In den verworrenen Kammern der Schwarzen Löcher kollidieren zwei grundlegende Theorien über unsere Welt. Gibt es wirklich schwarze Löcher? Es scheint, dass ja. Können die grundlegenden Probleme, die bei näherer Betrachtung der Schwarzen Löcher auftreten, gelöst werden? Unbekannt. Um zu verstehen, womit Wissenschaftler es zu tun haben, müssen Sie ein wenig in die Geschichte der Untersuchung dieser ungewöhnlichen Objekte eintauchen. Und wir werden mit der Tatsache beginnen, dass es von allen Kräften, die in der Physik existieren, eine gibt, die wir überhaupt nicht verstehen: die Schwerkraft.
Die Schwerkraft ist der Schnittpunkt von grundlegender Physik und Astronomie, der Grenze, an der zwei der grundlegendsten Theorien, die unsere Welt beschreiben, kollidieren: die Quantentheorie und Einsteins Theorie von Raum-Zeit und Schwerkraft, auch bekannt als allgemeine Relativitätstheorie.
Schwarze Löcher und Schwerkraft
Diese beiden Theorien scheinen unvereinbar zu sein. Und das ist nicht einmal ein Problem. Sie existieren in verschiedenen Welten, die Quantenmechanik beschreibt sehr klein und die allgemeine Relativitätstheorie beschreibt sehr groß.
Nur wenn man zu extrem kleinen Maßstäben und extremer Schwerkraft kommt, kollidieren die beiden Theorien und irgendwie stellt sich heraus, dass eine davon falsch ist. In jedem Fall folgt es aus der Theorie.
Aber es gibt einen Ort im Universum, an dem wir dieses Problem tatsächlich beobachten und vielleicht sogar lösen könnten: den Rand eines Schwarzen Lochs. Hier begegnen wir der extremsten Schwerkraft. Aber es gibt ein Problem: Niemand hat jemals ein Schwarzes Loch "gesehen".
Werbevideo:
Was ist ein Schwarzes Loch?
Stellen Sie sich vor, das ganze Drama in der physischen Welt entfaltet sich im Theater der Raumzeit, aber die Schwerkraft ist die einzige Kraft, die das Theater, in dem es gespielt wird, tatsächlich verändert.
Die Schwerkraft kontrolliert das Universum, aber es kann nicht einmal eine Kraft im traditionellen Sinne sein. Einstein beschrieb es als Folge der Verformung der Raumzeit. Und vielleicht passt es einfach nicht in das Standardmodell der Teilchenphysik.
Wenn ein sehr großer Stern am Ende seines Lebens explodiert, kollabiert sein innerster Teil unter seiner eigenen Schwerkraft, da nicht mehr genügend Kraftstoff vorhanden ist, um den Druck gegen die Schwerkraft aufrechtzuerhalten. Schließlich kann die Schwerkraft immer noch Kraft ausüben, so scheint es.
Materie bricht zusammen und keine Kraft in der Natur kann diesen Zusammenbruch verlassen.
Im Laufe einer unendlichen Zeit kollabiert ein Stern zu einem infinitesimalen Punkt: einer Singularität, oder nennen wir es ein Schwarzes Loch. Aber in einer endlichen Zeit wird der Sternkern natürlich in etwas endlicher Dimensionen zusammenbrechen und auf unendlich kleinem Raum immer noch eine riesige Masse haben. Und es wird auch ein Schwarzes Loch genannt.
Schwarze Löcher saugen nicht alles herum
Bemerkenswerterweise ist die Vorstellung, dass ein Schwarzes Loch unweigerlich alles in sich hinein saugt, falsch.
In der Tat spielt es keine Rolle, ob Sie einen Stern oder ein aus einem Stern gebildetes Schwarzes Loch umkreisen, solange die Masse gleich bleibt. Gute altmodische Zentrifugalkraft und Ihr Drehimpuls schützen Sie und verhindern, dass Sie fallen.
Erst wenn Sie Ihre Raketenbremsen betätigen, um den Spin zu unterbrechen, fallen Sie nach innen.
Sobald Sie jedoch in schwarze Löcher fallen, beschleunigen Sie allmählich auf immer höhere Geschwindigkeiten, bis Sie schließlich die Lichtgeschwindigkeit erreichen.
Warum sind Quantentheorie und allgemeine Relativitätstheorie nicht kompatibel?
Im Moment zerfällt alles, da sich gemäß der allgemeinen Relativitätstheorie nichts schneller bewegen kann als die Lichtgeschwindigkeit.
