Die Königlich Schwedische Akademie der Wissenschaften würdigte diese Entdeckung am 15. Mai mit der Verleihung des Crafoord Preises in Astronomie 2012 an Reinhard Genzel, Professor am Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik in Garching und Andrea Ghez, Professorin für Physik und Astronomie an der University of California in Los Angeles, USA.
Die beiden Wissenschaftler wurden „für ihre Beobachtungen der Sterne, die das galaktische Zentrum umkreisen und damit auf ein extrem massereiches Schwarzes Loch hinweisen“ gewürdigt.

Da Schwarze Löcher auch keine elektromagnetische Strahlung mehr entkommen lassen, kann ein Schwarzes Loch nicht direkt beobachtet werden. Man kann nur indirekt
auf die Existenz eines Schwarzen Lochs schließen, indem man die Auswirkungen seiner starken Anziehungskraft auf seine direkte Umgebung untersucht.
Reinhard Genzel und Andrea Ghez und ihre Kollegen verfolgten über viele Jahre hinweg die Bahnbewegungen einzelner Sterne in unserem galaktischen Zentrum.
Daraus schlussfolgerten sie, dass im galaktischen Zentrum eine extrem kompakte Punktmasse existiert, die sich nicht bewegt und deren Position mit der Radioquelle Sagittarius A* übereinstimmt. Unter der Annahme der Allgemeinen Relativitätstheorie folgerten sie, dass es sich dabei um ein sehr massereiches Schwarzes Loch handeln müsse, dessen Masse sie auf rund 4.3 Millionen Sonnenmassen abschätzten.

Fütterung des zentralen Schwarzen Lochs

Die langjährigen Beobachtungen von Reinhard Genzel und seines Teams mit Hilfe des Very Large Telescope der europäischen Südsternwarte ESO hatten außerdem Ende letzten Jahres zu einer besonderen Entdeckung geführt.: Die Wissenschaftler hatten eine Gaswolke mit der rund dreifachen Masse der Erde entdeckt, die in den nächsten Jahren in das supermassive Schwarze Loch im Zentrum unserer Galaxie stürzen und von ihm unwiederbringlich aufgesogen wird.
Dies ist das erste Mal, dass man ein Objekt verfolgen kann, das bald dem Schwarzen Loch zum Opfer fallen wird. Die Gaswolke bewegt sich immer schneller in Richtung der Radioquelle Sagittarius A* und wird dabei durch die extreme Gravitationskraft des Schwarzen Lochs in die Länge gezogen, was man bereits beobachten kann.

[Blogbeitrag von A. Ewers]

Werner Heisenberg und
Niels Bohr

Damit die Physik als Ganzes logisch konsistent ist, muss eine Theorie her, die die Quantentheorie und die Allgemeine Relativitätstheorie zusammenbringt, und darüber hinaus möglichst noch die verschiedenen Teilchen und Kräfte, die wir kennen, beinhaltet.
Aus diesem Grund sind Physiker auf der ganzen Welt schon seit geraumer Zeit fieberhaft dabei, eine Theorie zu entwickeln, die die Erkenntnisse aus beiden Theorien unter einen Hut zu bringen versucht und beide Theorien zu einer einzigen vereinigt, einer sog. Theorie der Quantengravitation.

Wie kann dies indes bewerkstelligt werden?

Quantentheorie versus Allgemeine Relativitätstheorie

Die beiden Theorien unterscheiden sich nicht nur enorm, sie bilden auch in vielerlei Hinsicht Gegensätze und lassen sich in vielen Gesichtspunkten nicht ohne Weiteres zusammenbringen, beschreiben sie doch ganz unterschiedliche Bereiche der Natur.

Die Quantentheorie sagt die Eigenschaften und das Verhalten von Teilchen auf atomarer und subatomarer Ebene voraus, sowie der Kräfte, die diese zusammenhalten, die elektromagnetische, die starke und die schwache Kraft. Sie beinhaltet jedoch nicht die Gravitationskraft, die in der Welt der Atome, Moleküle und Elementarteilchen keine Rolle spielt.
Im Gegensatz zur Quantentheorie ist die Allgemeine Relativitätstheorie eine klassische (nicht quantenphysikalische) Theorie. Sie ist eine Theorie der Gravitation, eine Theorie des Raums, der Zeit und der Kosmologie. Sie beschreibt die Dynamik der Planeten, Sterne und Galaxien sowie die Evolution des gesamten Universums.

