Schwarze LöcherDas kosmische Monster

Was passiert, wenn ein Astronaut in ein Schwarzes Loch fällt? Über die Frage streiten Physiker heftig. von 

Wer sich in ein Schwarzes Loch begibt, kommt darin um. Die Frage ist nur: Wie? Darüber ist aktuell ein Streit zwischen Physikern entbrannt, der letztlich eine Auseinandersetzung zwischen der Relativitäts- und der Quantentheorie ist – jenen beiden Grundfesten der Physik, die beide für sich hundertfach bestätigt worden sind, die aber für einige exotische Situationen widersprüchliche Vorhersagen machen.

Ein Schwarzes Loch ist zunächst einmal eine direkte Konsequenz aus Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie, nach der jede Masse den Raum krümmt, der sie umgibt. Ist die Masse groß genug, etwa die eines kollabierten Sterns, krümmt sie den Raum so stark, dass Lichtstrahlen auf sie zurückgebogen werden – kein Signal kann seiner Schwerkraft entkommen. Umgekehrt: Wenn man sich von außen diesem kosmischen Monster nähert, gibt es ab einem gewissen Punkt kein Zurück mehr, nicht für Lichtstrahlen und erst recht nicht für Körper, die alle eine Masse haben. Ein Astronaut, der, frei schwebend und gut verpackt in einen Raumanzug, diesen sogenannten Ereignishorizont passiert, verschwindet aus unserem Blickfeld. Sein weiteres Schicksal können wir nur erahnen.

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Der Weltraumtourist selber aber merkt zunächst einmal gar nichts, sagt Einsteins sogenanntes Äquivalenzprinzip. Er folgt ja den Gravitationslinien im All, er fühlt sich wie beim Schweben in der Schwerelosigkeit. Allerdings wird die Reise zunehmend ungemütlicher. Der Schwerkraftunterschied zwischen Kopf und Füßen wird immer größer, der Körper wird in die Länge gezogen und irgendwann zerfetzt, bevor seine Einzelteile mit der zentralen Masse verschmelzen.

Im vergangenen Jahr interpretierte nun Joe Polchinski von der University of California in Santa Barbara die Vorgänge am Ereignishorizont auf neue Weise und entfachte damit eine Debatte, über die das Magazin Nature in seiner jüngsten Ausgabe berichtet (Bd. 496, S. 20 ff.). Seine Überlegungen fußten auf einer Erkenntnis von Stephen Hawking aus dem Jahr 1974: Ein Schwarzes Loch ist nicht völlig schwarz. Die Quantentheorie macht es möglich, dass doch Strahlung von ihm ausgeht. Das liegt daran, dass überall im Kosmos ständig Paare miteinander verschränkter Teilchen und Antiteilchen spontan entstehen, um einander dann blitzschnell wieder auszulöschen. Passiert das nahe dem Ereignishorizont, dann kann es sein, dass eines der Teilchen ins Schwarze Loch gezogen wird und das andere nicht – das verschonte Partikel wird für uns als Strahlung sichtbar, das andere fügt dem Schwarzen Loch eine "negative Energie" hinzu, schwächt es also.

Polchinski kam zu dem Schluss, dass die geheimnisvolle Verschränkung der Teilchen in diesem Prozess verloren gehen muss, unter Freisetzung großer Energiemengen. "Der Ereignishorizont wird im wahrsten Sinn des Wortes zu einem Feuerring, der jeden verbrennt, der hindurchfällt", schreibt er. Der Astronaut verbrutzelt auf der Stelle, erlebt den Rest der Reise ins Schwerezentrum nicht mehr.

Was sind schwarze Löcher?

Vor fast 100 Jahren wurde eine Theorie entwickelt, die schwarze Löcher erstmals auf eine vernünftige, mathematische Basis stellte. In den sechziger und siebziger Jahren ergaben Berechnungen wichtige theoretische Erkenntnisse über Schwarze Löcher.

Heute wird davon ausgegangen, dass schwarze Löcher so dicht und reich an Masse sind, dass nicht einmal das Licht ihnen zu entkommen vermag.

So stürzen auch Staub und Gase aus dem Zentrum einer Galaxie geradezu in ein schwarzes Loch hinein und setzen dabei Energie frei. Man spricht vom Aktiven Galaktischen Kern (AGN). Dieser ist es auch, der die schwarzen Löcher auf Bildern als grelle Lichtpunkte erscheinen lässt.

Schwarze Löcher an sich sind unsichtbar. Man kann nur anhand der Auswirkung auf ihre Umgebung auf ihre Existenz schließen.

