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Physik-Nobelpreis 2020: Schwarze Löcher und schnelle Sterne!

Von / 6. Oktober 2020 / 16 Kommentare
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Wer hätte das gedacht! Nachdem der Physik-Nobelpreis 2019 für die Entdeckung des ersten extrasolaren Planeten und die Kosmologie vergeben worden ist, hat man auch in diesem Jahr wieder astronomische Forschung ausgezeichnet! Damit habe ich nicht gerechnet und auch nicht mit dem Thema des Preises: Es geht um schwarze Löcher. Allerdings nicht um das erste Bild eines schwarzen Lochs das im vorigen Jahr gemacht wurde. Eine absolut nobelpreiswürdige Forschung, die aber trotzdem nicht ausgezeichnet wurde. Stattdessen haben den Preis Roger Penrose, Reinhard Genzel und Andrea Ghez bekommen. Für nicht weniger nobelpreiswürdige Arbeit die auch mit schwarzen Löchern zu tun hat.

Dem Preis für Roger Penrose werde ich mich demnächst noch mal extra widmen. Kurz gesagt wurde er dafür ausgezeichnet, weil er mathematisch zeigen konnte, dass schwarze Löcher nicht nur irgendeine obskure mathematische Kuriosität der allgemeinen Relativitätstheorie sind die keine reale Bedeutung haben. Sondern tatsächlich zwingend aus dem folgen, was Albert Einstein über die Gravitation herausgefunden hat und auch als konkrete Objekte im echten Universum existieren müssen. Etwas, dass übrigens Stephen Hawking später auf das ganze Universum angewandt hat und so bestätigt hat, dass es einen Urknall gegeben haben muss.

Das zentrale schwarze Loch (SgrA*) der Milchstraße und seine Umgebung im Röntgenlicht – unterschiedliche Farben entsprechen Röntgenstrahlung unterschiedlicher Energie (Bild: NASA/CXC/Univ. of Wisconsin/Y.Bai. et al.)

Die andere Hälfte des Nobelpreises ging zu gleichen Teilen an die amerikanische Astronomin Andrea Ghez und den deutschen Astronom Reinhard Genzel. Beide haben unabhängig voneinander mit ähnlichen Methoden nachgewiesen, dass sich im Zentrum unserer Galaxie ein supermassereiches schwarzes Loch mit der mehr als viermillionenfachen Masse der Sonne befinden muss (und den schönen Namen “Sagittarius A*” trägt). Getan haben sie das durch die Beobachtung von Sternen, die sich in unmittelbarer Nähe des Lochs befinden. So wie die Planeten unsere Sonne umkreisen diese Sterne das schwarze Loch. Dafür brauchen sie teilweise nur wenige Jahre; also ausreichend wenig Zeit um die Bewegung der Sterne tatsächlich beobachten und ihre Umlaufbahnen bestimmen zu können. Aus der Größe der Umlaufbahn kann man abschätzen wie groß das Ding im Zentrum ist das sie umkreisen. Und aus der Geschwindigkeit des Umlaufs lässt sich die Masse des zentralen Objekts berechnen. Aus Größe und Masse folgt die Dichte und das was da im Zentrum ist, ist so dicht, dass es nur ein schwarzes Loch sein kann.

Dass da im Zentrum der Milchstraße ein schwarzes Loch sitzt hat man vorher auch schon vermutet. Aber erst die konkreten Daten von Genzel, Ghez und ihren Kollegen haben einwandrei nachgewiesen, dass das auch wirklich so ist. Die entsprechende Forschung hat vor circa 20 Jahren begonnen – und ist seitdem immer weit fortgeschritten. Viele der Dinge die man seitdem über unser zentrales schwarzes Loch herausgefunden hat, habe ich in meinem Blog erklärt (siehe dazu die Links weiter unten). Einer der von Genzel und Ghez untersuchten Sterne gehört aber auch zu den 100 Sternen, die ich in meinem Buch “Eine Geschichte des Universums in 100 Sternen”* beschrieben habe. Und so wie im letzten Jahr beim Stern 51 Pegasi möchte ich auch jetzt den Anlass nutzen und das entsprechende Kapitel aus dem Buch auch hier in meinem Blog verfügbar zu machen. Viel Spaß damit (und weiter unten gibt es noch mehr Material zum Nobelpreis).

