Haben Wissenschaftler wirklich Schwarze Löcher gefunden?

ES SIEHT aus wie Science-fiction — einst helle Sterne werden unsichtbar und verdichten sich zufolge ihrer Gravitationskräfte so stark, daß nichts, nicht einmal das Licht, ihrem Zugriff entkommt. Viele Astronomen sind der Meinung, daß solche Schwarzen Löcher im Weltall etwas Normales sein könnten. Wäre es nicht interessant, mehr darüber zu erfahren? Die Geschichte beginnt in dem wunderschönen nördlichen Sternbild des Cygnus (Schwan).

Cygnus X-1 — ein Schwarzes Loch?

Seit den 60er Jahren interessieren sich Astronomen für bestimmte Gebiete im Sternbild des Cygnus. Observatorien, die man auf eine Umlaufbahn außerhalb der Erdatmosphäre gebracht hat, haben eine starke Röntgenquelle in diesem Gebiet gefunden, die Cygnus X-1 genannt wird.

Wissenschaftlern ist schon lange bekannt, daß die Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung, die ein Körper aussendet, um so kürzer und energiereicher ist, je wärmer er ist. Erhitzt man zum Beispiel ein Stück Eisen in einem heißen Schmelzofen, so glüht das Eisen, wenn es heißer wird, erst rot, dann gelb und zuletzt weiß. In dieser Hinsicht verhalten sich Sterne wie dieses Stück Eisen. Verhältnismäßig kühle Sterne mit einer Temperatur von etwa 3 000 K haben eine rötliche Farbe, während ein gelber Stern wie die Sonne eine Oberflächentemperatur von ungefähr 6 000 K aufweist.a Ein stellares Gas müßte jedoch auf Millionen Grad Kelvin aufgeheizt werden, um die Röntgenstrahlung zu erzeugen, die Cygnus X-1 aussendet. Kein Stern hat eine derart hohe Oberflächentemperatur.

In dem Gebiet von Cygnus X-1 haben Astronomen einen Stern mit einer Oberflächentemperatur von schätzungsweise 30 000 K gefunden — das ist zwar sehr heiß, aber nicht heiß genug, um die Röntgenstrahlung zu erklären. Dieser Stern, der unter dem Namen HDE 226868 katalogisiert ist, hat schätzungsweise eine etwa 30mal so große Masse wie unsere Sonne und ist etwa 6 000 Lichtjahre von der Erde entfernt. Der Superriese hat einen Begleitstern, und beide wirbeln auf ihrer Bahn in 5,6 Tagen einmal umeinander. Wissenschaftler haben berechnet, daß der Begleitstern nur wenige Millionen Kilometer von HDE 226868 entfernt ist. Wie aus einigen Quellen hervorgeht, ist dieser Begleitstern etwa 10mal so massereich wie die Sonne. Der Begleiter hat aber etwas sehr Eigenartiges an sich — er ist unsichtbar. Jeder normale Stern dieser Größe müßte bei einer solchen Entfernung von der Erde aus zu sehen sein. Ein so massereiches Objekt, das, wie es scheint, Röntgenstrahlen, aber kein sichtbares Licht aussendet, ist nach Aussage von Wissenschaftlern ein vielversprechender Kandidat für ein Schwarzes Loch.

Ein Ausflug zu einem Schwarzen Loch

Stellen wir uns vor, wir könnten zu Cygnus X-1 reisen. Angenommen, es handelt sich wirklich um ein Schwarzes Loch, dann bekämen wir vielleicht das zu sehen, was auf Seite 17 abgebildet ist. Der große Stern ist HDE 226868. Er hat einen Durchmesser von Millionen von Kilometern, das Schwarze Loch dagegen vielleicht nur einen von ungefähr 60 Kilometern. Das winzige schwarze Fleckchen im Zentrum des glühenden Gasstrudels ist der Horizont oder die Oberfläche des Schwarzen Loches. Damit ist keine ebene Oberfläche gemeint, sondern eher ein Abdruck. Es ist der Rand des Bereichs, in dem die Gravitation des Schwarzen Loches so stark ist, daß nicht einmal Licht entkommen kann. Viele Wissenschaftler glauben, daß sich im Innern des Horizonts, im Zentrum des Schwarzen Loches, ein Punkt von unendlich hoher Dichte befindet, dessen Volumen null beträgt — eine sogenannte Singularität, in der die gesamte Masse des Schwarzen Loches verschwunden ist.

