Wie findet man Schwarzer Löcher die unmittelbar nach dem Urknall entstanden sind? Ganz einfach: Man fährt zum Südpol und bohrt ein Loch ins Eis! Genauer gesagt mehrere Löcher und mehrere Kilometer tief in denen man dann 5160 extrem empfindliche Lichtsensoren versenkt. Und ja, dabei handelt es sich tatsächlich um Astronomie!

Fangen wir mal bei den schwarzen Löchern an. Es gibt da ja unterschiedliche Arten. Die gewaltigen supermassereichen schwarzen Löchern in den Zentren der Galaxien (von so einem wurde im Frühjahr auch ein Bild gemacht) zum Beispiel die Milliarden Mal schwerer als die Sonne sein können. Oder die stellaren schwarzen Löcher zu denen sich große Sterne nach ihrem Tod wandeln. Allen gemeinsam ist, dass sie nur dadurch zu einem schwarzen Loch werden, weil ausreichend viel Masse auf ausreichend kleinem Raum konzentriert ist. Nur wenn die Dichte des Materials einen kritischen Wert überschreitet, entsteht ein Objekt aus dessen Umgebung nichts und auch kein Licht dauerhaft entkommen kann.

Beim einem Stern klappt das mit der Verdichtung vergleichsweise einfach. Sobald die Kernfusion in seinem Inneren mangels Brennstoff zum Erliegen kommt, dann fehlt die Kraft der nach außen dringenden Strahlung um dem nach Innen wirkenden Druck der Gravitation etwas entgegen zu setzen. Das heißt, der Stern kollabiert unter seinem eigenen Gewicht und wenn die Masse des Sterns groß genug ist, dann geht dieser Kollaps so weit, dass am Ende ein schwarzes Loch entstanden ist.

Das schwarze Loch von M87 – das erste echte Bild. Aber es gibt auch noch andere Arten von schwarzen Löchern…
Bild: Event Horizon Telescope

Wie die viel massereicheren schwarzen Löcher in den Zentren der Galaxien entstehen wissen wir noch nicht so genau. Aber auch hier muss irgendwie genug Masse auf ausreichend kleinem Raum zusammenfinden. Es gibt aber noch eine weitere Möglichkeit für die Entstehung eines schwarzen Lochs. Kurz nach dem Urknall selbst, vor 13,8 Milliarden Jahren, gab es noch nicht viel. Bzw. gab es natürlich auch damals schon alles, es sah nur anders aus. Es gab keine Stern und Galaxien und keine Planeten oder sonst irgendwas. Sondern nur Materie in Form von Elementarteilchen. Diese Materie war im jungen heißen Universum ziemlich gleichmäßig verteilt. Aber nicht ganz – es gab jede Menge zufällige Fluktuationen in der Dichte und immer wieder könnten sich kleine “Klumpen” gebildet haben. Bei denen dann ab und zu genug Materie dicht genug zusammengedrängt worden ist, um ein sogenanntes “Primordiales Schwarzes Loch” zu bilden. Das ist winzig; es hat nur die Masse eines großen Bergs; eines Asteroids oder eines Planeten.

Wir wissen nicht, ob es diese schwarzen Löcher vom Anfang der Zeit wirklich gibt. Aber wenn sie damals entstanden sind, dann ist ihre Zeit bald vorüber. Denn auch schwarze Löcher leben nicht ewig. Sie können durch quantenmechanische Effekte in ihrer Umgebung thermische Strahlung produzieren die im Laufe der Zeit zu einem Massenverlust des schwarzen Lochs führt. Das nennt sich “Hawking-Strahlung” und ist im Detail weder leicht zu erklären noch zu verstehen (Ich habe hier ein wenig mehr dazu geschrieben). Auf jeden Fall aber lösen sich schwarze Löcher durch die Hawking-Strahlung um so schneller auf, je weniger Masse sie haben. Und primordiale schwarze Löcher mit einer Masse von weniger als einer Milliarde Tonnen hätten gerade genug Zeit gehabt um sich irgendwann “jetzt” aufzulösen. Also nicht exakt heute oder morgen – aber ihre Lebensdauer entspricht ungefähr der Zeit die das Universum bisher exisiert hat.