S0-102 – Der Stern am Rande des Abgrunds

S0-102 ist der Extremsportler unter den Sternen. Er saust so schnell wie kein anderer um das Zentrum unserer Milchstraße. Und hat uns dabei geholfen zu verstehen, was für ein erstaunliches Objekt sich dort befindet. Denn mitten im Herz der Milchstraße sitzt ein Supermassereiches Schwarzes Loch, das 4 Millionen Mal schwerer als die Sonne ist.

Die Existenz solcher gigantischen Objekte hatte man schon länger vermutet. Aber erst die genaue Beobachtung der Sterne in der Nähe des galaktischen Zentrums hat diese Vermutung ohne jeden Zweifel bestätigt. Unsere Milchstraße kann man sich in erster Näherung als Scheibe vorstellen, in deren Mitte eine große Kugel sitzt. In der Scheibe sind die Sterne in Spiralarmen angeordnet, und dort befindet sich auch unsere Sonne. Das Zentrum jedoch befindet sich im sogenannten »Bulge«, einer kugelförmigen Region mit einer Ausdehnung von etwa 10 000 Lichtjahren. Dort gibt es sehr viel mehr Sterne als in den Spiralarmen, und sie drängen sich viel dichter zusammen. Und genau in der Mitte all dieser Sterne sitzt das zentrale Supermassereiche Schwarze Loch.

An dieser Stelle befindet sich auch der Stern mit dem Namen S0-102, der zusammen mit einer Gruppe anderer Sterne in erstaunlich kurzer Zeit um das Zentrum herumrast. Um sich einmal komplett durch die gesamte Milchstraße zu bewegen, braucht unsere Sonne ungefähr 220 Millionen Jahre. S0-102 schafft eine Runde um das zentrale Schwarze Loch in nur 11,5 Jahren, wie die amerikanische Astronomin Andrea Ghez und ihre Kollegen im Jahr 2012 entdeckten. Er ist damit schneller als jeder andere dort bekannte Stern – und damit auch eine extrem wertvolle Informationsquelle.

Denn im Gegensatz zu einem Schwarzen Loch selbst, das ja gerade deswegen »schwarz« genannt, weil von dort nichts, auch kein Licht entkommen kann, lässt sich so ein Stern recht gut beobachten. Aus der Bewegung von S0-102 lassen sich einige der Eigenschaften des Schwarzen Lochs ableiten. Sterne wie S0-102 waren es überhaupt erst, dank denen wir zweifelsfrei wissen, dass es dort so ein Schwarzes Loch geben muss.

Je näher ein Stern dem Objekt ist, das er umkreist, desto schneller tut er das. Hier gelten die gleichen Gesetze, die auch die Bewegung von Planeten um einen Stern bestimmen. Und so, wie man aus der Bewegung der Planeten berechnen kann, wie schwer der Stern ist, den sie umkreisen, kann man anhand der Umlaufbahnen von Sternen wie S0-102 auch bestimmen, wie schwer das Ding sein muss, um das herum sie sich bewegen. Schon Ende der 1990er-Jahre hat man aus der Beobachtung anderer Sterne, die ähnlich nah am Zentrum vorbeifliegen, berechnet, dass sich dort ein extrem massereiches Objekt befinden muss. Und aus der Größe der Umlaufbahn erhielt man auch eine Obergrenze für dessen mögliche Ausdehnung. Das Resultat: Im Zentrum der Milchstraße war so viel Masse auf so wenig Raum gedrängt, dass es sich eigentlich nur um ein Schwarzes Loch handeln kann. Als dann auch noch S0-102 seine Runde um den galaktische Mittelpunkt vollendet hatte, ließ die Auswertung der Daten keinen Zweifel mehr zu. Mit nun zwei vollständig beobachteten Umlaufbahnen konnten Ghez und ihre Kollegen die Masse des Schwarzen Lochs auf 4,1 Millionen Sonnenmassen festlegen.

Im Zentrum der Milchstraße sitzt also ein unvorstellbar massereiches Schwarzes Loch – so viel ist klar. Ebenso haben wir mittlerweile Gewissheit darüber, dass auch in den Zentren aller anderen großen Galaxien solche Objekte zu finden sind. Wir wissen allerdings noch nicht, wie Schwarze Löcher mit derart gigantischen Massen überhaupt entstehen können. Auf jeden Fall nicht wie die »normalen« Schwarzen Löcher durch den Kollaps eines Sterns, denn so gewaltige Sterne kann es nicht geben.

