umstritten. Zuerst waren es nur mathematische Kuriositäten denen niemand eine reale Entsprechung zusprechen wollte. Dann entdeckte man Himmelskörper, die so was ähnliches wie schwarze Löcher waren, aber nicht ganz. Zumindest aber zeigten diese “weißen Zwerge”, dass sich Sterne massiv verändern können, wenn der Brennstoff in ihrem Inneren zu Ende geht und die Kernfusion nicht mehr stattfindet.

Aber auch nachdem in den 1930er Jahren die Astronomen mehr über die Endstadien der Sternentwicklung gelernt hatten, war ihnen immer noch kein Weg bekannt, wie ein schwarzes Loch tatsächlich entstehen kann. Das änderte sich im Jahr 1932. Da entdeckte der britische Physiker James Chadwick das Neutron. Zuvor kannte man nur zwei Bausteine, aus denen ein Atom aufgebaut war: Die positiv geladenen Protonen, aus denen die Atomkerne bestehen sollten und die negativ geladenen Elektronen, die die Hülle der Atome bildeten. Chadwick aber entdeckte ein drittes Teilchen, das elektrisch nicht geladene Neutron, das so wie das Proton ebenfalls Teil des Atomkerns war.

Diese Entdeckung inspirierte den Astronom Fritz Zwicky zu einem sehr originellen Gedanken: Was, wenn ein Stern nur noch aus Neutronen bestehen würde? Das Problem bei der Entstehung schwarzer Löcher war ja, dass man sich nicht vorstellen konnte, dass reale Materie so enorm stark komprimiert werden kann, um ein schwarzes Loch zu bilden. Mit den weißen Zwergen hatte man zwar schon Objekte gefunden, die enorm stark komprimiert waren, aber immer noch weit entfernt von den für ein schwarzes Loch nötigen Dichten. In einem weißen Zwerg sorgt die Bewegung der Elektronen dafür, dass die Materie nicht mehr weiter verdichtet werden kann.

Aber was wenn die Gravitationskraft noch stärker wird? Dann würde die Materie unaufhaltsam weiter komprimiert werden, bis zu einem Punkt, an dem die physikalischen Gesetze nicht mehr in der Lage sind, die Dinge zu beschreiben. Aber Zwicky schlug vor, dass dann die Elektronen regelrecht in die positiv geladenen Protonen der Atomkerne gepresst werden. Aus Elektron und Proton entsteht ein Neutron und aus dem weißen Zwerg ein Objekt, das nur noch aus dicht an dicht gepackten Neutronen besteht. Nun sorgen die atomaren Kernkräfte (genauer gesagt die “starke Kernkraft”) dafür, dass die Materie nicht mehr weiter komprimiert wird und es entsteht ein stabiler “Neutronenstern”. Die ganze Masse eines Sterns ist auf eine Kugel von ein paar Dutzend Kilometer zusammengequetscht, wie dieser Größenvergleich zeigt:

Und was passiert mit der Energie, die bei so einem Kollaps frei wird? Die sorgt dafür, dass der ganze Rest des Sterns bei einer gewaltigen Explosion ins All hinaus geschleudert wird. Fritz Zwicky und sein Kollege Walter Baade nannten dieses Ereignis “Supernova” und stellten das Konzept im Dezember 1933 der wissenschaftlichen Welt vor. Mit “Supernova-Explosionen” hatten die Astronomen wenig Probleme und akzeptierten das Phänomen als plausiblen Mechanismen am Ende des Leben eines Sterns. Der Existenz von “Neutronensternen” stand man skeptischer gegenüber – was vor allem auch daran lag, dass Zwicky noch keinen konkreten Mechanismus angeben konnte, wie die Entstehung eines Neutronensterns ablaufen sollte.