Typen

Es gibt zwei Typen von schwarzen Löchern: Die stellaren schwarzen Löcher und die supermassereichen oder auch supermassiven schwarzen Löcher.

Stellare Schwarze Löcher sind eine Folge der Sternentwicklung. Explodiert ein Stern am Ende seines Lebens als Supernova, kann der übrig bleibende Sternenrest zu einem schwarzen Loch kollabieren. Diese schwarzen Löcher haben geschätzt acht bis 15 Mal die Masse unserer Sonne.

Der Ursprung supermassiver Schwarzer Löcher ist bislang unbekannt. Fakt ist nur, dass diese Millionen bis Milliarden Mal schwerer sind als unsere Sonne und nach heutigen Wissensstand nahezu in jeder Galaxie vorkommen.

Raum und Zeit

Schwarze Löcher rufen eine enorme Krümmung von Raum und Zeit in ihrer Umgebung hervor. Diese Krümmung ist so gigantisch, dass Strahlung und Teilchen, die dem Schwarzen Loch zu nahe kommen, für immer verschwinden.

Egal, welchen Tod man angenehmer findet – der Streit wird auf jeden Fall Opfer fordern. Gibt es Polchinskis Feuerwand, dann wird Einsteins Äquivalenzprinzip verletzt. Gibt es sie nicht, ist etwas faul an der Quantentheorie.

Am Genfer Cern versammelten sich im vergangenen Monat Physiker zu einer Konferenz. Einig waren sie sich nur darüber, dass das Paradox so bald nicht verschwinden wird. Vielleicht kommt die Lösung erst dann, wenn die Physiker die beiden monumentalen Theorien des 20. Jahrhunderts wirklich miteinander versöhnt haben.

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Leserkommentare
  1. könnte mir vorstellen, das in diesem extreme Geschwindigkeiten entstehen könnten, also verdampft er ... , der Mensch zu 70% Wasser und Reibung erzeugt Wärme? kann auch nicht stimmen... im luftleerenRaum

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    Sie haben sich ihre Frage ja schon selbst beantwortet. Im Weltraum herrscht ein relativ dichtes Vakuum und daher verglüht der Astronaut nicht aufgrund der Geschwindigkeit.

  2. Sie haben sich ihre Frage ja schon selbst beantwortet. Im Weltraum herrscht ein relativ dichtes Vakuum und daher verglüht der Astronaut nicht aufgrund der Geschwindigkeit.

    Antwort auf "gute Frage"
  3. Da die Grenzen und Übergänge ziemlich fließend sein sollten, denke ich nicht an das Zerreißen. Dazu müsste ja etwas an den Füßen ziehen, da die Gravitation des nächsten Planeten ziemlich gering sein dürfte, müßte die Beschleunigung sehr plötzlich einsetzen. Da ich fließende Übergänge vermute, wird wohl eher der gesamte Körper enorm beschleunigt und am Ende komprimiert.

    Eine unsichtbare Wand, vor der alles normal ist, und dahinter monströse Gravitation wirkt ist eine ungewöhliche Vorstellung und entspricht nicht den Erfahrungen, die bisher mit Gravitation gemacht wurden.

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    In einem Schwarzen Loch herrschen enorme Kräfte, wesewegen man ohne Probleme seine Alltagserfahrungen über den Haufen werfen kann.

    Da die Gravitation und damit die Beschleunigung rasant zunimmt, und die Differenz der Beschleunigung zwischen der dem Schwarzen Loch zugewandten und der abgewandten Seite irgendwann enorm ist, sollte ihn wohl schlichtweg die Massenträgheit zerreissen.

    Es gibt keine unsichtbare Wand, hinter der alles anders ist. Bei Annäherung an ein schwarzes Loch wächst die Gravitationskraft kontinuierlich nach:
    Fg ~ m1 * m2 / r^2
    Gravitationskraft ~ Masse schwarzes Loch * Masse Körper / Abstand^2
    Soll heissen: Halbiere ich den Abstand, wächst die Gravitationskraft auf das vierfache. Dieses Verhalten ändert sich auch beim überschreiten des Ereignishorizontes nicht. Für den Astronauten ändert sich so gesehen erstmal nicht viel, er wird weiterhin in das schwarze Loch beschleunigt, und kann auch nach wie vor hinter sich das All sehen. Ein aussenstehender Beobachter jedoch, wird ihn in dem schwarzen Loch verschwinden sehen, da vom Astronauten schlichtweg keine Informationen mehr zum Beobachter gelangen. Stellen Sie sich folgendes Analogon vor (auch wenn die Physik dahinter eine ganz andere ist): Sie und ein Freund stehen in rabenschwarzer Nacht auf einem Feld. Ihr Freund leuchtet Sie mit einer Taschenlampe an. Nun entfernen Sie sich immer im Schein der Taschenlampe. Schon bald werden Sie so weit weg sein, dass Ihr Freund Sie nicht mehr sehen kann, während Sie Ihren Freund mit der Taschenlampe wahrscheinlich noch aus mehrern hundert Metern erntfernung sehen können. Für Ihren Freund sind Sie kontinuierlich verschwunden, während sich für Sie selber eigentlich nichts geändert hat.

