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(Bildnachweis: ANDRZEJ WOJCICKISCIENCE PHOTO LIBRARY via Getty Images, Logo: Hannah Rose Brayshaw-Williams)Springe zu:

• Das erste Bild eines Schwarzen Lochs
• Masse des Schwarzen Lochs in der Milchstraße, gemessen
• Abbildung Sagittarius A*
• Das am schnellsten wachsende schwarze Loch, das je entdeckt wurde
• Gravitationswellen aus der Verschmelzung schwarzer Löcher entdeckt
• Schwarze Löcher mittlerer Masse zeigen sich endlich
• Das James Webb Weltraumteleskop findet alte schwarze Löcher

Ich würde behaupten, dass die faszinierendsten und geheimnisvollsten Objekte im Kosmos schwarze Löcher sind. Diese Löcher im Gewebe der Raumzeit sind durch eine unendlich dichte und unendlich kleine Konzentration von Masse verankert: Eine Singularität. Wir wissen einfach nicht, was jenseits des Ereignishorizonts eines Schwarzen Lochs liegt – der Grenze, die das Licht nicht überschreiten kann – und werden es vielleicht auch nie erfahren. Diese Objekte sind einfach zu extrem, als dass unser Gehirn sie mit Leichtigkeit begreifen und unser Körper sie aushalten könnte.

Aber in den 25 Jahren seit der Gründung von kosmischeweiten.de im Jahr 1999 hat sich die Wissenschaft von Schwarzen Löchern sprunghaft weiterentwickelt – vor allem, wenn es darum geht, diese kosmischen Titanen von ihren theoretischen Ursprüngen in die beobachtete Realität zu bringen. Eine umfassende Liste der seit der Gründung von kosmischeweiten.de erzielten Durchbrüche bei Schwarzen Löchern würde eine eigene Website erfordern.

Was wir jedoch tun können, um unser silbernes Jubiläum zu feiern, ist, Ihnen – in keiner bestimmten Reihenfolge – einige der wichtigsten, wundersamsten und sogar verwirrendsten Entdeckungen vorzustellen, die seit 1999 in der Wissenschaft der Schwarzen Löcher gemacht wurden. Lassen Sie uns eintauchen.

Das erste Bild eines Schwarzen Lochs

Wie alle Schwarzen Löcher sind auch die supermassereichen Schwarzen Löcher im Herzen von Galaxien durch einseitige, lichtundurchlässige Oberflächen, die sogenannten Ereignishorizonte, begrenzt. Daher kann kein Licht aus einem Schwarzen Loch entweichen, und kein Schwarzes Loch kann jemals wirklich gesehen werden. Was man jedoch sehen kann, ist der Schatten, den diese Hohlräume auf die sie umgebende glühende Materie werfen. Von diesem Material ernähren sich die Schwarzen Löcher allmählich.

Es ist keine leichte Aufgabe, ein Bild eines Schwarzen Lochs zu machen. Ein Projekt, das sich darum bemüht hat, ist das Event Horizon Telescope (EHT), ein globales Netzwerk von Observatorien, die so koordiniert sind, dass sie wie ein Teleskop von der Größe der Erde wirken. Im April 2019 gab die EHT-Kollaboration der Öffentlichkeit bekannt, dass es ihr gelungen ist, ein Schwarzes Loch anhand von Daten aus dem Jahr 2017 abzubilden.

Das fragliche Objekt war das supermassive Schwarze Loch im Herzen der weit entfernten Galaxie Messier 87 (M87). Der goldene Ring auf dem Bild ist Material, das mit annähernd Lichtgeschwindigkeit um das Schwarze Loch rast.