Mittlerweile ist die Sache relativ klar und seit den 1960er Jahren weiß man auch, dass es Neutronensterne wirklich gibt. Die zu Beginn des 20. Jahrhunderts gemachten Überlegungen zur Sternentwicklung lassen sich aus heutiger Sicht so zusammenfassen:

  • Ein normaler Stern fusioniert in seinem Inneren Wasserstoff zu Helium. Die Gravitationskraft der Materie versucht zwar, den Stern unter seinem Gewicht kollabieren zu lassen, der Druck der vom Kern nach außen dringenden Strahlung wirkt ihr aber entgegen und hält den Stern stabil.
  • Endet die Wasserstoff-Fusion, dann gewinnt die Gravitation die Oberhand. Der Stern kollabiert, sein Inneres wird dichter und dadurch heißer. Die höheren Temperaturen reichen aus, um nun auch die schwereren Helium-Atome zu fusionieren. Dabei entsteht Kohlenstoff und Sauerstoff.
  • Die Heliumfusion erzeugt mehr Strahlungsdruck als zuvor und der Stern beginnt sich auszudehnen.
  • Kleine Sterne mit etwa der Masse der Sonne verbleiben in diesem Stadium. Der Strahlungsdruck bläst ihre äußeren Schichten immer weiter ins All hinaus und am Ende der Heliumfusion bleibt nur der verdichtete innere Kern zurück: ein “weißer Zwerg”.
  • Schwerer Sterne können mit ihrer größeren Masse nach Ende der Heliumfusion den verbleibenden Kern noch so weit verdichten und aufheizen, dass auch Kohlenstoff und Sauerstoff zu neuen Elementen fusioniert werden.
  • Erst wenn als Endprodukt der Fusion Eisen entsteht, kommt der Prozess zum Stillstand. Eisen kann nicht mehr fusioniert werden, weil hier keine Energie mehr frei wird, sondern extra Energie für die Fusion nötig wäre.
  • So ein schwerer Stern endet als Neutronenstern mit einer Supernova-Explosion.

Und wenn der Stern noch schwerer ist? Dann kann auch die starke Kernkraft den Neutronenstern nicht mehr stabil halten und die Gravitation gewinnt ein weiteres Mal. Der Neutronenstern kollabiert und es entsteht ein schwarzes Loch. Und auch bei der Supernova-Explosion selbst entstehen noch Elemente und zwar all die, die schwerer sind als Eisen (siehe dazu auch hier). Nur während der enorm hochenergetischen Explosionen, die zur Entstehung schwarzer Löcher führen, können diese ganz speziellen Elemente gebildet werden.

Eine Supernova-Explosion verteilt neue Chemie im Weltall Bild: X-ray: NASA/CXC/MIT/L.Lopez et al.; Infrared: Palomar; Radio: NSF/NRAO/VLA

Eine Supernova-Explosion verteilt neue Chemie im Weltall
Bild: X-ray: NASA/CXC/MIT/L.Lopez et al.; Infrared: Palomar; Radio: NSF/NRAO/VLA

Damit ein schwarzes Loch entstehen kann, braucht es also zuerst einmal einen großen Stern, der sein komplettes Leben hinter sich bringen muss. Ein Leben, in dem dieser Stern durch Kernfusion jede Menge chemische Elemente erzeugt. Da es nach dem Urknall selbst nur Wasserstoff und Helium im Universum gab, ist dieser Prozess der Ursprung all der anderen Elemente im Kosmos. Damit diese Elemente aber aus dem Inneren der Sterne hinaus ins All gelangen um dort zum Beispiel Planeten zu bilden (oder Lebewesen, die auf diesen Planeten leben), muss er bei einer Supernova explodieren und all die frisch fusionierten Elemente durch die Gegend schleudern.

Ohne die Prozesse im Inneren der Sterne, die am Ende zur Entstehung schwarzer Löcher führen, würden also auch nicht all die Elemente entstehen, auf denen unser Leben aufgebaut ist! Ein Universum ohne schwarze Löcher wäre also auch ein Universum ohne Leben! Wir können also durchaus froh sein, dass es diese seltsam absurden Himmelskörper gibt!

Die Astronomen in der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts waren allerdings alles andere als froh was die schwarzen Löcher anging. Aber dazu dann mehr im nächsten Teil der Serie.