Das Schwarze Loch saugt die äußeren Gasschichten seines Begleitsterns ab. Das Gas des Sterns hat die Form einer glühenden Scheibe und heizt sich, während es immer schneller um das Schwarze Loch spiralt, durch die Reibung auf. Dieses ultraheiße Gas erzeugt, wenn es durch die enorme Schwerkraft immens beschleunigt wird, unmittelbar außerhalb des Schwarzen Loches die Röntgenstrahlung. Natürlich entkommen weder Röntgenstrahlen noch etwas anderes, sobald das Gas in das Schwarze Loch gefallen ist.

Cygnus X-1 bietet einen großartigen Anblick, aber man darf ihm nicht zu nahe kommen. Nicht nur die Röntgenstrahlung ist lebensgefährlich, sondern auch seine Gravitation. Wenn wir auf der Erde stehen, ist die Gravitation, die auf unseren Kopf einwirkt, etwas schwächer als die, die auf unsere Füße einwirkt. Dieser Unterschied ruft eine winzige Zugkraft hervor, die aber nicht spürbar ist. Auf Cygnus X-1 vervielfacht sich dieser winzige Unterschied um das Hundertfünfzigmilliardenfache, so daß die entstehende Kraft unseren Körper tatsächlich dehnen würde, so als würden unsichtbare Hände auf der einen Seite an den Füßen ziehen und auf der anderen Seite am Kopf.

Ist Cygnus A ein supermassives Schwarzes Loch?

Im Sternbild des Cygnus gibt es ein weiteres mysteriöses Gebiet. Was den sichtbaren Teil betrifft, so enthält dieses Gebiet nur den sehr schwachen Schein einer fernen Galaxie, aber es strahlt einige der stärksten Radiowellen ab, die es am Himmel gibt. Das Gebiet wird Cygnus A genannt, und seit seiner Entdeckung vor 50 Jahren gibt es den Wissenschaftlern immer neue Rätsel auf.

Man kann sich die Dimensionen von Cygnus A nur schwer vorstellen. Während Cygnus X-1 sich in unserer Galaxis befindet, nur wenige tausend Lichtjahre von der Erde entfernt, glaubt man, daß Cygnus A Hunderte von Millionen Lichtjahre weit weg ist. Cygnus X-1 ist von seinem Begleiter nur etwa eine Lichtminute entfernt, aber die Fahnen, die die zwei Radiojets in Cygnus A erzeugen, sind Hunderttausende von Lichtjahren voneinander entfernt.b Irgend etwas in der Mitte von Cygnus A hat diese gewaltigen Jets über Hunderttausende oder Millionen von Jahren wie mit einer kosmischen Strahlenpistole in entgegengesetzte Richtungen gefeuert. Auf genauen Radiokarten des Zentrums von Cygnus A ist zu erkennen, daß die Strahlenpistole, verglichen mit den Jets, sehr klein ist — ihr Durchmesser beträgt weniger als einen Lichtmonat. Hätte sie die ganze Zeit über geschwankt, wären diese Jetströme verbogen. Die mysteriösen Jets sind aber schnurgerade, als ob die Strahlenpistole, aus der sie abgefeuert worden sind, mit Hilfe eines riesigen Kreisels stabilisiert worden wäre.