Sterne wie S0-102 können sich daher auch weiterhin der astronomischen Aufmerksamkeit gewiss sein. Sie werden uns in Zukunft mit Sicherheit noch dabei helfen, das eine oder andere Geheimnis zu lüften. Sofern sie dem Schwarzen Loch nicht zu nahe kommen und von ihm verschluckt werden …

Hörbuch und Podcast

Wer lieber hört als liest, kann sich das Kapitel auch anhören. Denn das Buch gibt es natürlich auch als Hörbuch*. In meinem Podcast “Sternengeschichten” habe ich vor einiger Zeit auch eine eigene, ausführliche Folge über den Stern “S2” veröffentlicht der von Reinhard Genzel und seinem Team untersucht wurde:

Noch mehr über das supermassereiche schwarze Loch im Zentrum der Milchstraße

Zum Abschluss gibt es noch eine Auswahl an Artikeln die ich im Laufe der Zeit über die Forschung am zentralen schwarzen Loch der Milchstraße hier im Blog geschrieben habe:

Nächstes Jahr wieder Astronomie?

Zwei Astronomie-Nobelpreise in Folge! Ich kann mir kaum vorstellen, dass nächstes Jahr das Tripel voll gemacht wird. Obwohl ja immer noch der Preis für das erste Bild eines schwarzen Lochs ausständig ist. Ein bisschen verwirrt mich die Entscheidung des Nobelpreiskomitees dann doch. Wieso jetzt dieser Preis für die Erforschung supermassereicher Löcher, bei dem aber das revolutionäre erste Bild nicht berücksichtigt worden ist? Wie lange will man nun warten, bis diese Forschung auch ausgezeichnet wird? Oder hat man vielleicht sogar probiert, sich mit dem Preis für Penrose, Genzel und Ghez aus der Affäre zu ziehen, weil man nicht weiß, welchen drei konkreten Personen aus dem riesigen Team des “Event Horizon Telescopes” (mit dem das Bild des schwarzen Lochs in der Galaxie M87* gemacht worden ist) man den Preis verleihen soll? Ich bin gespannt, wie diese Geschichte weiter geht…

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Kommentare (16)

  1. #1 gnaddrig
    7. Oktober 2020

    Zeit Online berichtet darüber unter der Schlagzeile: Schwarze Löcher: Wo die Naturgesetze nicht mehr gelten. Das kann ja eigentlich nicht sein, oder?

    Im Artikel heißt es dann auch: In einen solchen Massemonster, einem Schwarzen Loch, […] verlieren dann alle bekannten naturwissenschaftlichen Gesetze ihre Bedeutung. Und das ist doch ganz was anderes…

  2. #2 gnaddrig
    7. Oktober 2020

    Ist “verlieren ihre Bedeutung” eigentlich korrekt? Die Konditionen innerhalb Schwarzer Löcher müssen doch eigentlich gerade durch die Naturgesetze und das Zusammenwirken ihrer Effekte zustandekommen, insofern verlieren sie eben nicht ihre Bedeutung.

    Kann höchstens sein, dass man – wenn man da überhaupt hin und beobachten könnte – die allermeisten uns bekannten physikalischen und chemischen Phänomene in der uns bekannten Form nicht mehr nachweisen könnte dafür mutmaßlich andere, die aber eben auch auf den bekannten (oder u.U. zusätzlichen, außerhalb Schwarzer Löcher nicht relevanten) Naturgesetzen beruhen.

    Oder liege ich damit ganz daneben?

  3. #3 2xhinschauen
    7. Oktober 2020

    Und noch eine Frage… ich verstehe, dass man aus Spektrum und Helligkeit eines Sterns auf seine Masse schließen kann, und aus dieser und seiner Bahn auf die Masse des von dem Stern umkreisten zentralen Objekts. Aber woher kennt man dann dessen räumliche Ausdehnung?

  4. #4 Guido
    7. Oktober 2020

    Nein, aber ziemlich 🙂
    Bei schwarzen Löchern gelten die Naturgesetze natürlich auch…es mag sein, dass wir diese noch nicht gänzlich korrekt beschreiben können.
    Daher nimmt man ja die Massemonster so gerne als Test für die ART.
    Bei den etwas größeren Exemplaren ist es sogar so, dass Du ein Überschreiten des EH überhaupt nicht bemerken würdest und Deine mitgeführten Experimente würden ganz normale Ergebnisse liefern.
    Du bist halt nur erstmal vom Rest des Universums abgeschnitten. Wenn Du Dich dann der Singularität weiter näherst, wirds dann unangenehm bzw. merkwürdig, wenn der Schwerkraft-Unterschied innerhalb Deines fiktiven Raumschiffs spürbar wird; also am einen Ende herrscht ne deutlich andere Schwerkraft wie am anderen Ende(Spaghetti-Effekt).