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Kommentare (25)

  1. #1 bruno
    14. Mai 2015

    stimmt die überschrift denn so? oder hätten wir nicht auch alle nötigen elemente, wenn aus irgendeinem grund bei neutronensternen schluss mit kollaps wäre? bis dahin sollte doch schon alles ausgebrütet sein?

  2. #2 Florian Freistetter
    14. Mai 2015

    @bruno: Selbst wenn man davon ausgeht, dass die Nukleosynthese in Supernovae auch bei den kleineren Sternen ausreicht, um alle Elemente zu erzeugen, bräuchtest du immer noch (supermassereiche) schwarze Löcher für die “richtige” Entwicklung von Galaxien. Aber ich denke, diesen Aspekt werde ich später noch genauer ansprechen.

  3. #3 bruno
    14. Mai 2015

    ..kann man stellare SL und supermassereich SL in einen topf werfen? (zumal bzgl. nukleosynthese…)
    und:
    Selbst wenn man davon ausgeht, dass…
    bedeutet, man geht nicht davon aus?

  4. #4 hugo
    14. Mai 2015

    Ist es wirklich die starke Kernkraft die einen Neutronenstern stabilisiert? Ich dachte das würde im wesentlichen so funktionieren wie bei Weißen Zwergen, also dass der Entartungsdruck der Neutronen der Gravitation entgegenwirkt. Und der Entartungsdruck ist ja eher ein Effekt der Fermi-Dirac-Statistik als der Wechselwirkung, auch wenn diese natürlich einen Einfluss auf die genauen numerischen Werte hat. (Anders formuliert: Bei wechselwirkungsfreien Fermionen würde es diesen Effekt auch geben, nicht aber bei stark wechselwirkenden Bosonen.)

  5. #5 Jens
    14. Mai 2015

    Mir leuchtet die Argumentation ohne SL gäbe es kein Leben auf der Erde auch nicht so richtig ein. Die Prozesse die zur Fusionierung der für das Leben notwendigen schweren Elemente führen, enden beim Neutronenstern nicht unbedingt beim SL. Einen direkten Zusammenhang zwischen supermassereichen SL im Zentrum unserer Galaxis und dem Leben auf der Erde sehe ich auch nicht.

  6. #6 fsesf
    14. Mai 2015

    Also eigentlich gibt es ja keine empirischen Beweise für schwarze Löcher.

  7. #7 HF(de)
    14. Mai 2015

    Der Satz scheint mir arg zu lang geraten, er sollte lauten “Also eigentlich gibt es ja keine empirischen Beweise”. Es ginge sogar noch kürzer mit ohne “also eigentlich…ja” 🙂

  8. #8 Alderamin
    14. Mai 2015

    @fesf

    Es gibt nicht den endgültigen Beweis, aber doch sehr starke Indizien. Bei Cygnus X-1 kreist ein Blauer Riese um ein massives, unsichtbares Objekt, das starke Röntgenstrahlung aussendet. Man hat nachgewiesen, dass Materie aus der Akkretionsscheibe innen am Ereignishorizont verschwindet.

    Im Zentrum der Milchstraße kreisen einige Sterne (deren Orbits man in Echtzeit verfolgen kann) mit hoher Geschwindigkeit um eine kompakte unsichtbare Masse von mehreren Millionen Sonnenmassen. Die lässt sich schwer mit einem Objekt aus normaler Materie erklären.

    Beim Supermassiven Schwarzen Loch in M87 hat man kürzlich nachgewiesen, dass die einfallende Materie nicht auf ein kompaktes Objekt stürzt, dann wäre sie nämlich innen am hellsten (in der Astronomievorlesung habe ich mal gelernt, dass die zweiteffektivste Methode, Energie zu erzeugen, diejenige ist, Materie auf einen Neutronenstern stürzen zu lassen, damit erreicht man fast 1/2 mc², immerhin die Hälfte der Energie von Materie-Antimaterie-Zerstrahlung, der effektivsten Methode überhaupt). Stattdessen nimmt die Helligkeit zum inneren Rand der Akkretionsscheibe ab. Das ist ein starker Hinweis auf einen Ereignishorizont. In ein paar Jahren werden wir einen solchen mit dem Event-Horizon-Teleskop (einem Radio-Interferometer, das noch in der Entstehung ist) direkt auflösen können.

