Eine kurze Geschichte der Schwarzen Löcher, während wir auf die große Enthüllung des Event Horizon Telescope warten

Wissenschaftler enthüllten am 10. April das erste direkte Bild eines supermassereichen Schwarzen Lochs. Das Bild zeigt das Schwarze Loch im Zentrum von Messier 87. (Reuters)

Um genau 13:00 Uhr Weltzeit am Mittwoch – 9 Uhr morgens im Osten der Vereinigten Staaten – werden Wissenschaftler gleichzeitig Pressekonferenzen in Washington, Belgien, Dänemark, Chile, Japan, China und Taiwan abhalten, um die lang erwarteten Ergebnisse des Event Horizon Telescope zu enthüllen . Was jeder erwartet und zu sehen hofft, ist das erste direkte Bild eines Schwarzen Lochs.

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Das Event Horizon Telescope ist ein Netzwerk von 10 Radioteleskopen auf vier Kontinenten, die zusammen wie ein einziges Instrument von fast der Größe der Erde funktionieren. Die Wissenschaftler hinter diesem Mega-Teleskop rühmen sich, dass ihre Fähigkeit, Objekte im Weltraum aufzulösen, vergleichbar ist mit der Fähigkeit, die Grübchen auf einem Golfball in Los Angeles zu zählen, während sie in New York City stehen.

Ein astronomisches Foto eines Schwarzen Lochs wäre ein gewaltiger Durchbruch für die Astrophysik und der Höhepunkt eines Jahrhunderts theoretischer und Beobachtungsarbeit. Noch vor ein oder zwei Generationen waren Wissenschaftler nicht ganz sicher, dass Schwarze Löcher existieren, denn obwohl sie mathematisch plausibel aussahen, waren die Beobachtungsbeweise indirekt.

Video: So sieht die Raumzeitverzerrung in der Nähe von zwei Schwarzen Löchern aus (S. Ossokine/A. Buonanno/T. Dietrich (MPI für Gravitationsphysik)/R. Haas (NCSA)/SXS-Projekt)

Nur wenige Menschen hassten die Idee von Schwarzen Löchern mehr als der Mann, der ihre Existenz begründete: Albert Einstein. Seine berühmte Allgemeine Relativitätstheorie von 1915 beschrieb, wie Materie Raum und Zeit – die Raumzeit – krümmen kann, ähnlich wie eine Bowlingkugel die Oberfläche eines Trampolins eindrückt. Die Schwerkraft ist die Wirkung dieser Krümmung der Geometrie des Kosmos. Physiker sagen es so: „Die Materie sagt, dass sich Raum und Zeit krümmen. Raum und Zeit weisen die Materie an, sich zu bewegen.'



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Nur wenige Monate nach der Veröffentlichung von Einsteins Gleichungen optimierte ein deutscher Wissenschaftler, Karl Schwarzschild, Einsteins Gleichungen und kam zu einer beunruhigenden Schlussfolgerung. Wenn ein Objekt dicht genug wäre, würde es schließlich das Gewebe des Universums durchdringen und eine bodenlose Grube in der Raumzeit erzeugen, die als Singularität bekannt ist.

Diese Singularitäten – in den 1960er Jahren Schwarze Löcher genannt – sind so starke Gravitationsquellen, dass Sie, wenn Sie einmal eintreten, nicht mehr umkehren können. Das Gravitationsfeld eines Schwarzen Lochs ist so stark, dass nicht einmal Licht dem Ereignishorizont, dem Punkt ohne Wiederkehr, entkommen kann.

Einstein fand die Vorstellung einer Singularität so absurd, dass er eine ganze Forschungsarbeit der Entlarvung widmete. Aber im Laufe der Zeit fanden immer mehr Forscher weitere Hinweise darauf, dass Schwarzschilds wilde Idee real sein könnte.

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Der Astrophysiker Subrahmanyan Chandrasekhar, ein Experte für Sternentwicklung, erklärte, dass einige Sterne nach ihrem Tod katastrophal kollabieren würden. Dann zeigten die Physiker J. Robert Oppenheimer und Hartland Snyder, wie dieser Zusammenbruch weitergehen konnte, bis er die Singularität bildete, über die Schwarzschild geschrieben hatte.

