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Eine Illustration zeigt zwei Schwarze Löcher hinter dem Ereignishorizont eines Tochter-Schwarzen Lochs (Bildnachweis: Rob Lea)

Schwarze Löcher sind monströse und monolithische Regionen von Raum und Zeit, die die Phantasie der Menschheit beflügelt haben. Einige entstehen durch den Tod und den Kollaps eines massereichen Sterns – doch kein einzelner Stern kann die gewaltigsten Schwarzen Löcher hervorbringen. Das sind die supermassiven schwarzen Löcher, die in den Herzen von Galaxien lauern und eine Masse haben, die Millionen oder sogar Milliarden von Sonnen entspricht.

Es wird angenommen, dass riesige Schwarze Löcher wie diese entstanden sind, als zwei kleinere Schwarze Löcher einst kollidierten und verschmolzen. Und nun fragen sich die Wissenschaftler, ob wir etwas über den Stammbaum eines Schwarzen Lochs erfahren können, indem wir uns durch die Generationen zurückarbeiten.

Wenn es ein kosmologisches Objekt oder Ereignis gibt, das geheimnisvoll sein soll, dann ist es das Schwarze Loch. Diese Region des Raums ist durch eine Grenze gekennzeichnet, die als Ereignishorizont bezeichnet wird, die Barriere zwischen unserem Universum und dem, was in der Leere selbst liegt. Daher ist es unmöglich, ein Signal und damit Informationen von jenseits dieser Barriere zu erhalten.

Der theoretische Physiker John Wheeler hat dies einmal mit den Worten beschrieben: „Schwarze Löcher haben keine Haare.“ Das heißt, anders als wenn man die Haarfarbe oder den Teint eines Kindes betrachtet und eine grobe Vermutung über die Haarfarbe und Vollendung der Eltern anstellt, scheinen „haarlose“ supermassive schwarze Löcher keine Hinweise auf ihre Abstammung zu geben – oder doch?

Nicht alle Schwarzen Löcher entstehen auf die gleiche Weise

Imre Bartos ist Physiker an der Universität von Florida und stellt die Theorie auf, dass die begrenzten Eigenschaften supermassereicher Schwarzer Löcher – Masse, Spin und elektrische Ladung – Details des ursprünglichen Fließbandes verbergen könnten, auf dem die Schwarzen Löcher entstanden sind.

Das Standardbild der Entstehung schwarzer Löcher, das den Tod und den Kollaps massereicher Sterne beinhaltet, kann seiner Meinung nach die Entstehung der riesigen schwarzen Löcher, die wir heute sehen, nicht erklären. Dazu gehören sowohl supermassereiche Schwarze Löcher als auch relativ kleine Schwarze Löcher mittlerer Masse mit einer Masse, die etwa 100 bis 100.000 Mal so groß ist wie die der Sonne.

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„Sterne haben eine Art Grenze, wie groß sie werden können, ohne von selbst auseinanderzufallen. Wenn ein Stern sehr, sehr groß wird, dann wird er explodieren, bevor er Zeit hat, diesen dichten Kern zu bilden, der den Keim für das Schwarze Loch bilden kann“, so Bartos gegenüber kosmischeweiten.de. „Wir erwarten eine natürliche Grenze dafür, wie schwer Schwarze Löcher sein können, wenn sie durch den Tod von Sternen entstehen. Diese Masse ist etwa das 50-fache der Masse unserer Sonne. Es ist also eine ziemlich große Masse, aber bei weitem nicht so groß wie eine Masse, die wir für supermassive oder intermediäre Schwarze Löcher sehen.“

Das bedeutet, dass es einen anderen Prozess geben muss, der die monströsesten Schwarzen Löcher hervorbringt, und Beobachtungen von winzigen Wellen in der Raumzeit, die Gravitationswellen genannt werden, legen nahe, dass es sich bei einem solchen Prozess um nachfolgende Kollisionen und Verschmelzungen von immer größeren Generationen Schwarzer Löcher handeln könnte.

„Wie können wir Detektivarbeit leisten, um in die Vergangenheit zurückzugehen und herauszufinden, was in der Umgebung verschmelzender schwarzer Löcher tatsächlich vor sich ging? Können wir etwas über die Vorfahren der Schwarzen Löcher sagen?“ fragte sich Bartos.

Wenn zwei supermassereiche Schwarze Löcher umeinander kreisen und verschmelzen, erzeugen sie Gravitationswellen. Bei ausreichender Energie können sie sich selbst von ihrem Startplatz oder sogar vollständig aus ihrer Heimatgalaxie „herausschleudern“. (Bildnachweis: NASA)

Bartos ist der Meinung, dass das Verständnis der Ursachen für das Zusammenziehen und Verschmelzen von Schwarzen Löchern der Schlüssel zum Verständnis der Entwicklung des Universums ist – und sogar dazu beitragen könnte, den Gesetzen der fundamentalen Physik auf den Grund zu gehen.