Woran könnte das liegen? „Unter den zahlreichen Vorschlägen zur Erklärung dieses Phänomens“, schreibt Professor Kip S. Thorne, „befand sich in den frühen achtziger Jahren nur einer, der die Vorstellung eines Kreisels aufgriff — die Vorstellung eines überaus langlebigen Kreisels von weniger als einem Lichtmonat Durchmesser und mit der Fähigkeit, gewaltige Strahlen zu erzeugen. Dieser Vorschlag beruhte auf der Vorstellung eines riesigen rotierenden Schwarzen Loches.“

Andere Vermutungen über Schwarze Löcher

Im Jahre 1994 sah man sich mit dem gerade überholten Hubble-Weltraumteleskop die „nahe gelegene“ Galaxie M87 an, die schätzungsweise 50 Millionen Lichtjahre entfernt ist. Mit Hilfe der verbesserten Optik spürte Hubble im Zentrum von M87 einen Gasstrudel auf, der mit einer Geschwindigkeit von 2 Millionen Kilometern in der Stunde um ein bestimmtes Objekt herumwirbelt. Was könnte das Gas zu einer so schnellen Bewegung veranlassen? Berechnungen ergaben, daß die Masse des Objekts in der Mitte des Strudels mindestens 2 Milliarden Sonnenmassen entsprechen muß. Doch das Objekt ist in einen „winzigen“ Raum von der Größe unseres Sonnensystems gepfercht. Das einzige, auf das nach den Vorstellungen der Wissenschaftler eine solche Beschreibung passen würde, wäre ein supermassives Schwarzes Loch.

Mögliche Schwarze Löcher sind nun im Zentrum einer ganzen Anzahl von nahen Galaxien entdeckt worden, darunter in der Andromeda-Galaxie, unserem Nachbarn „von nebenan“, der nur 2 Millionen Lichtjahre von uns entfernt ist. Es könnte aber noch ein riesiges Schwarzes Loch geben, das nicht so weit von uns entfernt ist wie Andromeda. Jüngste Beobachtungen lassen vermuten, daß sich ein riesengroßes Schwarzes Loch im Zentrum unserer Galaxis, der Milchstraße, befindet. Irgend etwas, was die Masse von schätzungsweise 2,4 Millionen Sonnen besitzt und sich in einem kleinen Gebiet befindet, veranlaßt die Sterne im Zentrum unserer Galaxis, es mit immens hoher Geschwindigkeit zu umkreisen. Der Physiker Thorne bemerkt: „Seit den achtziger Jahren gibt es immer mehr Anhaltspunkte dafür, daß Schwarze Löcher nicht nur in den meisten Quasaren und Radiogalaxien existieren, sondern auch in den Zentren der meisten großen gewöhnlichen Galaxien wie zum Beispiel in der Milchstraße oder Andromeda.“

Haben Wissenschaftler wirklich Schwarze Löcher entdeckt? Möglicherweise. Mit Sicherheit haben sie einige sehr befremdende Objekte im Sternbild Cygnus und anderswo entdeckt, die gegenwärtig am leichtesten mit Schwarzen Löchern zu erklären sind. Doch neue Daten können auch allgemein vertretene Theorien in Frage stellen.

Vor über 3 500 Jahren wurde Hiob von Gott gefragt: „Hast du die Satzungen der Himmel erkannt, oder könntest du seine Autorität auf die Erde setzen?“ (Hiob 38:33). Die Frage ist trotz des wissenschaftlichen Fortschritts noch zeitgemäß. Sobald der Mensch glaubt, er verstehe das Universum, taucht unvermutet eine neue Beobachtung auf, die seine sorgfältig ausgedachten Theorien wieder auf den Kopf stellt. Unterdessen können wir die Sternbilder bestaunen und uns an ihrer Schönheit erfreuen.

[Fußnoten]

[Kasten auf Seite 16, 17]

Wie entsteht ein Schwarzes Loch?

GEMÄSS dem gegenwärtigen wissenschaftlichen Verständnis leuchten die Sterne zufolge eines endlosen Tauziehens zwischen der Schwerkraft und den Kernkräften. Würde die Gravitation das Gas tief im Innern eines Sterns nicht zusammenpressen, könnte keine Kernfusion stattfinden. Andererseits würden den Sternen einige fremdartige Dinge widerfahren, wenn die Kernfusion der gravitativen Anziehung nicht entgegenwirkte.