Die Allgemeine Relativitätstheorie besitzt einen kontinuierlichen Charakter. In jedem Raumbereich lassen sich Teilbereiche beliebig kleinen Volumens definieren, und jeder Raumbereich lässt sich beliebig oft weiter unterteilen. Es sind auch beliebig kleine Energien möglich. Ganz anders sieht es in der Quantentheorie aus.
So können Energien im atomaren und subatomaren Bereich nur portionsweise, in diskreten Einheiten der Naturkonstante ħ, vorkommen. Man sagt: sie sind gequantelt.
Während die Allgemeine Relativitätstheorie zumindest im Prinzip vollständig deterministisch ist – Objekte besitzen bestimmte Orte und Geschwindigkeiten -, kann die Quantentheorie prinzipiell nur Wahrscheinlichkeiten vorhersagen.

Niels Bohr und Albert Einstein

In der Allgemeinen Relativitätstheorie erhält die Gravitation außerdem eine neue Interpretation. Sie wird nicht mehr als Kraft im herkömmlichen Sinne gemäß Newton verstanden, sondern sie ist als ein Ausdruck der Struktur der Raumzeit – in Einsteins Relativitätstheorie sind Raum und Zeit zu einer Einheit, der vierdimensionalen Raumzeit, verschmolzen – zu verstehen, als eine geometrische Eigenschaft der Raumzeit, eine Krümmung der Raumzeit.
In der Allgemeinen Relativitätstheorie ist jeder Körper eine Quelle von Raumzeitkrümmung. Große Massen oder Konzentrationen von Masse oder Energie, die Quellen der Gravitation darstellen, krümmen die Raumzeit.

Einer der wichtigsten Aspekte der Allgemeinen Relativitätstheorie ist gerade, dass die Geometrie des Raums oder der Raumzeit nicht fest ist, sondern sich dynamisch entwickelt und sich durch die Bewegung der Materie mit der Zeit verändert. Bis zu Einstein schienen die Gesetze der Euklidischen Geometrie unabänderlich zu sein.
Es schien unmöglich, dass etwa die Winkel eines Dreiecks sich nicht zu 180 Grad aufaddieren. Doch in der Allgemeinen Relativitätstheorie können die Winkel eines Dreiecks plötzlich alle möglichen Summen ergeben, da die Geometrie des Raums sich krümmen kann.

Schwarzes Loch im Zentrum
der Milchstraße

Doch wer versteht wirklich, was es mit diesen bizarren Objekten auf sich hat? Dies hängt wohl auch damit zusammen, dass der Name bereits missverständlich, wenn nicht gar irreführend ist. Bei einem schwarzen Loch handelt es sich nicht um ein Loch im eigentlichen Sinne. Ein solches Objekt ist auch nicht wirklich schwarz. Ein Schwarzes Loch zeichnet sich vielmehr dadurch aus, dass es vor allem eine substanzielle Eigenschaft besitzt, nämlich Masse, und diese ist auf einen unendlich kleinen und dichten Punkt, die Singularität, konzentriert. An der Singularität wird auch die Gravitationskraft unendlich gross. Die Anziehungskraft eines solchen Objekts ist so groß, dass alles, was in seine unmittelbare Nähe innerhalb eines bestimmten Bereichs, des sog. Ereignishorizonts, gerät, derart stark angezogen wird, dass es unwiederbringlich vom Schwarzen Loch verschlungen wird. Da auch Licht, welches diese Grenze überschreitet, nicht mehr entweichen und zum Beobachter gelangen kann, würde uns das Objekt schwarz erscheinen, wenn wir es denn beobachten könnten. Eigentlich können wir es aber überhaupt nicht sehen. Alles, was innerhalb des Horizonts eines Schwarzen Lochs liegt – also auch die Singularität -, wird für uns Menschen für alle Zeiten verborgen bleiben, so stark wir uns auch anstrengen mögen, das Objekt theoretisch zu verstehen. Und trotzdem oder gerade weil sie so geheimnisvoll sind, stellen Schwarze Löcher eine der ultimativen Herausforderungen der modernen Physik dar.

Gekrümmte Raumzeit
um ein Schwarzes Loch

So wie die meisten Physiker und Astronomen glauben, führt der Kollaps eines genügend massereichen Sterns am Ende seines Lebens, wenn all sein nukleares Brennmaterial aufgebraucht ist und kein Gegendruck mehr zur den Stern zusammenziehenden Gravitationskraft besteht, zu der Entstehung eines Schwarzen Lochs. Nach dieser Vorstellung kollabiert der Stern solange, bis alle Masse innerhalb eines unendlich kleinen und somit unendlich dichten Punkts komprimiert ist. Ähnlich wie zum Zeitpunkt des Urknalls das gesamte Universum in einem unendlich kleinen und dichten Punkt konzentriert sein soll, so kann man sich vorstellen, dass auch die gesamte Masse des Schwarzen Lochs in einem unendlich kleinen Punkt konzentriert ist. In dieser Singularität, die ein mathematisches Phänomen darstellt, steckt die gesamte Masse eines Schwarzen Lochs. Und diese stellt auch die Quelle der Gravitation eines Schwarzen Lochs dar.