  5. #5 Spritkopf
    7. Oktober 2020

    @2xhinschauen

    Man kannte nicht die exakte, sondern die maximal mögliche Ausdehnung des Objekts. Diese ist begrenzt durch die Umlaufbahnen der das Objekt umkreisenden Sterne, siehe Artikeltext:

    Und aus der Größe der Umlaufbahn erhielt man auch eine Obergrenze für dessen mögliche Ausdehnung

    Oder habe ich deine Frage falsch verstanden?

  6. #6 Guido
    7. Oktober 2020

    @2xhinschauen:
    Da haben sich unsere Posts wohl überschnitten.
    Die räumliche Ausdehnung des Objekts lässt sich nicht errechnen. Dazu fehlen uns entscheidende Erkenntnisse. Würde aber auch keinen Sinn ergeben, da dort der Raumzeit ziemlich schräge Dinge widerfahren 🙂
    Wir können jedoch den Schwarzschildradius äußerst exakt ermitteln; also jenes Raumvolumen angeben, innerhalb dessen die Fluchtgeschwindigkeit >c ist.

  7. #7 Guido
    7. Oktober 2020

    @2malhinschauen:
    Die Masse des Satelliten muss man nicht kennen. Radius und Periode des Orbits reichen, um die wirkende Gravitation zu berechnen.

  8. #8 Adam
    Berlin
    7. Oktober 2020

    @Florian

    Wieso jetzt dieser Preis für die Erforschung supermassereicher Löcher, bei dem aber das revolutionäre erste Bild nicht berücksichtigt worden ist? Wie lange will man nun warten, bis diese Forschung auch ausgezeichnet wird?

    Ja, das frage ich mich auch immer. Bei Penrose war es längst überfällig, war auch nicht das erste Mal so, dass man sich viel Zeit liess. Ich erkenne da nicht wirklich ein Schema.

  9. #9 Adam
    Berlin
    8. Oktober 2020

    @gnaddrig

    Es gibt da mindestens zwei elementare Probleme:

    1. Unvereinbarkeit zwischen Allgemeiner Relativitätstheorie und Quantenmechanik

    Die Gravitation ist durch die Masse und Verdichtung enorm, sodass sie eine erhebliche Rolle spielt, größer wird als alle anderen drei uns bekannten Kräfte (starke Kernkraft, schwache Kernkraft, Elektromagnetismus). Dadurch gibt sie den Ton an, dadurch können auch Atomkerne nicht mehr “heile” bleiben, auch der Trichter der RaumZeit selbst wird immer tiefer und tiefer, daher der Begriff “Loch”.

    Es ist also nicht so, dass tief im Innern eine Art Sedimentschicht ist, wo die Materie ultrastark verdichtet wie eine Art Belag “rumliegt”, sondern sie ist weg. Nur ihre Masse blieb übrig, nebst Drehimpuls und Ladung. Masse ist eine Eigenschaft von Materie, aber nicht die Materie selbst.

    Gleichzeitig wird also das Volumen immer kleiner, sodass man in den Quantenbereich kommt – wo Gravitation aber eigentlich eine vernachlässigbare Kraft ist. Es muss also eine große vereinheitlichte Theorie von beiden geben, in der die Widersprüche keine mehr sind. Problem: Wir fanden noch keine. Ausser rein mathematische wie die Stringtheorie, die aber unbewiesen sind und möglicherweise nichts mit der Realität zu tun haben.

    Ein weiteres Indiz für das Vorhandensein einer GUT (Great Unification Theory, großen vereinheitlichten Theorie) ist, dass jedes Schwarze Loch nur noch diese drei, bereits genannten Eigenschaften hat: Masse, Ladung, Drehimpuls. Das sogenannte “No hair Theorem”, also die Annahme, dass Schwarze Löcher keine Haare haben, sich also nicht individuell unterscheiden. Was wiederum mit dem Informationsparadoxon zu tun hat, was ein eigenes Thema ist. Man könnte also flapsig sagen, Schwarze Löcher sind einfach nur riesige, ultraschwere Atome. Ist zwar so auch wieder nicht richtig, aber man sieht, wohin die Reise geht: GUT. Falls wir je dahinter kommen.

