Gesundheit: Im Innern der Schwerkraftfalle Dicht und dunkel

Schon 1783 spekulierte der englische Astronom John Michell über Himmelskörper, deren Massendichte so groß sei, dass „von ihnen abgestrahltes Licht durch ihre Anziehungskraft zu ihnen zurückkehren muss“. Doch erst in den 1930er Jahren gelang es Astrophysikern, die Entstehung solcher Schwerkraftfallen aus sehr massereichen Sternen zu beschreiben. John Wheeler prägte dafür 1967 den Begriff „Schwarzes Loch“. Innerhalb eines „Ereignishorizonts“ um dieses schwarze Loch ist die Schwerkraft so groß, dass es für einfallende Materie keine Rückkehr mehr in die Außenwelt gibt. Keine Kunde kann von dort nach außen dringen. Im Inneren des Ereignishorizonts spielt die Physik verrückt. Aber was dort wirklich passiert, wissen selbst die Wissenschaftler bis heute nicht. Um die Zustände im Innern eines schwarzen Lochs zu beschreiben, bräuchte man eine Vereinigung von Relativitätstheorie und Quantenmechanik – eine solche Theorie gibt es bislang nicht. R. K.

Große Sterne leben nicht lange: Innerhalb weniger Millionen Jahre verbrauchen sie ihren Vorrat an nuklearem Brennstoff. Wenn die Energieerzeugung in ihrem Inneren erlischt, hauchen die Sterne ihr Leben in einer gewaltigen Explosion, einer „Supernova“, aus. Dabei katapultieren sie einen großen Teil ihrer äußeren Materieschichten ins All, während ihr innerer Kern unter der Last der eigenen Schwerkraft kollabiert. Enthält dieser Kern mehr als das Dreifache der Sonnenmasse, so vermag keine Kraft den Kollaps aufzuhalten: Ein schwarzes Loch entsteht, ein Schwerkraftmonster, aus dem nichts entweichen kann.

Doch es kann etwas hineinfallen: Kosmischen Staubsaugern gleich schlucken schwarze Löcher gierig Gas und Staub aus ihrer Umgebung. Die einfallende Materie heizt sich dabei auf und sendet eine verräterische Strahlung aus, welche die Astronomen auf die Spur des eigentlich unsichtbaren schwarzen Lochs führt. Eine Vielzahl solcher Sternenleichen, die sich unter anderem durch stark schwankende Röntgenstrahlung verraten, haben die Astronomen in unserer Milchstraße aufgespürt.

Ein besonderer Tummelplatz von schwarzen Löchern scheint das Zentrum der Galaxis zu sein: Dort stießen amerikanische Forscher in einem Umkreis von nur drei Lichtjahren auf einen ganzen Schwarm der monströsen Sternenleichen. schwarze Löcher bilden häufig Doppelsysteme mit normalen Sternen. Sie entreißen ihrem Begleiter dann mit ihrer enormen Anziehungskraft Materie, die sich in einer Scheibe um das schwarze Loch ansammelt. Hin und wieder kommt es zu Instabilitäten, große Materiemengen fallen auf einen Schlag in das schwarze Loch ein und lösen währenddessen einen Ausbruch von Röntgenstrahlung aus.

Michael Muno von der University of California und seine Kollegen stießen bei Beobachtungen mit dem Röntgensatelliten Chandra innerhalb von fünf Jahren auf sieben dieser verräterischen Strahlungsausbrüche aus der Zentralregion der Milchstraße. Daraus errechneten die Astronomen, dass sich dort rund 20000 schwarze Löcher in Doppelsystemen befinden müssen. Eine überraschend hohe Zahl: Vermutlich sammeln sich die schwarzen Löcher durch den Energieaustausch mit anderen Sternen im galaktischen Zentrum an.

Im Mittelpunkt dieses Schwarms befindet sich ein weiteres schwarzes Loch, das seine stellaren Verwandten weit in den Schatten stellt: Es besitzt eine Masse von rund drei Millionen Sonnen. Solche supermassiven schwarzen Löcher scheint es im Zentrum fast jeder Galaxie zu geben, ihre Massen können sogar das Milliardenfache der Sonnenmasse übersteigen. Diese schwarzen Superlöcher sind die Kraftwerke der Quasare, der gewaltigsten Leuchtfeuer im Kosmos.

Dort laufen – lediglich in erheblich größerem Maßstab – die gleichen Prozesse ab, wie in den stellaren schwarzen Löchern in unserer Milchstraße. Materie wird in den Schwerkrafttrichter hinein gesogen und sammelt sich dort in einer gigantischen wirbelnden „Akkretionsscheibe“ an. Von dort strömt das Gas in den Schlund des schwarzen Lochs hinein und setzt Strahlung frei. Da starke Magnetfelder am Werk sind, katapultiert das schwarze Loch einen Teil der Materie in zwei „Jets“, nahezu lichtschnellen Materiestrahlen, wieder ins All hinaus.

Im jungen Kosmos gab es viel mehr Quasare als heute. Mit der Zeit, so scheint es, verbrauchen die supermassiven schwarzen Löcher alle Materie in ihrer Umgebung und ihre Strahlungsaktivität schläft ein. Doch Beobachtungen der Sternbewegungen in den Zentren anderer Galaxien zeigen, dass die schwarzen Löcher noch da sind. Und sie können offenbar jederzeit wieder aufflammen, sogar im Herzen unserer Milchstraße.

Denn wie jüngste Beobachtungen mit dem Satelliten „Integral“ zeigen, hat das schwarze Loch im galaktischen Zentrum vor nur 350 Jahren einen großen Strahlungsausbruch erlebt, bei dem es eine Million Mal so viel Energie freisetzte wie heute. Die Strahlung des Ausbruchs ist jetzt auf eine 350 Lichtjahre vom Milchstraßenzentrum gelegene Gaswolke getroffen. „Wir sehen das Echo des Ausbruchs, die Wolke wirkt wie ein Spiegel“, erläutert Mikhail Revnivtsev vom Institut für Weltraumforschung in Moskau, der an den Beobachtungen beteiligt ist. Zehn Jahre hat der Ausbruch gedauert, schätzen die Astronomen. Der Schlaf des Schwerkraftmonsters im galaktischen Herzen ist, wie es scheint, nur leicht. Woher aber kommen die supermassiven schwarzen Löcher?

Vor drei Jahren spürten amerikanische Astronomen in Kugelsternhaufen schwarze Löcher mit der mehr als tausendfachen Masse unserer Sonne auf. Da die Sterndichte in diesen Haufen groß ist, könnten diese Objekte durch Zusammenstöße und Verschmelzungen stellarer schwarzer Löcher entstanden sein. Vielleicht sind auf ähnliche Weise im jungen Kosmos die gigantischen Schwarzen Löcher in den Galaxienzentren entstanden.

Beobachtungen an einem 12,8 Milliarden Lichtjahre entfernten Quasar sprechen jedoch für ein anderes Szenario. Das schwarze Loch im Zentrum dieses Quasars besitzt eine Masse von 11 bis 15 Milliarden Sonnenmassen – doch es ist nicht von einer dichten Sternenansammlung umgeben, aus der es entstanden sein könnte. Daraus ziehen die Forscher den Schluss, dass die schwarzen Superlöcher zuerst da waren – vielleicht schon seit dem Urknall – und als Keimzellen der Galaxienentstehung dienten. Ob dieses Szenario korrekt ist, sollen weitere Beobachtungen ferner Quasare zeigen.