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„Ich denke, die ersten Bilder eines Schwarzen Lochs sind wirklich der erste direkte Beweis, den wir für die Existenz von Schwarzen Löchern haben“, sagte Sara Issaoun, beobachtende Astronomin am Harvard & Smithsonian’s Center of Astrophysics (CfA) und Mitglied der EHT-Kollaboration, gegenüber kosmischeweiten.de. „Wir können ihre Schatten sehen – ihren Einfluss auf das Licht und das Gas um sie herum. Ich denke, das ist eine große Veränderung in der Wissenschaft, vor allem wegen des visuellen Aspekts der Ergebnisse.“

Das Event Horizon Telescope hat dieses Bild des supermassiven schwarzen Lochs im Zentrum der Galaxie M87 und seines Schattens aufgenommen. (Bildnachweis: EHT Collaboration)Das Schwarze Loch M87* ist etwa 55 Millionen Lichtjahre entfernt und hat eine Masse von etwa 6,5 Milliarden Sonnen. Damit ist es wesentlich massereicher als das supermassereiche Schwarze Loch Sagittarius A* (Sgr A*) in unserer Galaxie. Kein Wunder, dass das Bild dieses kosmischen Titanen die Aufmerksamkeit der Öffentlichkeit erregt hat.

„Das Bild von M87* hat das Interesse an Schwarzen Löchern, der Wissenschaft und der Astronomie im Allgemeinen geweckt“, sagte Issaoun.

Masse des Schwarzen Lochs in der Milchstraße, gemessen

Im Herzen der Milchstraße, unserer Heimatgalaxie, befindet sich der kosmische Titan Sagittarius A* (Sgr A*), der erstmals in den 1930er Jahren von Karl Jansky in starken Radiowellen entdeckt und 1974 von den Astronomen Bruce Balick und Robert L. Brown zu einer kompakteren Region isoliert wurde. In den 1980er Jahren hatten Astronomen offiziell vorgeschlagen, dass es sich bei diesem Objekt um ein ungeheuer großes Schwarzes Loch handelt, aber Sgr A* blieb ein wenig geheimnisumwittert.

Bis 2008, als die Astronomen Reinhard Genzel und Andrea Ghez feststellten, dass es sich bei Sgr A* um ein supermassereiches Schwarzes Loch mit einer Masse handelt, die 4,3 Millionen Mal so groß ist wie die der Sonne. Die Entdeckung wurde genialerweise nicht durch direkte Beobachtung von Sgr A* gemacht (das kommt noch, keine Sorge), sondern durch die Messung der Geschwindigkeit von sich schnell bewegenden Sternen, der so genannten „S-Gruppe“, die um das Loch herumschwirren.

Das Chandra-Röntgenobservatorium der NASA nimmt das Zentrum der Milchstraße und Sgr A* auf. (Bildnachweis: Röntgen – NASA/UMass/D.Wang et al., IR – NASA/STScI)

Genzel und Ghez konnten die Masse und Größe dieser Region mit großer Genauigkeit messen, indem sie diese Sterne über zwei Jahrzehnte hinweg verfolgten und die Signale dieser Sterne beobachteten, während sie sich dieser dunklen Masse näherten und von ihr wegsprangen“, sagte Issaoun. „Die naheliegendste Erklärung ist, dass es sich bei diesem speziellen Objekt um ein Schwarzes Loch handeln muss.“

Seitdem haben Astronomen auch den Durchmesser von Sgr A* auf etwa 23,5 Millionen Kilometer (14,6 Millionen Meilen) berechnet, was im Vergleich zur Milchstraße selbst, die 100.000 Lichtjahre breit und 1.000 Lichtjahre dick ist, extrem klein ist.

Diese Entdeckung zeigte, dass die Milchstraße, wie andere Galaxien auch, um ein schwarzes Loch mit einer fast unbegreiflichen Masse kreist, was unser Verständnis der Morphologie unserer Galaxie und unseres Platzes im Kosmos im weiteren Sinne festigte.

Bildgebung von Sagittarius A*

Nach der bahnbrechenden Entdeckung des supermassereichen Schwarzen Lochs im Herzen von M87 warteten die Weltraumfans schon ungeduldig auf ein Bild des Schwarzen Lochs im Herzen der Milchstraße, Sagittarius A* (Sgr A*).

Am 12. Mai 2022 gelang es der EHT-Kollaboration, das erste Bild von Sgr A* zu enthüllen, das mit Daten aus dem Jahr 2017 erstellt wurde. Obwohl Sgr A* viel näher an der Erde liegt, war es schwieriger, es abzubilden, da das Material, das es umgibt, ebenfalls mit annähernder Lichtgeschwindigkeit umherfliegt, aber Sgr A* ist viel kleiner als M87*, so dass volle Umläufe fast schneller vollzogen wurden, als das Auge des EHT sehen konnte.