Aber Schwarze Löcher mit stellarer Masse, die sich aus kollabierten Sternen bilden, sind nicht die einzigen Schwarzen Löcher im Universum.

In den 1960er und 70er Jahren schlugen Wissenschaftler vor, dass einige mysteriös helle Objekte, die sie Quasare genannt hatten, tatsächlich Wolken aus wirbelndem, überhitztem Material sein könnten, das Schwarze Löcher umgibt, die Hunderttausende Mal massereicher sind als die Sonne. Während diese supermassiven Schwarzen Löcher Gas und Sternenstaub schlürfen, beschleunigt sich die Materie außerhalb des Ereignishorizonts, und ein Teil davon wird in die äußeren Bereiche der Galaxien zurückgeschleudert. Röntgenstrahlen und Radiowellen begleiten diese ultraheißen Gasstrahlen. Paradoxerweise macht all diese Aktivität die Schwarzen Löcher zu den hellsten Dingen im Universum – und verdunkelt die Dunkelheit in ihren Kernen.

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Im Jahr 1974 erfassten Forscher des Green Bank Radio Telescope in West Virginia das starke Radiosignal aus dem Kern der Milchstraße. Dies war der erste Beobachtungsbeweis für die Existenz von Sagittarius A*, dem Schwarzen Loch, um das sich unsere gesamte Galaxie dreht.

Nun glauben Astrophysiker, dass supermassereiche Schwarze Löcher in den Herzen aller großen Galaxien lauern. Eine der großen Unbekannten ist die Henne-Ei-Frage, was zuerst da war – das Schwarze Loch oder die Galaxie?

Falls Sie sich fragen, gehören Schwarze Löcher nicht zu den vielen Dingen, über die sich Menschen Sorgen machen sollten. Sie sind keine abtrünnigen Wesen, die auf der Suche nach schönen Planeten sind. Sie sind keine kosmischen Staubsauger. Trotzdem möchten Sie den Ereignishorizont nicht überschreiten. Das würde schlecht gehen. Wenn Sie mit den Füßen zuerst hinfallen, wäre die Gravitation an Ihren Füßen größer als an Ihrem Kopf und diese Gezeitenkraft würde Sie auseinanderreißen. Sie wären, wie Astrophysiker sagen, spaghettiert.

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Rainer Weiss, emeritierter Physikprofessor am MIT und Nobelpreisträger für den Nachweis von Gravitationswellen, die von Kollisionen schwarzer Löcher ausgehen, erklärt:

„Irgendwann wird es dich nur zerreißen. Irgendwann, wenn Sie tiefer einsteigen, wird es jedes Molekül zerreißen. Irgendwann wird es jeden Kern zerreißen, wenn du weiter hineingehst.“

Irgendwann würdest du die Singularität erreichen. Dort wird nach den physikalischen Gleichungen die Krümmung der Raumzeit unendlich und alle bekannten physikalischen Gesetze verlieren ihre Gültigkeit.

„Zu diesem Zeitpunkt weiß niemand, was er dazu sagen soll“, sagte Weiss.

Um die Singularität zu verstehen, sagte Weiss, „müssen Sie wissen, wie man die Quantentheorie der Gravitation macht“.

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Welches ist?

„Wir haben keine Theorie, die die Quantentheorie der Gravitation ist“, sagte er.

Wissenschaftsautoren beschreiben Schwarze Löcher oft als monströs, aber sie haben nicht wirklich viel Persönlichkeit. Tatsächlich wird alles, was in ein Schwarzes Loch eintaucht, irgendwann aller Identität außer Masse, Ladung und Spin beraubt. Protonen, Neutronen, Elektronen, große Metallatome, alles was hineinkommt, wird undifferenziert, wenn es die „Singularität“ im Zentrum des Schwarzen Lochs erreicht.

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Der Physiker John Wheeler erklärte bekanntlich, dass Schwarze Löcher „keine Haare haben“, was bedeutet, dass es keine Frisur, nichts Persönliches und Auffälliges gibt. Der Physiker Brian Greene in seinem Buch „ Das elegante Universum “ stellt fest, dass diese Eigentümlichkeit von Schwarzen Löchern sie subatomaren Partikeln seltsam ähnlich macht, was zu „der seltsamen Spekulation führt, dass Schwarze Löcher tatsächlich riesige Elementarteilchen sein könnten“.

