Schwarze Löcher                                 

Schwarze Löcher

von

Andreas Schwarz

Ein Stern endet in Abhängigkeit von seiner Masse als Weißer Zwerg, Neutronenstern oder stellares Schwarzes Loch. So enden Sterne mit einer ursprünglichen Masse von etwa bis zu 8M☉ als sogenannte Weiße Zwerge. Sterne mit einer Masse in einem Bereich von etwa 8 bis 25M☉ enden als Neutronensterne, welche sich als Pulsare bemerkbar machen. Als stellares Schwarzes Loch enden wiederum Sterne mit Massen von mehr als 25M☉. Nachfolgend soll auf die Entwicklung eines Sternes zu einem Schwarzen Loch eingegangen werden.

Für die Stabilität eines Neutronensterns besteht eine Grenzmasse. Wird diese überschritten, kann der Entartungsdruck der Neutronen dem Gravitationsdruck nicht mehr standhalten und der Stern kollabiert zu einem stellaren Schwarzen Loch. Im Gegensatz zur Grenzmasse eines Weißen Zwerges, der sogenannten Chandrasekhar-Grenzmasse von 1,46M☉, lässt sich die Grenzmasse eines Neutronensterns derzeit nur mit Unsicherheiten analytisch herleiten. Hintergrund ist, dass die Zustandsgleichungen für dichte hadronische Materie (Kernteilchen bzw. Protonen und Neutronen, welche von der starken Wechselwirkung zusammengehalten werden) noch nicht genau bekannt sind. Auf Basis einer Arbeit des US-Physikers Richard Chace Tolman (1881 – 1948) aus dem Jahr 1939 leitete der US-Physiker Julius Robert Oppenheimer (1904 - 1967) zusammen mit seinem in Russland geborenen kanadischen Kollegen George Michael Volkoff (1914 – 2000) ebenfalls im Jahr 1939 analytisch die Grenzmasse für einen Neutronenstern her. Sie ermittelten damals eine Grenzmasse von 0,75M☉, was allerdings innerhalb der Chandrasekhar-Grenzmasse liegt und damit unrealistisch war. Im laufe der Zeit wurden die Zustandsgleichungen für dichte hadronische Materie jedoch besser verstanden, so dass der Wert der Grenzmasse für einen Neutronenstern heute in einem Bereich von 1,5 bis 3M☉ liegt. Die Unsicherheit ist allerdings immer noch groß.

Nach vorherrschender Lehrmeinung liegt die Grenzmasse etwa bei 3M☉. Nach den gängigen Modellen wird diese Grenzmasse von Sternen mit einer Ausgangsmasse von mehr als 25M☉ überschritten. Die einzelnen Entwicklungsschritte vom Ende des Hauptreihenstadiums eines Sterns mit über 25M☉ bis zu seinem Ende als stellares Schwarzes Loch sind vergleichbar mit den in Unterkapitel 6.2 der Abhandlung "Die Geburt, das Leben und der Tod der Sterne" beschriebenen entsprechenden Entwicklungsschritten bis zu einem Neutronenstern. Nacheinander finden das Wasserstoff-Brennen, das Helium-Brennen, das Kohlenstoff-Brennen, das Neon-Brennen, das Sauerstoff-Brennen und das Silizium-Brennen statt. Allerdings verlaufen alle Schritte aufgrund der höheren Masse schneller ab als bei der Entwicklung zu einem Neutronenstern. Wenn der Kernbrennstoff im Kern des Sterns verbraucht ist, kommt die Kernfusion zum Erliegen, der Strahlungsdruck wirkt dem Gravitationsdruck nicht mehr entgegen und der Kern kontrahiert uneingeschränkt. Es kommt auch hier zum Vorgang der Supernova, nur dass dieser Prozess noch gewaltiger ist. Daher wird auch von einer Hypernova gesprochen.

Da dieses Mal aufgrund der Masse auch der Entartungsdruck der Neutronen nicht mehr ausreicht, dem Gravitationsdruck standzuhalten, geht die Kontraktion immer weiter. Dabei wird irgendwann der sogenannte Schwarzschild-Radius erreicht:

Rs = 2GM/c²

G ist die Gravitationskonstante, M die Masse und c die Lichtgeschwindigkeit. Beim Erreichen des Schwarzschild-Radius kann selbst Licht nicht mehr den Stern verlassen. Ein stellares Schwarzes Loch ist entstanden. 