In den letzten Sekunden des Lebens so eines schwarzen Lochs wird es nochmal richtig hektisch. Wenn es sich endgültig auflöst, werden dabei auch jede Menge Teilchen frei; unter anderem Neutrinos. Womit wir jetzt endlich am Südpol wären. Denn da steht “IceCube”, das größte Neutrinoteleskop der Welt. Ich habe hier ausführlich erklärt wie es funktioniert. Die Kurzversion: Wenn Neutrinos auf Materie treffen, dann reagieren sie meisten gar nicht damit. Ab und zu aber doch und dann können bei den entsprechenden Reaktionen neue Teilchen entstehen, die dann in Folge ein wenig Energie in Form von Licht freisetzen. Beobachtet man die Stärke des Lichts und die Richtung aus der es kommt, kann man daraus die Richtung rekonstruieren aus der das ursprüngliche Neutrino gekommen sein muss und vor allem die Energie, die es mit sich trägt. Die ist unterschiedlich groß, je nachdem bei welchem Prozess es entstanden ist.

Wir bauen einen Astronomie-Eiswürfel! Bohrarbeiten zu IceCube in der Antarktis (Bild: Amble, CC-BY-SA 3.0)

Und genau das macht man am Südpol. Man hat Lichtsensoren im Eis versenkt. Das ist sehr klar und man kann die Lichtblitze gut sehen, die von den auftreffenden Neutrinos freigesetzt werden. Dave Pranav und Ignacio Taboada vom Georgia Institute of Technology haben gemeinsam mit dem IceCube-Team kürzlich mal nachgerechnet, welche Neutrinos denn bei der Auflösung primordialer schwarzer Löcher frei werden sollten (“Neutrinos from Primordial Black Hole Evaporation”). Und vor allem: Was davon prinzipiell für IceCube beobachtbar wäre. Das Resultat: IceCube wäre am sensibelsten für die Neutrinos die in den letzten 1000 Sekunden des Lebens der primordialen schwarzen Löcher freigesetzt werden.

Anders gesagt: Ein primordiales schwarzes Loch ist schon auf eine Masse von etwa 10.000 Tonnen geschrumpft bevor es für IceCube “sichtbar” wird. Tatsächlich nachgewiesen hat man allerdings noch keines diese Mini-Löcher. Aber aus den gesammelten Daten eines Jahres zumindest eine Obergrenze für die Anzahl möglicher Auflösungsereignisse gewonnen: Mehr als knapp 4 Millionen pro Jahr und Kubik-Parsec (d.h. ein Würfel mit einer Kantenlänge von etwas mehr als 3 Lichtjahren) können es nicht sein. Das ist natürlich alles andere als eine enge Grenze. Aber es ist ein Anfang. Mit mehr Daten wird die Auswertung genauer. Und irgendwann haben wir beim Blick in die Tiefen des antarktischen Eises vielleicht tatsächlich das Ende eines schwarzen Lochs vom Anfang der Zeit nachgewiesen. Astronomie ist schon ziemlich großartig!

Kommentare (4)

  1. #1 Rainer Kirmse
    Altenburg
    23. August 2019

    Ein kleines Gedicht über die kosmischen Schwergewichte:

    DAS SCHWARZE LOCH

    Es ist weder schwarz, noch ist es ein Loch,
    Man sieht das obskure Objekt einfach nicht;
    Der dichten Materie entkommt kein Licht.
    Über Einzelheiten rätselt man noch.

    Es hat zugelegt seit seinem Entsteh’n,
    Wird auch demnächst nicht auf Diät geh’n.
    Es will sich alles einverleiben,
    Wir sollten dem Monster fernbleiben.