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Was eine Singularität ist, weiß niemand wirklich. Sie können es wahrscheinlich nicht mit Raumkoordinaten beschreiben, und es gibt keine Zeit in einer Singularität. In gewisser Weise gibt es dort nichts. Und es passiert wirklich nichts.

„Es ist derzeit eines der großen Mysterien der Wissenschaft – was ist ein Schwarzes Loch?“ sagte Chiara Mingarelli, Astrophysikerin am Center for Computational Astrophysics des Flatiron Institute in New York. „Was ist die Singularität? Mathematisch definieren wir es als die unendliche Krümmung der Raumzeit. Aber das kann unmöglich wahr sein.'

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Sie meint, dass die Mathematik möglicherweise nicht der tatsächlichen Realität im Herzen des Schwarzen Lochs entspricht.

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„Mathematisch ist das das Beste, was wir tun können. Und das ist gut und das ist fair. Aber wenn wir tatsächlich beobachten könnten, was sich im Zentrum eines Schwarzen Lochs befindet, eine Singularität, ist das wahrscheinlich eine Sache “, sagte sie.

Das berühmte LIGO-Experiment – ​​das Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory – hat erfolgreich die Signatur in Form von Gravitationswellen der Verschmelzung von Schwarzen Löchern mit Sonnenmasse aufgenommen. Bei der ersten Entdeckung wurden die beiden Schwarzen Löcher auf jeweils etwa 30 Sonnenmassen geschätzt. Bei ihrer Verschmelzung zerstreuten sich etwa drei Sonnenmassen Energie in Form der Gravitationswellen, die LIGO entdeckte, über das Universum.

Das Event Horizon Telescope hat zwei supermassive Schwarze Löcher untersucht: Sag A* und das in M87 (für Messier 87, benannt nach dem Astronomen, der Galaxien am Nachthimmel katalogisierte, bevor jemand genau wusste, was eine Galaxie ist). M87 ist eine wirklich riesige elliptische Galaxie im Sternbild Jungfrau. Während das zentrale Schwarze Loch der Milchstraße eine Masse von 4,3 Millionen Sonnen (oder Sonnenmassen) hat, hat das Schwarze Loch in M87 eher 6 Milliarden Sonnenmassen – Milliarden mit einem b. M87 ist bemerkenswert, weil es einen dramatischen Teilchenstrahl erzeugt, der etwa 5.000 Lichtjahre in den intergalaktischen Raum strömt.

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Die Ankündigung vom Mittwoch könnte also ein Bild des supermassiven Schwarzen Lochs der Milchstraße oder des M87 oder beider enthüllen. Das Schwarze Loch kann sich als Silhouette oder als eine Art Schatten offenbaren.

Astrophysiker erhoffen sich von den Ergebnissen einen Einblick in Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie. Das Bild kann zeigen, wie das Schwarze Loch den Raum um es herum verzerrt, einschließlich des Biegens von Licht hinter dem Schwarzen Loch, sodass wir es von der Erde aus sehen können – ein Gravitationslinseneffekt.

„Es ist, als ob man seinen Hinterkopf sehen kann“, sagt Priyamvada Natarajan, Astrophysikerin an der Yale University.

„Wir haben oft Modelle und Simulationen verwendet und über Schwarze Löcher und insbesondere über den Ereignishorizont theoretisiert. Eine Art Beobachtung dazu zu bekommen, die Silhouette, wäre wirklich, wirklich erstaunlich“, sagte sie. 'Auf diese Weise erhalten wir Legitimation für den Prozess, mit dem wir Dinge in der Wissenschaft herausfinden.'

Mit anderen Worten: Theorien sind großartig, aber Sehen ist Glauben.

Wissenschaftler enthüllten am 10. April das erste direkte Bild eines supermassiven Schwarzen Lochs. Es sah nicht so aus, wie die Schwarzen Löcher, die Hollywood uns gezeigt hat. (Allie Caren/Washington Post)

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