Licht ist ein Substrat, das in der Quantenwelt verwendet wird, um Kräfte auszutauschen und Informationen zum Makrokosmos zu transportieren. Licht bestimmt, wie schnell Sie Ursache und Wirkung verbinden können. Wenn Sie sich schneller als Licht bewegen, können Sie Ereignisse sehen und Dinge ändern, bevor sie eintreten. Und das hat zwei Konsequenzen:
- An dem Punkt, an dem Sie die Lichtgeschwindigkeit erreichen, indem Sie nach innen fallen, müssen Sie diesen Punkt auch mit einer noch höheren Geschwindigkeit verlassen, was unmöglich erscheint. Konventionelle physische Weisheit wird Ihnen daher sagen, dass nichts ein Schwarzes Loch hinterlassen kann, wenn Sie diese Barriere durchbrechen, die wir auch als "Ereignishorizont" bezeichnen.
- Daraus folgt auch, dass die Grundprinzipien der Erhaltung von Quanteninformationen plötzlich verletzt werden.
Ob dies zutrifft und wie wir die Gravitationstheorie (oder die Quantenphysik) modifizieren können, sind Fragen, auf die viele Physiker nach Antworten suchen. Und keiner von uns kann sagen, mit welchen Argumenten wir enden werden.
Gibt es schwarze Löcher?
Offensichtlich wäre all diese Aufregung nur gerechtfertigt, wenn es in diesem Universum wirklich Schwarze Löcher gäbe. Existieren sie also?
Im vergangenen Jahrhundert wurde schlüssig bewiesen, dass einige Binärdateien mit intensiven Röntgenstrahlen tatsächlich Sterne sind, die zu Schwarzen Löchern zusammengebrochen sind.
Darüber hinaus finden wir in den Zentren von Galaxien häufig Hinweise auf riesige Konzentrationen dunkler Massen. Dies könnten supermassive Versionen von Schwarzen Löchern sein, die wahrscheinlich durch die Verschmelzung vieler Sterne und Gaswolken entstanden sind, die in das Zentrum der Galaxie getaucht sind.
Die Beweise sind stark, aber umständlich. Gravitationswellen ermöglichten es uns, zumindest die Verschmelzung von Schwarzen Löchern zu "hören", aber die Signatur des Ereignishorizonts ist immer noch schwer fassbar und wir haben Schwarze Löcher bisher noch nie "gesehen" - sie sind einfach zu klein, zu weit entfernt und in den meisten Fällen zu schwarz.
Wie sieht ein Schwarzes Loch aus?
Wenn Sie direkt in ein Schwarzes Loch schauen, sehen Sie die dunkelste Dunkelheit, die Sie sich vorstellen können.
Die unmittelbare Umgebung des Schwarzen Lochs kann jedoch hell genug sein, wenn sich die Gase nach innen drehen - was sich aufgrund des Widerstands der Magnetfelder, die sie tragen, verlangsamt.
Aufgrund der magnetischen Reibung wird das Gas auf enorme Temperaturen von mehreren zehn Milliarden Grad erhitzt und beginnt, ultraviolette und Röntgenstrahlen zu emittieren.
Ultraheiße Elektronen, die mit dem Magnetfeld im Gas interagieren, beginnen eine intensive Funkemission zu erzeugen. Somit können schwarze Löcher leuchten und von einem Feuerring umgeben sein, der bei verschiedenen Wellenlängen emittiert.
Feuerring mit schwarz-schwarzer Mitte
Und doch fängt der Ereignishorizont genau in der Mitte wie ein Greifvogel jedes Photon ein, das zu nahe kommt.
Da der Raum durch die riesige Masse des Schwarzen Lochs gekrümmt ist, biegen sich auch die Lichtwege und bilden sogar fast konzentrische Kreise um das Schwarze Loch, wie Serpentinen um ein tiefes Tal. Dieser Ring des Lichteffekts wurde bereits 1916 vom berühmten Mathematiker David Hilbert berechnet, nur wenige Monate nachdem Albert Einstein seine allgemeine Relativitätstheorie abgeschlossen hatte.
Nach mehrmaligem Durchqueren des Schwarzen Lochs können einige der Lichtstrahlen entweichen, während andere am Ereignishorizont landen. Auf diesem komplizierten Lichtweg können Sie buchstäblich in ein Schwarzes Loch blicken. Und das "Nichts", das Ihrem Blick erscheint, wird der Ereignishorizont sein.
Wenn Sie ein Schwarzes Loch fotografieren würden, würden Sie einen schwarzen Schatten sehen, der von einem glühenden Lichtnebel umgeben ist. Wir haben dieses Feature den Schatten des Schwarzen Lochs genannt.
Bemerkenswerterweise scheint dieser Schatten größer zu sein, als man erwarten würde, wenn wir den Durchmesser des Ereignishorizonts als Ursprung nehmen. Der Grund ist, dass das Schwarze Loch wie eine riesige Linse wirkt und sich selbst verstärkt.
Die Schattenumgebung wird durch einen winzigen "Photonenring" dargestellt, da das Licht fast für immer um das Schwarze Loch wirbelt. Außerdem werden in der Nähe des Ereignishorizonts weitere Lichtringe angezeigt, die sich jedoch aufgrund des Linseneffekts um den Schatten des Schwarzen Lochs konzentrieren.
Fantasie oder Realität?