  9. #9 Braunschweiger
    15. Mai 2015

    @HF(de): Und der Satz sollte mit “es gibt …” beginnen. Dass es keine empirischen Beweise gibt, scheint mir aber eher ein philosophisches bis wissenschaftstheoretisches Problem zu sein, und Juristen denken da vermutlich auch anders.

    Nehmen wir mal an, fsefs meinte “empirische Belege”, weil man Schwarze Löcher nicht direkt sehen kann. Ich finde aber, wenn eine Anzahl Sterne von einer hohen Masseansammlung abgelenkt werden, die man durch Neutronensterne nicht mehr erklären kann, und dann der Theorie nach nur noch SL überbleiben, dann ist das Beleg genug. Zumindest um dieses Phänomen irgendwie als Besonderheit zu bezeichnen, und dem bisherigen Gedankengebäude nach eben als vermutete Schwarze Löcher.

  10. #10 Florian Freistetter
    15. Mai 2015

    @Jens: ” Einen direkten Zusammenhang zwischen supermassereichen SL im Zentrum unserer Galaxis und dem Leben auf der Erde sehe ich auch nicht.”

    Naja, ohne dieses SL wäre unsere Galaxie vermutlich gar nicht erst entstanden.

    Man kann die Sache auch so zusammenfassen: Ein Universum, in dem es Sterne gibt, ist zwangsläufig immer auch ein Universum, in dem es schwarze Löcher gibt. Und ohne Sterne gibt es kein Leben.

  11. #11 Krypto
    15. Mai 2015

    Für Objekte mit Ereignishorizont gibt es genug überzeugende Beobachtungen. Ob es tatsächlich Singularitäten sind, ist eine ganz andere Frage. Meinem beschränkten Horizont nach ist die Zeit noch nicht ausreichend verstanden und beschrieben worden.

  12. #12 TSK
    15. Mai 2015

    Naja, hier meine hoffentlich konstruktive Kritik.
    Am Anfang wird über schwarze Löcher gesagt: “über sie existieren viele falsche Vorstellungen”. Nur sehe ich nicht, was jetzt im Text für falsche Vorstellungen korrigiert werden.
    Böse, fies und gefährlich ? Etwas, was mich in molekulare Fetzen reißt und so schnell beschleunigt, dass ich jeden Leuchtturm in den Schatten stelle, darf ich doch wohl “gefährlich” nennen ? Sonst sehe ich keine Korrekturen über falsche Vorstellungen.

    Was jetzt das Leben angeht: Ich könnte ohne physikalischen Widerspruch eine Galaxis haben, die nur so massereiche Objekte enthält, dass Supernovas und nichts anderes entsteht. Keine schwarze Löcher notwendig. Man könnte sich auch im Gedankenexperiment ein Universum vorstellen, bei der die Gravitation nach oben hin begrenzt ist, um SLs zu verhindern.
    Wofür ist das superschwere schwarze Loch gut ? Interne Kräfte verändern den Schwerpunkt nicht, d.h. ich könnte stattdessen eine Million Sonnen in die Mitte der Galaxis platzieren und es ändert sich rein gar nichts.

    Also die Notwendigkeit schwarzer Löcher ergibt sich für mich bis jetzt nicht oder übersehe ich was ?

