Geburt der Schwarzen Löcher aus Einsteins Theorie

Stephen Hawking und der Mathematiker und Physiker Roger Penrose von der Universität Oxford befassten sich intensiv mit Schwarzen Löchern und dem Phänomen der Singularitäten. Penrose mutmaßte, dass die Entstehung einer Singularität beim Kollaps eines Sterns mit ausreichender Masse notwendigerweise zur Bildung eines Ereignishorizonts führe. Hieraus ergab sich auch die Hypothese der sog. kosmischen Zensur („cosmic censorship“), gemäß derer Singularitäten immer von einem Ereignishorizont umhüllt sein müssen, obwohl es heute auch Physiker gibt, die glauben, dass dies keine allgemeine Regel darstellt und auch „nackte“ Singularitäten ohne Ereignishorizont existieren könnten.

Eine neue Theorie muss her!

Jedoch bleibt das Phänomen der Singularität ein großes Rätsel. Innerhalb von Singularitäten verlieren alle physikalischen Gesetze ihre Gültigkeit. Darüber hinaus ist das Auftauchen von Singularitäten bzw. unendlichen Krümmungen sogar ein Anzeichen dafür, dass hier die klassische Allgemeine Relativitätstheorie versagt. Für solche Fälle sind Physiker auf der ganzen Welt seit geraumer Zeit fieberhaft auf der Suche nach einer neuen Theorie, der sog. Quantengravitation, die die beiden fundamentalen physikalischen Theorien, die Allgemeine Relativitätstheorie und die Quantentheorie, vereinigen soll. Die Quantenmechanik könnte so möglicherweise zur Beseitigung der Singularitäten führen, die von der Allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagt wurden. Dies würde dann wohl auch zu einer Neuinterpretation von Schwarzen Löchern und dem Urknall-Phänomen führen.

Nachweis eines Schwarzen Lochs

Wie können wir aber ein Schwarzes Loch nachweisen, wo es doch per definitionem kein Licht emittiert, welches wir beobachten könnten? Der Nachweis für die mögliche Existenz eines Schwarzen Lochs kann nur indirekt erfolgen, etwa dadurch, dass ein Schwarzes Loch eine Gravitationskraft auf benachbarte Objekte ausübt. Und auch wenn uns direkt von einem Schwarzen Loch kein Licht erreicht, so hat Albert Einstein bereits herausgefunden, dass Licht von einem Objekt mit Masse abgelenkt wird. Demnach müsste auch Licht, das von Objekten, die von uns aus hinter dem Schwarzen Loch liegen, auf dem Weg zu uns abgelenkt werden. Die Astronomen haben z. B. Sternsysteme beobachtet, bei denen zwei Sterne umeinander kreisen und sich dabei aufgrund der zwischen ihnen wirkenden Gravitationskraft gegenseitig anziehen. Dabei kommen auch Systeme vor, in denen nur einer der beiden Sterne sichtbar, der zweite dagegen unsichtbar ist. Doch hier kann man natürlich nicht direkt auf ein Schwarzes Loch schließen.

Aber einige dieser Systeme wie z. B. das Röntgendoppelsternsystem Cygnus X-I im Sternbild Schwan sind gleichzeitig starke Quellen von Röntgenstrahlung. Man geht davon aus, dass diese Röntgenstrahlung dadurch entsteht, dass Materie von der Oberfläche des sichtbaren Sterns vom unsichtbaren Partner angezogen wird. Während die Materie auf das unsichtbare Objekt einstürzt, wird die Materie so stark beschleunigt und erhitzt, dass Röntgenstrahlung entsteht. Damit dies funktioniert, muss das unsichtbare Objekt jedoch sehr klein sein wie etwa ein weißer Zwerg, ein Neutronenstern oder ein Schwarzes Loch. Aus der beobachteten Bewegung des sichtbaren Sterns kann man auf die kleinstmögliche Masse des unsichtbaren Partners schließen, die im Fall von Cygnus X-I wesentlich größer als 5 Sonnenmassen sein müsste. Diese Masse ist zu groß für einen weißen Zwerg und auch für einen Neutronenstern. Daher schloss man, dass der unsichtbare Stern ein Schwarzes Loch sein müsse. Wie Stephen Hawking in seinem Buch „The theory of everything: The Origin and Fate of the universe“ („Die Theorie von allem: Der Ursprung und das Schicksal des Universums“) schreibt, schloss er mit Kip Thorne vom Californian Institute of Technology 1975 eine Wette ab, dass Cygnus X-I kein Schwarzes Loch enthält. Damals wären sie beide zu 80 % sicher gewesen, dass das Sternsystem ein Schwarzes Loch enthält. 2005 zum Veröffentlichtungsdatum des Buches waren sie zu 95% sicher. Aber die Wette gilt immer noch!