Könnte ein Schwarzes Loch eine echte Erfindung sein, die nur auf einem Computer modelliert werden kann? Oder können Sie es in der Praxis sehen? Antwort: es ist möglich.
Es gibt zwei relativ nahe gelegene supermassereiche Schwarze Löcher im Universum, die so groß und nah sind, dass ihre Schatten mit moderner Technologie erfasst werden können.
Im Zentrum unserer Milchstraße befinden sich 26.000 Lichtjahre entfernte Schwarze Löcher mit einer Masse, die 4 Millionen Mal so groß ist wie die Masse der Sonne, und ein Schwarzes Loch in der riesigen elliptischen Galaxie M87 (Messier 87) mit einer Masse von 3-6 Milliarden Sonnenmassen.
M87 ist tausendmal weiter entfernt, aber tausendmal massiver und tausendmal größer, sodass beide Objekte ungefähr den gleichen Durchmesser eines auf den Himmel projizierten Schattens haben.
Sehen Sie in New York ein Senfkorn aus Europa
Zufälligerweise sagen einfache Strahlungstheorien voraus, dass für beide Objekte Strahlung, die in der Nähe des Ereignishorizonts erzeugt wird, bei Funkfrequenzen von 230 Hz und darüber emittiert wird.
Die meisten von uns stoßen nur dann auf diese Frequenzen, wenn sie in einem modernen Flughafen einen Scanner durchlaufen müssen. Schwarze Löcher schwimmen ständig in ihnen.
Diese Strahlung hat eine sehr kurze Wellenlänge - in der Größenordnung von einem Millimeter - die leicht von Wasser absorbiert werden kann. Damit ein Teleskop kosmische Millimeterwellen beobachten kann, muss es hoch auf einem trockenen Berg platziert werden, um zu vermeiden, dass Strahlung in der Troposphäre der Erde absorbiert wird.
Grundsätzlich brauchen wir ein Millimeter-Teleskop, mit dem ein Objekt von der Größe eines Senfkorns in New York von irgendwo in den Niederlanden aus gesehen werden kann. Dieses Teleskop ist tausendmal schärfer als das Hubble-Weltraumteleskop, und bei Millimeterwellenlängen ist die Größe eines solchen Teleskops der Atlantik oder größer.
Ein virtuelles Teleskop von der Größe der Erde
Glücklicherweise müssen wir die Erde nicht mit einer einzigen Funkschüssel abdecken, da wir ein virtuelles Teleskop mit derselben Auflösung bauen können, das Daten von Teleskopen in verschiedenen Bergen auf der Erde kombiniert.
Diese Technik wird als Apertursynthese und sehr lange Basisinterferometrie (VLBI) bezeichnet. Die Idee ist ziemlich alt und über mehrere Jahrzehnte bewährt, aber erst jetzt ist es möglich geworden, sie bei hohen Funkfrequenzen anzuwenden.
Die ersten erfolgreichen Experimente zeigten, dass die Strukturen des Ereignishorizonts bei solchen Frequenzen untersucht werden können. Jetzt gibt es alles, was Sie brauchen, um ein solches Experiment in großem Maßstab durchzuführen.
Die Arbeiten sind bereits im Gange
Das BlackHoleCam-Projekt ist ein europäisches Projekt zur ultimativen Abbildung, Messung und zum Verständnis astrophysikalischer Schwarzer Löcher. Das europäische Projekt ist Teil einer globalen Zusammenarbeit - des Event Horizon Telescope-Konsortiums, dem mehr als 200 Wissenschaftler aus Europa, Amerika, Asien und Afrika angehören. Gemeinsam wollen sie das erste Bild eines Schwarzen Lochs machen.
Im April 2017 beobachteten sie das galaktische Zentrum und die M87 mit acht Teleskopen auf sechs verschiedenen Bergen in Spanien, Arizona, Hawaii, Mexiko, Chile und am Südpol.
Alle Teleskope waren mit präzisen Atomuhren ausgestattet, um ihre Daten genau zu synchronisieren. Dank der damals überraschend guten Wetterbedingungen auf der ganzen Welt haben Wissenschaftler mehrere Petabyte Rohdaten aufgezeichnet.
Foto eines schwarzen Lochs
Wenn es Wissenschaftlern gelingt, den Ereignishorizont zu erkennen, werden sie wissen, dass die Probleme, die an der Schnittstelle von Quantentheorie und allgemeiner Relativitätstheorie auftreten, nicht abstrakt, sondern sehr real sind. Vielleicht können sie dann gelöst werden.
Dies kann erreicht werden, indem klarere Bilder der Schatten von Schwarzen Löchern erhalten werden oder indem Sterne und Pulsare auf ihrem Weg um Schwarze Löcher verfolgt werden, wobei alle verfügbaren Methoden zur Untersuchung dieser Objekte verwendet werden.
Vielleicht sind es Schwarze Löcher, die in Zukunft zu unseren exotischen Labors werden.
Ilya Khel