Struktur eines Schwarzen Lochs

Die Grenze des Schwarzen Lochs zum restlichen Weltall stellt der Ereignishorizont dar, der die Singularität und damit das Innere des Schwarzen Lochs vor der Außenwelt verbirgt, aber nicht als Oberfläche desselben verstanden werden darf, die es nicht hat. Alles, was von außen diesen Horizont überschreitet, selbst Licht, kann das Schwarze Loch nie mehr verlassen. Dieser Ereignishorizont definiert sich über den sog. Schwarzschild-Radius benannt nach dem Astrophysiker Karl Schwarzschild, der ihre Existenz vorhersagte. Dieser Radius ist proportional zur Masse des Schwarzen Lochs. Je größer also die Masse, desto größer ist auch die Ausdehnung des Objekts. Würde man etwa die Sonne zu einem Schwarzen Loch umfunktionieren wollen mit der Masse der Sonne von 2 mal 10³⁰ kg, so müsste man diese soweit komprimieren, dass von dem ursprünglichen Radius der Sonne von 700.000 km nicht mehr viel übrig bliebe. Man erhielte ein Schwarzes Loch mit einem Radius von nur 3 km. Unsere Erde wäre dagegen vergleichsweise noch winziger. Ihr Radius würde gerade einmal 1 cm betragen.

Der Large Hadron Collider (LHC) am CERN

Allerdings – und das befürchten Kritiker dieses Experiments – könnte dieses Ereignis nicht nur für die Welt der Forschung von größter Bedeutung sein, sondern wäre für alles Leben auf diesem Planeten, ja sogar für den Planeten selbst, sprichwörtlich von endgültiger Bedeutung. Und die schlimmsten Visionen dieser auch fachkundigen Kritiker aus dem Bereich der Naturwissenschaften und insbesondere der Physik beschreiben nichts Geringeres als den Untergang der Welt etwa durch die künstliche Erzeugung eines Schwarzen Lochs, eines apokalyptischen Phänomens, welches den gesamten Planeten innerhalb von Minuten regelrecht verschlingen würde. So mancher möchte sich bei derlei Diskussionen ans tiefste Mittelalter erinnert fühlen, wo jeder, der einen wissenschaftlichen, nicht indoktrinations- konformen Fortschritt wagte, sogleich mit einer von Gott gewollten apokalyptischen Bestrafung rechnen musste und darüber hinaus ohnehin in der Hölle zu schmoren hatte.

Mittelalterlicher Holzschnitt
zur Darstellung des Fegefeuers

Dieser Vergleich hinkt natürlich, denn zum einen wird der ge- plante Ausgang der LHC-Experimente unser Weltbild weder revolutionieren, wie dies etwa bei Kopernikus im 16. Jahrhun- dert der Fall war, noch sind die LHC-Experimente – ebenso wie die Einwände der Kritiker – eigentlich nichts Neues.
Das gleiche experimentelle Prinzip, nämlich das Aufeinander- schießen von Hadronen, oder um eine besonders wichtige Sorte, die Protonen, zu nennen, wird schon seit 1971 – übrigens erstmals am CERN – durchgeführt.
Nachdem im Jahr 2000 mit dem RHIC am Brookhaven National Laboratory erstmals ein solches Experiment Kollisionsenergien verwendete, bei welchen die Erzeugung eines Schwarzen Lochs zumindest theoretisch möglich gewesen wäre, entbrannte erstmals eine leidenschaftliche Diskussion um derlei Weltuntergangsszenarien.

Kollisions-Event im ATLAS-Detektor

Offenbar ist der Planet seither aber nicht – jedenfalls so, dass wir es bemerkt hätten – in einem Schwarzen Loch verschwunden, und offenbar hat es die Forscher am CERN ebenso wenig davon abgehalten, die Kollisionsenergie nun auf über 14 TeV hochzuschrauben und so vielleicht ein noch gefährlicheres Experiment zu starten.
Die Energie von 14 TeV entspricht etwa der kinetischen Energie einer 1 mg schweren Fliege, die mit 1 m/s unterwegs ist. Allerdings käme wohl niemand auf den Gedanken, dass beim Zusammenstoß dieser Fliege mit einer Wand eventuell dieser Planet vernichtet werden könnte.
Tatsächlich ist bei einem solchen Experiment nicht die Gesamtenergie, sondern die Energiedichte, also wie viel Energie pro Volumeneinheit konzentriert ist, entscheidend.