    Im Zentrum der Galaxie zu Hause,
    Saugt es Material auf ohne Pause.
    Man nennt dieses hier supermassiv,
    Es ist trotz seiner Fülle recht aktiv.

    Es wird von Sternen rasant umkreist,
    Was uns seine Existenz beweist.
    Eine Strahlung, nach Hawking benannt,
    Beobachtet man an Loches Rand.

    Der Ereignishorizont ist Grenze,
    Dahinter ist einfach Sense.
    Verrinnen will dort keine Zeit,
    Gefängnis für die Ewigkeit.

    Rainer Kirmse , Altenburg

    Mit freundlichen Grüßen

  2. #2 Daniel Rehbein
    Dortmund
    23. August 2019

    Ich habe mal ein wenig nachgerechnet, was man denn für ein kleines Schwarzes Loch zumindest braucht.

    Ich habe mich gefragt; Wenn ich ein einzelnes Proton oder Neutron, also ein grundlegendes Elementarteilchen unserer Materie, zu einem schwarzes Loch zusammenquetschen würde, wie groß wäre das denn dann? So ein Teilchen wiegt ungefähr eine Atomare Masseneinheit, also 1u, das sind etwa 1,66*10^-27 kg. In der Schwarzschild-Metrik ergibt sich der Radius eines Schwarzen Lochs durch die Formel 2*G*m/c^2.

    Um aus einem einzelnen Proton oder Neutron ein Schwarzes Loch zu machen, müsste ich es auf einen Radius von 2,5*10^-54 m zusammenquetschen. Allerdings beträgt die Planck-Länge vergleichweise stolze 1,6*10^-35 m, darunter geht nichts. Ich kann also aus einem einzelnen Elementarteilchen gar kein Schwarzes Loch machen.

    Um ein Schwarzes Loch zu erzeugen, das die Planck-Länge als Durchmesser hat (also das kleinste überhaupt mögliche Schwarze Loch), brauche ich eine Masse von 5,4*10^-9 kg, das sind etwa 3,2*10^18 u.

    Es bedarf also einer Mindestmenge in der Größenordnung von 10^18 Teilchen (also Trillionen Teilchen), um überhaupt ein Schwarzes Loch erzeugen zu können.

    Aufgrund dieses Ergebnisses habe ich mich gefragt: Welche Anzahlen von Teilchen werden denn bei einer Kollision in einem Beschleunigerring wie dem LHC aufeinandergeschossen? Da will man ja die Spuren einzelner Teilchen nachverfolgen, kann man da überhaupt in solche Größenordnungen kommen? Oder habe ich eine ganz falsche Vorstellung von den Abläufen in einem Teilchenbeschleuniger? Sind meine Rechnungen überhaupt richtig?

  3. #3 Florian Freistetter
    23. August 2019

    @Daniel Rehbein: Das mit den schwarzen Löchern im LHC würde nur funktionieren, wenn der Raum mehr als 3 Dimensionen hat, was dann – auf diesen kleinen Skalen – dazu führt, dass sich die Gravitation ein wenig anders verhält als bis jetzt gedacht.

  4. #4 Rainer Kirmse
    Altenburg
    25. August 2019

    SCHWARZES LOCH UND
    DER HERR DES LICHTS

    Ein kosmisches Schwergewicht,
    Zu keiner Diät bereit;
    Sternenstaub das Hauptgericht,
    Verschmäht wird keine Mahlzeit.
    Die Materie superdicht,
    Stark verbogen die Raumzeit;
    Dem Monster entkommt kein Licht,
    Ort ewiger Dunkelheit.

    Was hat sich Gott nur gedacht,
    Als er das Black Hole gemacht?
    Was hat’s dem Menschen gebracht,
    Dass er sich Gott einst erdacht?
    Langsam lichtet sich die Nacht,
    Es bröckelt der Götter Pracht.
    Schwarzes Loch und Herr des Lichts,
    Wie es immer war bleibt nichts.

    Rainer Kirmse , Altenburg

    Mit freundlichen Grüßen