  13. #13 Happo
    16. Mai 2015

    Korrektur zur Stabilität von Weißen Zwergen und Neutronensternen:
    Sowohl Weiße Zwerge als auch Neutronensterne werden laut gängiger Theorie durch ein entartetes Fermionengas stabilisiert (Pauli-Prinzip: Zwei Fermionen können sich nicht im gleichen energetischen Zustand befinden). Bei Weißen Zwergen ist dies ein “Elektronen-Gas” und bei Neutronensternen ein “Neutronen-Gas”. Die Thermische Energie der Elektronen ist für die Stabilität von Weißen Zwergen quasi nicht entscheidend und nimmt über die Zeit durch die Abkühlung auch stetig ab ohne einen Kollaps des Weißen Zwergs zur Folge zu haben.

    Falls benötigt oder gewünscht kann ich das noch ein wenig ausführlicher erklären.

  14. #14 Florian Freistetter
    16. Mai 2015

    @TSK: “Wofür ist das superschwere schwarze Loch gut ?”

    Z.B. dafür, dass die Galaxie überhaupt erst entsteht: http://scienceblogs.de/astrodicticum-simplex/2009/11/30/ein-schwarzes-loch-erzeugt-eine-galaxie/

  15. #15 Jens
    16. Mai 2015

    In dem Zusammenhang würde mich interessieren ob man schon Galaxien gefunden hat, für die man ein supermassereiches SL im Zentrum definitiv ausschließen kann?

  16. #16 Krypto
    16. Mai 2015

    Soweit ich informiert bin, ist ein definitiver Ausschluss schwer möglich und überdies eher unwahrscheinlich: Überall da, wo man genauer hinschaut, läuft es auf ein oder mehrere SL in den Kernen hinaus. Auch scheint das Henne-Ei-Problem zugunsten eines SL als “Gründungsmitglied” großer Galaxien gelöst zu werden. Bei Sternhaufen und deren großen Schwestern, den nichtrotierenden Galaxien, ist das Vorhandensein eines zentralen, supermassiven SL jedoch keine zwingende Voraussetzung.

  17. #17 Steffmann
    18. Mai 2015

    Hier fehlen einige Kommentare ? Woran liegt das ? Serverprobleme ?

  18. #18 Steffmann
    18. Mai 2015

    BIn ich doof ? Vorgestern gab es doch hier noch eine Diskussion mit dgrt (oder wie der heisst). Entweder leide ich an Alzheimer, oder die Diskussion ist verschwunden.

  19. #19 PDP10
    18. Mai 2015

    @Steffmann:

    Könnte es sein, dass du diesen Thread meinst?

    Aber auch da scheinen mir die Kommentare (insgesamt) weniger zu sein, als vorher …

    Vielleicht bilde ich mir das aber auch nur ein.

    Hmmm …

  20. #20 Florian Freistetter
    19. Mai 2015

    @fehlende KOmmentare: Ich hab nix gelöscht… Keine Ahnung, woran das liegt.

  21. #21 Mafl
    19. Mai 2015

    …fehlt Euch der hier:
    http://scienceblogs.de/astrodicticum-simplex/2015/05/16/neue-supernova-beobachtungen-gibt-es-weniger-dunkle-energie-im-universum-als-man-dachte/ ?

    Ist eben alles voller schwarzer Löcher hier und sooo dunkel… 😉

  22. #22 Steffmann
    20. Mai 2015

    @Mafl:

    Ups. Ja, sorry, das habe ich wohl verwechselt. Verflixt, ich war mir so sicher, dass das hier war. Vorsichtshalber melde ich mich mal zur Fahreignungsprüfung an, man weiss ja nie (mit 48)……;-)

  23. #23 PDP10
    20. Mai 2015

    Äh .. ja. Ich komm mit … 🙂

  24. #24 Steffmann
    20. Mai 2015

    @PDP10:

    Den Weg aufs Klo finde ich noch. Das ist schon mal elementar. Den Rest machen wir beide über Gedächtnistraining 🙂

  25. #25 Mafl
    20. Mai 2015

    pssst…kleiner Tipp einer Mittfünfzigerin…:
    ich habe grade den “Kommentarfeed” für mich entdeckt…da steckte “dgrt” noch drin…
    (Wer was nicht weiß, mussen wissen wo es steht und wer nicht weiß, wo’s steht, muss wissen wie man sucht.)