Ein Bild des supermassiven schwarzen Lochs im Zentrum der Milchstraße, ein Ungetüm mit dem Namen Sagittarius A*, das vom Event Horizon Telescope am 12. Mai 2022 enthüllt wurde. (Bildnachweis: Event Horizon Telescope collaboration)

Eines der verblüffendsten Dinge an den Bildern von M87* und Sgr A* war, dass beide schwarzen Löcher so ähnlich aussehen, obwohl das erste die milliardenfache Masse der Sonne hat und das zweite nur die Masse von Millionen von Sonnen.

„Das Interessante an diesen beiden Schwarzen Löchern ist, dass sie, obwohl sie beide supermassereiche Schwarze Löcher sind, auch recht unterschiedlich sind“, so Issaoun. „M87* lebt in der Galaxie M87, die eine riesige elliptische Galaxie ist. Sie ist ziemlich alt. Sie hat schon viele Verschmelzungen hinter sich und ist sehr groß. Sgr A* hingegen lebt in unserer Milchstraße, die unter den Galaxien sehr verbreitet und, galaktisch gesehen, sehr klein ist. Es ist eine Spiralgalaxie, die noch nicht so alt ist.“

Das am schnellsten wachsende schwarze Loch, das je entdeckt wurde

Wir haben bereits über supermassive Schwarze Löcher mit sehr unterschiedlichen Ernährungsgewohnheiten gesprochen: das rachsüchtig fressende M87* und das weniger gierige Sgr A*, das so wenig Materie verzehrt, als würde ein Mensch alle Millionen Jahre ein Reiskorn essen. Aber ein supermassives Schwarzes Loch, das 2024 entdeckt wird, ist im wahrsten Sinne des Wortes die Krönung.

J0529-4351 ist ein Quasar, der von einem supermassereichen schwarzen Loch angetrieben wird, das so weit von der Erde entfernt ist, dass sein Licht etwa 12 Milliarden Jahre braucht, um uns zu erreichen. Mit einer Helligkeit, die 500 Billionen Sonnen entspricht, ist dies der hellste Quasar, der bisher beobachtet wurde.

J0529-4351 entstand, als das Universum weniger als 2 Milliarden Jahre alt war, und hat eine Masse von 17 bis 19 Milliarden Sonnen. Er verschlingt jeden Tag mindestens eine Sonnenmasse an Gas und Staub. Während viele Rekorde auf dieser Liste nur existieren, um gebrochen zu werden, ist es schwer vorstellbar, dass ein Schwarzes Loch monströs genug ist, um J0529-4351 zu verdrängen.

Gravitationswellen bei der Verschmelzung von Schwarzen Löchern entdeckt

John Regan, ein Royal Society University Research Fellow an der Maynooth University, der sich auf die Wissenschaft von Schwarzen Löchern spezialisiert hat, sagte gegenüber kosmischeweiten.de, dass eine der revolutionärsten Entdeckungen von Schwarzen Löchern im letzten Vierteljahrhundert die Entdeckung von Gravitationswellen bei der Verschmelzung Schwarzer Löcher war.

Gravitationswellen sind winzige Wellen in der Raumzeit, die durch die Beschleunigung von Objekten entstehen; sie wurden erstmals in Albert Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie von 1915 erwähnt. Wenn sich binäre Schwarze Löcher in einer Spirale umeinander drehen, bringen sie das Raumgefüge mit Gravitationswellen zum Klingen. Wenn sie schließlich miteinander kollidieren, erzeugen sie ein hochfrequentes Kreischen von Gravitationswellen und dann einen letzten Gravitationswellen-„Ringdown“, der nur den Bruchteil einer Sekunde dauert.

Einstein glaubte jedoch, dass selbst die intensivsten Gravitationswellen zu schwach wären und in einer zu großen Entfernung ausgesendet würden, um jemals auf der Erde entdeckt zu werden. Doch am 14. September 2015 entdeckte das Laser-Interferometer-Gravitationswellen-Observatorium (LIGO) das Gravitationswellensignal GW150914, das von der Verschmelzung schwarzer Löcher mit stellarer Masse in etwa einer Milliarde Lichtjahren Entfernung stammt. Die Entdeckung bewies, dass Einsteins Befürchtungen unnötig waren, während das Signal gleichzeitig die Richtigkeit seiner Allgemeinen Relativitätstheorie bestätigte.