    Selbst auf der Erde wirkt auf die Füße eine stärkere Gravitationskraft als etwa auf den Kopf, wenn auch der Unterschied extrem klein ist (das Gravitationsfeld der Erde ist ein Radialfeld, und die Dichte der Feldlinien ist auf Bodenhöhe höher als anderthalb Meter darüber. Falls Ihnen das nicht bekannt vorkommt, vielleicht erinnern Sie sich ja an die Magnetfelder aus dem Physikunterricht, da ist das ganz ähnlich).

    In der Nähe eines schwarzen Loches kann man diesen Effekt nicht mehr vernachlässigen... d.h. würde man die Schwerkraft separat über die Atome der oberen Körperhälfte summieren und über die der unteren, würde man einen deutlichen Unterschied finden, der umso größer wird, je näher man an das Gravitationszentrum kommt. Ab einem Punkt wäre dieser Unterschied dann größer, als die Kräfte, die den Körper noch zusammenhalten.

  4. In einem Schwarzen Loch herrschen enorme Kräfte, wesewegen man ohne Probleme seine Alltagserfahrungen über den Haufen werfen kann.

    4 Leserempfehlungen
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    es geht doch hier darum, wie man reinkommt.

  5. es geht doch hier darum, wie man reinkommt.

  6. Und wieso wird durch Pocholzkies teilchenemittierende Region das Äquivalentsprinzip verletzt? Ändert das schwarze Loch seinen Ereignishorizont in Abhängigkeit zum Beobachter? Und selbst wenn...was hat das dann mit dem Äquivalentsprinzip zu tun? Das besagt ja nur, dass für einen frei fallenden Körper auf kurze Dauer kein Gravitationsfeld nachweisbar ist.

  7. Da die Gravitation und damit die Beschleunigung rasant zunimmt, und die Differenz der Beschleunigung zwischen der dem Schwarzen Loch zugewandten und der abgewandten Seite irgendwann enorm ist, sollte ihn wohl schlichtweg die Massenträgheit zerreissen.

    2 Leserempfehlungen
  8. die Formulierung "relativ dichtes Vakuum" könnte man getrost auch als Oxymoron bezeichnen. Sowas bin ich eigentlich nur von einigen wenigen meiner Studenten gewöhnt, meist denen, die des Deutschen nicht so wirklich mächtig sind.

    Aus physikalischer Sicht stellt sich wiederum die Frage, ob das Vakuum in der Nähe schwarzer Löcher wirklich so gut ist, sprich ob dort wirklich so wenig Teilchen vorhanden sind. Insofern muss die Frage nach dem Verbrennen durch Reibung gar nicht so abwegig.

    Folgt man Polchinskis bzw. Hawkings Erklärung, wird auch klar, dass ein schwarzes Loch jede Menge Energie einbüßen würde, wenn es jeweils durch perfektes Vakuum umgeben wäre. Der Nachschub wäre nicht mehr gesichert. Im Umkehrschluss hieße dass, dass in der Nähe des Ereignishorizontes tatsächlich größere Mengen Material vorhanden wären.

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    "Aus physikalischer Sicht stellt sich wiederum die Frage, ob das Vakuum in der Nähe schwarzer Löcher wirklich so gut ist, sprich ob dort wirklich so wenig Teilchen vorhanden sind. Insofern muss die Frage nach dem Verbrennen durch Reibung gar nicht so abwegig."

    Wie verraten sich den in der Regel schwarze Löcher? Durch Röntgenstrahlung. Dabei setzt man aber wohl vorraus, dass das SL hier eben "frißt", das heisst also Materie in der Umgebung ist, die wird so ultramässig erhitzt, dass eben doch Strahlung emittiert wird (aber sicher vor dem Horizont) beispielsweise durch einen Stern, der eingesogen wird, etc. Der Artikel verschweigt, ob das SL in Ruhe ist, also satt, oder ob es eben Materie einsaugt. Wenn das letztere der Fall ist, dann wird auf jeden Fall die Reise vorher zu Ende sein.

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  • Schlagworte Astronaut | Cern | Kosmos | Schwarzes Loch | Körper | Relativitätstheorie
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