„Wir wollen lernen, und bis jetzt haben wir noch nicht ganz verstanden, was im Universum die schwarzen Löcher dazu bringt, sich zusammenzuziehen und zu verschmelzen“, sagte Bartos. „Das kann nicht einfach ein zufälliger Prozess sein. Es muss einen Mechanismus geben, der die schwarzen Löcher zusammenbringt und sie verschmelzen lässt. Und genau das versuchen wir anhand der begrenzten Eigenschaften, die uns zur Verfügung stehen, zu verstehen.“

Er fügte hinzu, dass die Forscher durch die Untersuchung der Masse eines supermassiven schwarzen Lochs und der Gravitationswellen der Verschmelzung, durch die es entstanden ist, die Massen der schwarzen Löcher abschätzen könnten, die sich zusammengefunden haben müssen, um es überhaupt erst zu erzeugen. Darüber hinaus gehen Bartos und seine Kollegen davon aus, dass die Beobachtung der Rotationsgeschwindigkeit des schwarzen Lochs auch Aufschluss darüber geben kann, wie schnell sich die schwarzen Löcher, aus denen es entstanden ist, gedreht haben.

Die Untersuchung elektromagnetischer Signale aus der Region, in der diese Verschmelzungen stattfanden, könnte laut Bartos auch zeigen, wie sie mit ihrer Umgebung interagiert haben. Haben sich die schwarzen Löcher beispielsweise von Gas und Staub aus ihrer Umgebung ernährt, um ihr eigenes Wachstum zu fördern?

Schwarze Löcher haben auch Großeltern

Bartos fügte hinzu, dass Schwarze Löcher mit einer Masse von mehr als dem 50-fachen der Sonnenmasse in Regionen mit vielen anderen Schwarzen Löchern zu finden sein könnten. Das bedeutet, dass die Verschmelzung von Schwarzen Löchern wahrscheinlich kein einmaliges Ereignis ist, so wie wir Eltern, Großeltern und Urgroßeltern haben, und dass die massereichsten Schwarzen Löcher aus mehreren Generationen von Verschmelzungen stammen.

Diese Generationensituation würde nicht nur zu einer Ansammlung von Masse führen, sondern die nachfolgenden Tochter-Schwarzlöcher würden auch Drehimpulse von ihren Vorfahren übernehmen. Bartos sagte, dass dies bedeutet, dass schwarze Löcher, die immer größer werden, sich auch immer schneller drehen sollten.

„Wenn wir einen höheren Spin feststellen, kann das ein Hinweis darauf sein, dass es vorhergehende Verschmelzungen gegeben haben könnte“, so Bartos. „Es stellt sich heraus, dass es bei einigen der schwereren Schwarzen Löcher, die wir bisher gesehen haben, einen Hinweis auf den hohen Spin gibt, den wir von diesen aufeinanderfolgenden Verschmelzungen erwarten würden.“

Während Bartos die Idee, dass Schwarze Löcher „Großeltern“ haben, faszinierend findet und glaubt, dass wir einige Details der Eltern von Schwarzen Löchern durch Gravitationswellenbeobachtungen enthüllen können, könnte die Geschichte der Großeltern von Schwarzen Löchern für die Zeit verloren sein.

„Es gibt keine Möglichkeit, die früheren Verschmelzungen direkt durch die Beobachtung von Gravitationswellen nachzuweisen. Wir müssten Detektoren über Millionen von Jahren betreiben, was unwahrscheinlich ist“, sagte er.

Das supermassereiche Schwarze Loch im Herzen der Milchstraße Sgr A* zum ersten Mal in polarisiertem Licht gesehen. Hatte es Großeltern? (Bildnachweis: EHT Kollaboration)

Die Kette von Verschmelzungen, die ein supermassives Schwarzes Loch hervorbringen würde, dauert vermutlich mindestens 1 Milliarde Jahre, aber diese kosmischen Titanen wurden im Universum bereits einige hundert Millionen Jahre nach dem Urknall beobachtet. Diese Beobachtungen sind dem James Webb Space Telescope (JWST) zu verdanken. Das stellt eine Herausforderung dar. Die Wissenschaftler müssen noch vollständig erklären, wie diese kosmischen Titanen so schnell so groß geworden sind. Vielleicht liegen die Hinweise jedoch in dem Mechanismus der Vorfahren selbst.

„Wenn wir die Prozesse sehen, die diese schwarzen Löcher verschmelzen, können wir erkennen, was die Ausgangspunkte für supermassive schwarze Löcher in galaktischen Zentren sind“, sagte Bartos. „Wir können sehen, wie schnell der Prozess abläuft, wie verbreitet er ist, und das kann uns helfen zu verstehen, wie groß die Rolle ist, die dies bei der Bildung der schwereren Schwarzen Löcher spielt.“

Bartos geht davon aus, dass die Menschheit, wenn die Gravitationswellendetektoren empfindlicher werden, diese Wellen in Raum und Zeit von weiter entfernten und damit früheren Verschmelzungen von Schwarzen Löchern entdecken wird. Das bedeutet, dass wir immer mehr darüber erfahren werden, wie das Wachstum schwarzer Löcher im Laufe der 13,8 Milliarden Jahre langen Geschichte des Kosmos verlaufen ist.

„Ich bin sehr begeistert davon, Dinge zum ersten Mal zu sehen und Dinge zu entdecken, die bis an die Grenzen unseres Wissens gehen“, schloss Bartos. „Wenn wir uns die Extreme ansehen, sind die Dinge ganz anders, als wir es gewohnt sind. Und schwarze Löcher sind in vielerlei Hinsicht extrem.“