Eine künstlerische Illustration von zwei schwarzen Löchern, die sich spiralförmig zusammenschließen und dabei Gravitationswellen erzeugen. (Bildnachweis: NASA)

„Die Geschichte, die dahinter steckt, ist einfach unglaublich. Mit dem Bau von LIGO wurde in den 90er Jahren begonnen, als ich promovierte, und ich erinnere mich, dass die Leute die Idee, an Gravitationswellen zu arbeiten, für sinnlos hielten. Dann kam 2015 der Durchbruch, und das Feld öffnete sich völlig“, so Reagan. „Wenn man jetzt nicht mit Gravitationswellen arbeitet, halten einen die Leute für verrückt. Das hat das Feld völlig verändert. Die schiere Entschlossenheit, mit der sie vorgegangen sind, und die Strenge, mit der sie ihre Entdeckungen gemacht haben, sind unglaublich.“

Seit 2015 haben LIGO und die mit ihm zusammenarbeitenden Instrumente Virgo in Italien und KAGRA in Japan eine Vielzahl von Gravitationswellensignalen von kollidierenden Schwarzen Lochpaaren, verschmelzenden Neutronensternen und sogar gemischten Verschmelzungen zwischen Schwarzen Löchern und Neutronensternen entdeckt.

„Die Entdeckung des Ring-Down-Signals, das von der Theorie der Verschmelzung zweier ziemlich massereicher schwarzer Löcher vorhergesagt wurde, war eine ziemlich unglaubliche Leistung“, stimmte Issaoun zu.

Schwarze Löcher mittlerer Masse zeigen sich endlich

Die bisher besprochenen Entdeckungen konzentrierten sich auf supermassive Schwarze Löcher oder Schwarze Löcher, die im Herzen von Galaxien sitzen und die Entwicklung der Reiche beeinflussen. Diese kosmischen Titanen entstehen aus einer Verschmelzungskette von immer größeren Schwarzen Löchern. Das bedeutet, dass sie am Ende eine unvorstellbar große Masse haben.

Es gibt aber auch kleinere Schwarze Löcher (relativ gesehen, versteht sich). Schwarze Löcher mit stellarer Masse entstehen, wenn massereichen Sternen, die etwa achtmal so viel Masse wie die Sonne oder mehr haben, der Treibstoff für die Kernfusion in ihren Kernen ausgeht und sie kollabieren, wodurch eine Supernova ausgelöst wird. Nach Angaben der NASA beginnen die Massen dieser schwarzen Löcher bei etwa fünf Sonnenmassen und reichen bis zu etwa 100 Sonnenmassen.

Das bedeutet, dass es eine große Masselücke zwischen stellaren Schwarzen Löchern und supermassereichen Schwarzen Löchern gibt. In dieser Lücke sollte man aber Schwarze Löcher mittlerer Masse vermuten. Über diese mittelgroßen Schwarzen Löcher, die eine Masse von etwa 100 Sonnenmassen bis zu Hunderttausenden von Sonnenmassen haben sollten, ist jedoch viel weniger bekannt. Sie sind einfach schwer fassbar geblieben.

Eine Illustration, die die drei Arten astrophysikalischer Schwarzer Löcher zeigt, von den massereichsten auf der linken Seite bis zu den am wenigsten massereichen auf der rechten Seite (Bildnachweis: Robert Lea (erstellt mit Canva))

In den letzten 25 Jahren wurden mehrere potenzielle mittelgroße schwarze Löcher entdeckt, darunter GCIRS 13E im Jahr 2004. Es wurde vermutet, dass es sich dabei um das erste schwarze Loch mittlerer Masse handelt, das in der Milchstraßengalaxie gefunden wurde und Sgr A* in einer Entfernung von etwa drei Lichtjahren umkreist. Wie viele andere potenzielle Sichtungen von Schwarzen Löchern mittlerer Masse ist auch diese Entdeckung umstritten.