    2. Allgemeine Probleme mit einer hypothetischen Singularität

    Wir wissen nicht, ob im Herzen eines Schwarzen Loches eine Singularität ist. Das ist ein unendlich kleiner Punkt, in dem es keinen Raum und keine Zeit gibt. Dort würde dann alles kollabieren.

    Ich bin aber kein Physiker, nur ein interessierter Laie, der sich versucht diese Dinge immer (korrekt) zu merken, was nicht ganz trivial ist. Noch weniger trivial ist es sie wirklich zu verstehen :). Falls ich also Blödsinn schrieb, mögen die echten Profis hier bitte korrigieren.

  10. #10 PDP10
    8. Oktober 2020

    @Adam:

    Florian schreibt:

    Oder hat man vielleicht sogar probiert, sich mit dem Preis für Penrose, Genzel und Ghez aus der Affäre zu ziehen, weil man nicht weiß, welchen drei konkreten Personen aus dem riesigen Team des “Event Horizon Telescopes” (mit dem das Bild des schwarzen Lochs in der Galaxie M87* gemacht worden ist) man den Preis verleihen soll?

    Ich glaube das ist der Knackpunkt. Da sind viele hundert Leute dran beteiligt gewesen.

    Die heraus zu “filtern” deren wissenschaftliche Arbeit den entscheidenden Beitrag geliefert hat, wird sicher noch einige Jahre dauern. Da wird man sich auch damit beschäftigen, was die sonst noch für Beiträge zur Astronomie/Kosmologie etc. geleistet haben und wer denn nun die entscheidenden Ideen für die Teleskope beigetragen hat.

    In der Haut des Nobel-Komitees möchte ich bei der Frage nicht stecken …

    Eine andere Möglichkeit, die auch schon diskutiert wird, wäre natürlich einer Organisation einen Nobelpreis zu verleihen, statt Einzelpersonen.

  11. #11 Jan
    8. Oktober 2020

    @Adam:
    Mit “GUT” bezeichnet man üblicherweise Theorien, die die elektroschwache mit der starken Wechselwirkung vereinigen. Eine Theorie, die diese Kraft dann auch noch mit der Gravitation vereinigt, nennt man “Theory of Everything” (TOE).

    Eine TOE muss eine Theorie der Quantengravitation sein (bzw. eine solche beinhalten), aber eine Theorie der Quantengravitation muss nicht zwangsläufig eine TOE sein. In der Loop-Quantum-Gravity versucht man z.B. “einfach nur” Gravitation quantenmechanisch zu beschreiben, ohne sie mit den anderen Kräften zu vereinigen. Die Stringtheorie ist (bzw. wäre) hingegen eine echte TOE.

  12. #12 Adam
    Berlin
    9. Oktober 2020

    @PDP10:

    Ja, klingt plausibel. Darauf wird’s wohl früher oder später hinauslaufen, bzw. auf Gruppen.

    @Jan:

    Danke, das war mir neu. Ich dachte, dass GUT und TOE dasselbe sind. Kann natürlich sein, dass beide revidiert werden müssen, sollte man doch eine fünfte Kraft finden.

  13. #13 Guido
    21. Oktober 2020

    @PDP10, Adam:
    Ich zitiere mal wiki:
    “Erste Vorschläge, wie der Ereignishorizont mit zusammengeschalteten Radioteleskopen beobachtet werden könnte, wurden im Jahr 2000 von Heino Falcke, Fulvio Melia und Eric Agol gemacht.”

    Oftmals werden -sodenn noch am Leben- Grundlagenforscher und die praktischen Umsetzer ausgezeichnet; stellvertretend für die vielen, fleißigen Ameisen, die auch daran gewerkelt haben.

  14. #14 Axel Falke
    Wolmirstedt
    20. März 2021

    Wenn man sich nicht einigen kann, so wäre es sinnvoll den Preis den Initiatoren der EHT zu verleihen!

  15. #15 Das mittelgroße schwarze Loch und die (eventuelle) Lösung eines ungelösten Problems – Astrodicticum Simplex
    14. April 2021

    […] Physik-Nobelpreis 2020 wurde an Reinhard Genzel und Andrea Ghez verlieren und zwar für den Nachweis, dass sich im Zentrum unserer Milchstraße ein sogenanntes […]