Eine kurze Geschichte der schwarzen Löcher

Im Juli 1971 meldete „Physik in unserer Zeit“ eine mögliche Sensation: „Der Astronom A. G. W. Cameron… glaubt…, ein … schwarzes Loch im Doppelstern-System Epsilon Aurigae entdeckt zu haben.“ Nun sind fünfzig Jahre eine sehr lange Zeit in der modernen Astronomie. Durch neue Beobachtungs­techniken, sensiblere Instrumente und computer­gestützte Forschung haben sich seitdem revolutionäre Veränderungen vollzogen. Die Astro­physik ist eines der dynamischsten Gebiete der Physik, was zahlreiche Nobel­preise der vergangenen Jahrzehnte dokumentieren.

Kein Wunder also, dass man heute sehr viel mehr über die Existenz schwarzer Löcher weiß als damals. So erhielten Andrea Ghez und Reinhard Genzel 2020 den Nobelpreis für Physik für den Nachweis eines super­massereichen schwarzen Lochs mit vier Millionen Sonnenmassen im Zentrum der Milchstraße. Von so riesigen schwarzen Löchern hatte man vor fünfzig Jahren allerdings kaum eine Vorstellung, und auch heute noch ist ihre Entstehung in der Frühzeit des Universums ein Rätsel. Sogenannte stellare schwarze Löcher dagegen wurden bereits in den 1960er Jahren als Endstadien massereicher, ausgebrannter Sterne vermutet.

Epsilon Aurigae wird heute nicht mehr mit einem solchen stellaren schwarzen Loch in Verbindung gebracht. Das Mehrfachsystem aus mindestens zwei Sternen ist zwar immer noch nicht ganz verstanden. Jedoch weist das sekundäre Objekt, das den Hauptstern periodisch etwa alle 27 Jahre für rund ein Jahr verdunkelt, nicht die charakteristische, hochenergetische Röntgen­strahlung auf, die von Materie verschlingenden schwarzen Löchern in Röntgen­doppelsternen beobachtbar ist. Bei dem dunklen Begleiter in Epsilon Aurigae handelt es sich vermutlich um einen ungewöhnlich lichtschwachen Stern oder um ein Doppelsystem von nicht direkt sichtbaren Sternen, das von einer ausgedehnten staubigen Scheibe umgeben ist.

Röntgendoppelsterne sind Systeme, in denen ein Neutronenstern oder schwarzes Loch über eine Akkretions­scheibe von einem Begleitstern mit Materie gefüttert wird. Die dem kompakten Objekt zuströmende Materie kann sich dabei auf über 10⁸ K aufheizen, sodass sie Strahlung im Röntgenlicht abgibt. Ihre Beobachtung ist nur außerhalb der Erdatmosphäre möglich und begann mit der Entwicklung von Mess­instrumenten auf Satelliten in den 1960er Jahren (Physik-Nobelpreis 2002 an Riccardo Giacconi). Heute kennt man knapp zwanzig Doppelsterne in der Milchstraße, bei denen die nicht direkt sichtbaren Komponenten als Kandidaten für stellare schwarze Löcher zwischen zirka fünf und 15 Sonnenmassen betrachtet werden. Hinweise liefern die Keplerschen Gesetze oder die zeitliche Variation ihrer Röntgenstrahlung.

Eine schlagartige Revolution vollzog sich 2015 mit dem ersten direkten Nachweis von Gravitationswellen, den von Einstein hundert Jahre zuvor vorhergesagten Raumzeit­schwingungen durch asymmetrisch beschleunigte Massen. Am 14. September fingen die interfero­metrischen LIGO-Detektoren in den USA das Signal zweier einander umkreisender und final verschmelzender schwarzer Löcher von rund 36 und 29 Sonnenmassen aus einer Entfernung von etwa 1,3 Milliarden Lichtjahren auf. Dabei entstand ein 62 Sonnenmassen schweres schwarzes Loch, und die Energie von drei Sonnenmassen wurde in weniger als einer Sekunde durch Gravitationswellen abgestrahlt.

Rainer Weiss, Barry Barish und Kip Thorne erhielten für ihre entscheidenden Beiträge zum LIGO Projekt den Nobelpreis für Physik 2017. Mit der sukzessive gesteigerten Empfindlichkeit von LIGO und des 2017 in Betrieb gegangenen Virgo-Interferometers bei Pisa hat ein neues goldenes Zeitalter der Astronomie begonnen. Wie solche Paare sehr schwerer stellarer schwarzer Löcher entstehen, ist eine der aktuell intensiv diskutierten Fragen.

Hans-Thomas Janka, Max-Planck-Institut für Astrophysik, Garching

Weitere Infos

• H.-T. Janka: Schwarze Löcher, Phys. Unserer Zeit 52(4), 201 (2021); DOI: https://doi.org/10.1002/piuz.202170409
• S. Gillessen: Schwarze Löcher sind Realität, Phys. Unserer Zeit 51(6), 272 (2020); DOI: https://doi.org/10.1002/piuz.202001598
• R. Genzel: „Wir haben noch viel vor“, Phys. Unserer Zeit 52(2), 64 (2021); DOI: https://doi.org/10.1002/piuz.202170210
• A. Rüdiger: Per aspera ad astra, Phys. Unserer Zeit 48(6), 272 (2017); DOI: https://doi.org/10.1002/piuz.201701492
• H. Lück: Einsteins Fenster zum dunklen Universum, Phys. Unserer Zeit 48(3), 124 (2017); DOI: https://doi.org/10.1002/piuz.201701461
• T. Krichbaum et al.: Das Event Horizon Telescope, Phys. Unserer Zeit 51(6), 274 (2020); DOI: https://doi.org/10.1002/piuz.202001591