Der fundierteste Beweis für die Existenz von Schwarzen Löchern mittlerer Masse wurde 2020 erbracht, als LIGO sein bisher größtes Gravitationssignal entdeckte. Bei der Quelle des Signals mit der Bezeichnung GW190521 handelte es sich um eine Verschmelzung zweier schwarzer Löcher mit stellarer Masse, aus der ein schwarzes Loch mit einer Masse von 142 Sonnenmassen hervorging, das etwa 7 Milliarden Lichtjahre entfernt ist.

Das James Webb Weltraumteleskop findet uralte schwarze Löcher

Die Methode, mit der supermassereiche Schwarze Löcher zu kosmischen Titanen heranwachsen, wurde bereits erörtert, aber es herrscht ein wenig Verwirrung über diesen Prozess. Sowohl die Verschmelzung kleinerer schwarzer Löcher als auch die Verschmelzung von schwarzen Löchern, die sich von der sie umgebenden Materie ernähren, um zu größeren schwarzen Löchern zu werden, dürfte Milliarden von Jahren dauern.

Das ist nicht allzu problematisch, wenn wir supermassereiche Schwarze Löcher im nahen und „jungen“ Universum sehen, aber die Erklärung großer Schwarzer Löcher wird schwierig, wenn wir Schwarze Löcher mit Millionen oder Milliarden von Sonnenmassen sehen, die bereits existierten, bevor das Universum 1 Milliarde Jahre alt war. Obwohl Astronomen dies schon seit einiger Zeit beobachten, hat das James Webb Space Telescope (JWST), das am ersten Weihnachtstag 2021 in Betrieb genommen wird, dieses Rätsel zu einem Problem gemacht, das wirklich angegangen werden muss.

Ein Zeitstrahl des Universums. Die Entdeckung supermassereicher schwarzer Löcher Milliarden Jahre nach dem Urknall wird erwartet, aber die Entdeckung zum Zeitpunkt der Entstehung der ersten Sterne ist eher überraschend. (Bildnachweis: ESA)

Wenn Wissenschaftler besorgt waren, als andere Teleskope Ergebnisse von supermassiven schwarzen Löchern lieferten, die 800 Millionen Jahre nach dem Urknall existierten, dann wurden sie sehr besorgt, als das JWST solche ultramassiven schwarzen Löcher bereits fand, als das Universum erst 500 Millionen bis 600 Millionen Jahre alt war.

„Das JWST ist erst vor zwei Jahren gestartet, und was es in dieser Zeit geleistet hat, ist ganz außergewöhnlich. Es sieht, was wir für supermassive Schwarze Löcher halten, und das zu einem sehr, sehr frühen Zeitpunkt“, sagte Reagan. „Die Beobachtungen, die es macht, sind sowohl elektrisierend als auch verwirrend. Es stellen sich Fragen zu Schwarzen Löchern, weil wir in Regionen des Universums vordringen, die wir bisher nicht erforscht haben.“

Während Reagan glaubt, dass diese Verwirrung in den nächsten zwei Jahren anhalten könnte, vermutet er, dass das Rätsel des Wachstums supermassiver schwarzer Löcher im frühen Universum gelöst sein wird, bevor das JWST seine 10-jährige Hauptmission beendet.

Dies könnte das Ergebnis der Bestätigung schwerer schwarzer Lochkeime im jungen Universum sein, die den supermassiven schwarzen Löchern einen „Vorsprung“ in ihrem Wachstumsprozess verschafften. Oder das JWST könnte dazu beitragen, etwas über die Umgebung zu erfahren, in der sich diese schnell wachsenden Schwarzen Löcher befinden und die ihr schnelles Wachstum begünstigt.

„Ich vermute, dass sich die Dinge allmählich ausgleichen werden und wir bessere Statistiken erhalten werden“, sagte Reagan. „Es ist kein Problem, es ist eine Herausforderung. Dies ist eine sehr interessante und aufregende Zeit in der Physik der Schwarzen Löcher.“

Das ist sie in der Tat, und kosmischeweiten.de freut sich, nach 25 Jahren hier zu sein und zu entdecken, was das nächste Vierteljahrhundert für unser Verständnis von Schwarzen Löchern und all den Geheimnissen, die sie in sich selbst verbergen, bereithält.