Schwarze Löcher sichtbar gemacht: Von Schwarzschilds Theorie bis zum ersten Bild 2019

Sie sind unsichtbar – und dennoch allgegenwärtig in der modernen Astrophysik: Schwarze Löcher. Seit Anfang des 20. Jahrhunderts erforscht und als real beschrieben, geben sie bis heute viele Rätsel auf. Mit neuen Beobachtungstechniken gelingt es Astronominnen und Astronomen inzwischen, das Unsichtbare indirekt sichtbar zu machen.

Schwarze Löcher entstehen, wenn ein massereicher Stern explodiert und sein Kern zu einem extrem kompakten Punkt kollabiert. Je nach Typ können sie sehr unterschiedliche Massen besitzen – von stellaren Exemplaren bis hin zu Objekten mittlerer Masse und supermassereichen Schwarzen Löchern.

In einigen Fällen wird eine Masse von bis zu 100.000 Sonnen erreicht. Trotz ihrer enormen Schwerkraft sind sie selbst nicht direkt zu fotografieren, weil kein Licht aus ihnen entweichen kann. Erkennbar sind stattdessen die leuchtenden Gas- und Staubscheiben, die sie umgeben, sowie ihr „Schatten“ – ein dunkler Bereich, eingefasst von einem hellen Ring aus heißem, rotierendem Gas.

Auch Licht, das an ihren Rändern erscheint, und die Bahnen nahe vorbeiziehender Sterne verraten ihre Anwesenheit. Die theoretischen Grundlagen legte Albert Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie. Kurz darauf beschrieb der deutsche Physiker Karl Schwarzschild 1916 in einer Abhandlung die Lösung für das Gravitationsfeld eines Punktmassenobjekts in Einsteins Theorie – ein Meilenstein für das Verständnis Schwarzer Löcher.

Breite öffentliche Anerkennung erhielten diese Objekte, nachdem 2019 das erste Bild des Schattens eines Schwarzen Lochs veröffentlicht wurde. Zu den neuesten Nachweismethoden zählt der Gravitationslinseneffekt. Dabei wirken nahe gelegene Galaxien wie eine Lupe und ermöglichen es, auch inaktive Schwarze Löcher aufzuspüren – bildhaft formuliert, ähnlich „wie ein Lichtstrahl, der durch den Boden eines Glases scheint“.

Solche Effekte und präzise Vermessungen helfen, die sonst unsichtbaren Schwerkraftfallen zu identifizieren. Wenn Sterne einem Schwarzen Loch zu nahe kommen, entstehen dramatische Ereignisse: Die gewaltigen Gezeitenkräfte reißen den Stern auseinander, es bilden sich mächtige Gasströme, und die dabei freigesetzte Energie führt zu intensiver Strahlung – einem Ausbruch, der einer Supernova ähnelt.

Dieses Überbleibsel des Zerreißens nennen Astronominnen und Astronomen Gezeitenstörung. Solche Ereignisse liefern eine weitere Möglichkeit, Schwarze Löcher nachzuweisen und ihre Umgebung zu studieren. Trotz aller Fortschritte bleibt vieles unbekannt. Schwarze Löcher verzerren Raum und Zeit in ihrer Umgebung und stellen die Physik an ihre Grenzen.

Mit jeder neuen Beobachtung wächst jedoch das Bild davon, wie diese extremen Objekte entstehen, wirken und welchen Platz sie im Kosmos einnehmen.