Wissenschaftler meinen, daß Sterne, die ungefähr so groß sind wie die Sonne, durch die Gravitation zu heißen Schlackekörpern von der Größe der Erde, zu sogenannten Weißen Zwergen, zusammengepreßt werden, sobald ihr nuklearer Brennstoff, Wasserstoff und Helium, erschöpft ist. Ein Weißer Zwerg kann so massereich sein wie die Sonne, aber seine Masse ist auf einen eine-Million-mal kleineren Raum zusammengepreßt.

Herkömmliche Materie kann man hauptsächlich als leeren Raum betrachten, bei dem fast die ganze Masse des Atoms in einem winzigen Kern untergebracht ist, der von einer viel größeren Elektronenwolke umgeben ist. Im Innern eines Weißen Zwerges preßt die Gravitation jedoch die Elektronenwolke auf einen winzigen Bruchteil ihres vorherigen Volumens zusammen, so daß der Stern auf Planetengröße schrumpft. Für Sterne von der Größe unserer Sonne besteht an diesem Punkt ein Gleichgewicht zwischen der Gravitation und den Kräften, die die Elektronen besitzen, wodurch jede weitere Verdichtung verhindert wird.

Wie verhält es sich jedoch mit Sternen, die massereicher sind als die Sonne und deren Gravitation somit größer ist? Bei Sternen mit mehr als 1,4 Sonnenmassen ist die Gravitation so stark, daß die Elektronenwolke sehr dicht zusammengepreßt wird und aufhört zu bestehen. Die Elektronen vereinigen sich dann mit den Protonen zu Neutronen. Die Neutronen lassen sich vorerst nicht weiter zusammendrücken, solange die Gravitation nicht zu stark wird. Es entsteht kein Weißer Zwerg von der Größe eines Planeten, sondern ein Neutronenstern von der Größe eines kleinen Asteroiden. Neutronensterne bestehen aus der dichtesten bekannten Materie im Universum.

Was geschieht jedoch, wenn sich die Gravitation weiter erhöht? In Sternen, deren Masse 3 Sonnenmassen beträgt, ist nach Meinung der Wissenschaftler die Gravitation so stark, daß die Neutronen ihr nicht mehr standhalten. Physikern ist keine Form von Materie bekannt, die der Summe der Kräfte dieser Gravitation standhalten würde. Es scheint, daß der asteroidgroße Neutronenball nicht einfach zu einem noch kleineren Ball zusammengedrückt wird, sondern zu nichts, zu einem Punkt, der als Singularität bezeichnet wird, oder zu einem anderen noch unbeschriebenen theoretischen Gebilde. Der Stern würde scheinbar verschwinden und nur seine Schwerkraft sowie ein Schwarzes Loch an der Stelle hinterlassen, an der er sich zuvor befand. Das Schwarze Loch würde einen gravitativen Abdruck an der Stelle des früheren Sterns darstellen. Es wäre eine Region, in der die Gravitation so stark ist, daß nichts — nicht einmal Licht — entkommen könnte.

[Bilder auf Seite 16]

Das Sternbild des Cygnus enthält unter anderem den Nordamerika-Nebel (1) und den Schleier-Nebel (2). Cygnus X-1 (3) liegt am unteren Teil des Schwanenhalses.

Cygnus (Schwan)

[Bildnachweis]

Tony and Daphne Hallas/Astro Photo

Tony and Daphne Hallas/Astro Photo

[Bilder auf Seite 17]

Cygnus X-1 in der Theorie

Schwarze Löcher werden an dem Einfluß erkannt, den sie auf andere Himmelskörper ausüben. Diese Abbildung zeigt, wie Gase eines Sterns in ein Schwarzes Loch hineingezogen werden.

Künstlerische Darstellung eines Schwarzen Loches (innerhalb des roten Rechtecks) und Vergrößerung (darunter)

[Bildnachweis auf Seite 14]

Einstein: U.S. National Archives photo