Grundsätzlich herrscht auf der Oberfläche von jedem Himmelskörper mit gegebener Masse M und dem Radius r eine bestimmte Gravitationskraft. Um diesen Himmelskörper nun verlassen zu können, wird eine bestimmte Startgeschwindigkeit benötigt, die sogenannte Fluchtgeschwindigkeit. Bei der Erde beträgt diese 11 km/s. Wenn bei gleichbleibender Masse der Radius des Himmelskörpers verkleinert wird, steigt auf seiner Oberfläche die Gravitationskraft und eine höhere Fluchtgeschwindigkeit zum Verlassen dieses Himmelskörpers wird benötigt. Beim Erreichen des Schwarzschild-Radius erreicht die benötigte Fluchtgeschwindigkeit den Wert der Lichtgeschwindigkeit von c = 299.792.458 m/s. An diesem Punkt kann nichts mehr die Oberfläche des Sterns verlassen. Keine elektromagnetische Strahlung, etwa Licht und keine sonstigen Informationen. Nach der Allgemeinen Relativitätstheorie kann die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum von Materie mit Ruhemasse niemals erreicht oder überschritten werden. Licht bzw. elektromagnetische Strahlung hat zwar keine Ruhemasse und bewegt sich mit Lichtgeschwindigkeit, hat jedoch eine sogenannte Impulsmasse und unterliegt damit ebenfalls der Gravitationsanziehung. Damit ist das Schwarze Loch tatsächlich schwarz.

Nach der Allgemeinen Relativitätstheorie stellen Schwarze Löcher Singularitäten in der Raumzeit dar. In diesen wäre die ursprüngliche Sternmaterie in einem unendlich kleinen Punkt zusammengedrückt. Tatsächlich dürfte es wohl keine Singularität sein und die Materie in einen bestimmten uns noch unbekannten Zustand vorliegen. Allerdings stoßen wir hier an die Grenzen der heutigen Physik. Um das Innere eines Schwarzen Loches beschreiben zu können, müssten die Quantentheorie und die Allgemeine Relativitätstheorie in einer übergeordneten Theorie zusammengefasst werden. Eine solche Quantentheorie der Gravitation konnte bis heute allerdings noch nicht aufgestellt werden, so dass das Innere eines Schwarzen Loches derzeit sowohl theoretisch als auch praktisch im Verborgenen bleibt. 

In den Zentren der Galaxien befinden sich sogenannte Super Massiven Schwarze Löcher. Sie haben Massen zwischen 100.000 und 10 Milliarden Sonnenmassen. Ihre Entstehung ist noch ungeklärt, doch dürfte sie in der Zeit der Galaxienentstehung entstanden sein. 

Rotierende Super Massive Schwarzes Löcher sind die Energiequelle der Aktiven Galaktischen Kerne. Letztendlich wird die Rotationsenergie vom Schwarzen Loch in Strahlungsenergie umgewandelt. Auf das Super Massive Schwarze Loch fällt von außen akkretierende Materie. Dabei wird potentielle Energie im Gravitationsfeld des Schwarzen Loches in kinetische Energie und im Falle der Akkretion in Strahlungsenergie umgewandelt. Vor dem Erreichen des Ereignishorizonts kommt es zu heftigen Strahlungsprozessen, die zu den enormen Leuchtkräften der Aktiven Galaktischen Kerne führen. Die Akkretion reichert das Super Massive Schwarze Loch mit noch mehr Materie an, so dass sein Ereignishorizont immer mehr zunimmt.

Von zentraler Bedeutung für die zu beobachtenden Eigenschaften der Aktiven Galaktischen Kerne und damit im Ergebnis auch für die zu beobachteten Eigenschaften von Kosmischer Strahlung ist die Rotation des Super Massiven Schwarzen Lochs. So entsteht der Jet in einer schnell rotierenden Zone, der sogenannten Ergosphäre. Die Rotation des Super Massiven Schwarzen Lochs ist auch deshalb plausibel, weil die auf das Schwarze Loch einfallende akkretierende
Materie ebenfalls Drehimpuls besitzt. Dieser Drehimpuls wird auf das Super Massive Schwarze Loch übertragen. Die Ausdehnungen der Ereignishorizonte der Super Massiven Schwarzen Löcher gehören zu den Größten im Universum. Je nach Typus der Aktiven Galaktischen Kerne und dem Rotationszustand reichen die Horizontradien von drei Millionen Kilometern (entspricht 0,02 Astronomische Einheiten, AU) für ein Loch mit einer Million Sonnenmassen bis etwa 30 Milliarden Kilometern (entspricht 200 AU) für ein Loch mit einer Milliarden Sonnenmassen.

Die Existenz von sogenannten Mittelschweren Schwarzen Löcher, mit Massen im Bereich von einigen 1000 Sonnenmassen, ist noch nicht gesichert. Es gibt Indizien für ihre Existenz. Sie könnten durch Sternkollisionen- und Verschmelzungen entstanden sein.