Eine Schwerkraft, die Licht gefangen hält

Ein Schwarzes Loch entsteht, wenn eine ausreichende Menge an Materie in einem Volumen komprimiert wird, das klein genug ist, damit seine Schwerkraft jede Kraft übertrifft, die sich ihr entgegenstellen könnte. Um es herum erstreckt sich der Ereignishorizont, eine unsichtbare kugelförmige Grenze, die keine physische Oberfläche darstellt, aber den Punkt ohne Wiederkehr markiert: Innerhalb davon verfügt selbst das Licht, das doch mit der höchstmöglichen im Universum erlaubten Geschwindigkeit reist, nicht mehr über genug Geschwindigkeit, um zu entkommen.

Was sich innerhalb des Horizonts befindet, bleibt per Definition der direkten Beobachtung entzogen. Die Gleichungen von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie sagen in seinem Zentrum eine Singularität voraus, einen Punkt, an dem die Dichte unendlich würde — doch die meisten Physiker betrachten diese Vorhersage eher als Zeichen dafür, dass die Theorie selbst auf dieser Skala ihre Gültigkeit verliert, als eine wörtliche Beschreibung der Realität.

Stellare und supermassereiche Schwarze Löcher

Stellare Schwarze Löcher, die häufigsten, entstehen beim Kollaps des Kerns eines massereichen Sterns am Ende seines Lebens, nach dem Verbrauch seines nuklearen Brennstoffs und der Explosion seiner äußeren Schichten als Supernova. Sie wiegen typischerweise zwischen wenigen und einigen Dutzend Sonnenmassen.

Am anderen Ende der Skala nisten sich supermassereiche Schwarze Löcher, deren Masse Millionen bis Milliarden Sonnenmassen erreicht, im Zentrum fast aller großen Galaxien ein — auch in unserer eigenen. Ihr genauer Ursprung wird noch debattiert: allmähliche Verschmelzung kleinerer Schwarzer Löcher, direkter Kollaps riesiger primordialer Gaswolken, oder je nach Fall eine Kombination aus beidem.

Sagittarius A*, das Schwarze Loch der Milchstraße

Im Zentrum unserer eigenen Galaxie befindet sich Sagittarius A*, ein supermassereiches Schwarzes Loch von etwa 4 Millionen Sonnenmassen. Seine Anwesenheit wurde bereits in den 1990er-Jahren erschlossen, indem über mehrere Jahrzehnte die Bahnen von Sternen verfolgt wurden, die sich mit sehr hoher Geschwindigkeit um einen unsichtbaren Punkt bewegen — eine Arbeit, für die Reinhard Genzel und Andrea Ghez 2020 den Physik-Nobelpreis erhielten.

Im Mai 2022 veröffentlichte die Kollaboration Event Horizon Telescope das allererste direkte Bild von Sagittarius A*, gewonnen durch die Kombination der Daten von acht über den gesamten Planeten verteilten Radioteleskopen, die zusammen praktisch ein virtuelles Teleskop von der Größe der Erde bildeten. Das Bild zeigt einen hellen Ring rund um eine dunkle zentrale Region — die auf die glühende umgebende Materie projizierte Silhouette des Ereignishorizonts.

Das erste Bild eines Schwarzen Lochs

Drei Jahre zuvor, im April 2019, hatte dieselbe Kollaboration bereits für Aufsehen gesorgt, als sie das erste jemals erhaltene Bild eines Schwarzen Lochs veröffentlichte: jenes, deutlich massereicher, im Zentrum der Galaxie M87, 55 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt, mit einer Masse von etwa 6,5 Milliarden Sonnen. Anders als das relativ unauffällige Sagittarius A* speist das Schwarze Loch von M87 einen mächtigen Materiejet, der sich über Tausende Lichtjahre erstreckt und seit langem von klassischen optischen Teleskopen aus sichtbar ist.

Was diese Bilder zeigen, ist nicht das Schwarze Loch selbst — per Definition unsichtbar —, sondern der Photonenring, das Licht, das von der überhitzten Materie ausgesendet wird, die knapp außerhalb des Horizonts umläuft, gekrümmt von der extremen Schwerkraft bis zu einem charakteristischen Halo rund um den zentralen Schatten.

Lange bevor es dem Event Horizon Telescope 2019 gelang, seinen Schatten zu fotografieren, hatte sich das Schwarze Loch von M87 bereits in größerem Maßstab verraten: Dieser bläuliche Plasmajet, hier zu sehen, wie er dem leuchtenden Kern der Galaxie entweicht, erstreckt sich über etwa 3.000 Lichtjahre und reist mit einer Geschwindigkeit nahe der des Lichts. Er entsteht aus Materie, die statt direkt in das Schwarze Loch zu fallen, entlang seiner Rotationsachse von starken Magnetfeldern gebündelt und ausgestoßen wird — ein Mechanismus, der noch im Detail erforscht wird, aber in der Lage ist, Materie über Distanzen zu schleudern, die tausendmal größer sind als die Größe des Ereignishorizonts selbst.

Dieser Jet hat eine messbare Wirkung auf seine Umgebung: Astronomen haben beobachtet, dass Sterne entlang seiner Bahn eine ungewöhnlich hohe Wahrscheinlichkeit haben, als Novae auszubrechen, ohne dass diese Sterne direkt vom Jet erfasst werden — eine noch wenig verstandene Wechselwirkung zwischen der intensiven Strahlung des Jets und der umgebenden Materie, aufgedeckt gerade durch diese Art hochauflösender Hubble-Beobachtung.

Gravitationswellen: Kollisionen hörbar machen

Seit 2015 registrieren die Detektoren LIGO und Virgo direkt die Gravitationswellen, die bei der Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher entstehen — infinitesimale Kräuselungen der Raumzeit selbst, ein Jahrhundert zuvor von Einstein vorhergesagt, aber bis dahin nie direkt beobachtet. Jede nachgewiesene Verschmelzung bestätigt ein Stück weiter die Existenz Schwarzer Löcher mittlerer Masse, die mit klassischen optischen Methoden schwer aufzuspüren sind, und eröffnet eine völlig neue, zum Licht ergänzende Art, das Universum zu beobachten.