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Physik-Nobelpreis für Pioniere Schwarzer Löcher

Bahnbrechende Erkenntnisse zur Physik der Schwerkraftgiganten und zu Sagittarius A*

Schwarzes Loch
Wie ist die Natur eines Schwarzen Lochs physikalisch zu erklären? Und was liegt im Herzen unserer Milchstraße? Die Antworten lieferten die drei Physik-Nobelpreisträger 2020. © Pitris/ iStock

Der Nobelpreis für Physik 2020 ist drei Pionieren der Erforschung Schwarzer Löcher gewidmet. Eine Hälfte des Preises erhält der britische Physiker Roger Penrose, der belegte, wie die Allgemeine Relativitätstheorie zur Bildung Schwarzer Löcher führen kann. Die zweite teilen sich der deutsche Astronom Reinhard Genzel und seine US-Kollegin Andrea Ghez, deren Beobachtungen die Existenz eines supermassereichen Schwarzen Lochs im Zentrum der Milchstraße belegten.

Heute gehören Schwarze Löcher fast schon zum astronomischen Alltag – gleichzeitig aber sind sie noch immer eines der großen Rätsel im Kosmos. Denn sie sind unsichtbar, besitzen aber eine so große Schwerkraft, dass selbst Licht ihnen nicht entkommen kann. Zwar verraten sich diese Schwerkraftgiganten indirekt durch einen Ring strahlenden Plasmas, rasende Teilchen-Jets oder Strahlenausbrüche.

Doch was innerhalb des Ereignishorizonts vor sich geht, können Astrophysiker nur erahnen. Erst 2019 gelang es Astronomen zum ersten Mal, ein supermassereiches Schwarzes Loch zu fotografieren – man sah einen dunklen Schatten inmitten eines hellen Lichtrings.

Penrose
Penroses Konzept der gefangenen Oberfläche und der Vorgänge im Schwarzen Loch. © nobelprize.org

Roger Penrose: Einstein, die Topologie und der Ereignishorizont

Dass solche exotischen Gebilde überhaupt existieren, wollte selbst Albert Einstein nicht glauben – obwohl seine Relativitätstheorie dies nicht ausschloss. Denn sie besagt, dass massereiche Objekte die Raumzeit krümmen – und ein Schwarzes Loch umfasst so viel konzentrierte Masse, dass es die Raumzeit letztlich zum Kollabieren bringt. Wie das physikalisch zu beschreiben ist und was dabei passiert, blieb lange unklar und spekulativ.

Doch im Jahr 1944 kam dem britischen Physiker Roger Penrose bei einem Spaziergang die entscheidende Idee: Er nutzte Mathematik und Topologie, um das Konzept einer „gefangenen Oberfläche“ zu entwickeln. Eine solche Oberfläche ist eine zweidimensionales, geschlossenes Gebilde – ähnlich einem Ring, das alle Strahlung nach innen auf das Zentrum zu zwingt. Im Inneren dieses Rings, so erkannte Penrose, liegt immer eine Singularität, ein Punkt, an dem Raum und Zeit nicht mehr definierbar sind.

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Dieses von Penrose 1965 veröffentlichte Konzept erklärt, warum Licht und Materie den Ereignishorizont eines Schwarzen Lochs nur in eine Richtung passieren können – nach innen. Denn wie Penrose feststellte, tauschen Raum und Zeit im Inneren dieser gefangenen Oberfläche ihre Rollen. Dadurch wird die Bewegung nach innen zur Vorwärtsbewegung in der Zeit. Genau dies macht eine Rückkehr aus dem Schwarzen Loch unmöglich – denn es wäre eine Zeitreise in die Vergangenheit.

Reinhard Genzel und Andrea Ghez: das Schwarze Loch der Milchstraße

Auf konkreten Beobachtungen beruhen dagegen die Errungenschaften von Reinhard Genzel und Andrea Ghez. Denn die beiden Astronomen mit ihren Teams haben unabhängig von einander bewiesen, dass im Herzen unserer Heimatgalaxie ein supermassereiches Schwarzes Loch liegt – Sagittarius A*. Zwar war schon Ende der 1960er Jahre klar, dass es im Zentrum der Milchstraße eine Quelle starker Radiostrahlung gibt.

Doch erst Genzel und Ghez konnten die Natur dieses Objekts näher eingrenzen. Dies gelang ihnen, indem sie die Bewegungen von Sternen im nahen Umfeld dieses Objekts über Jahrzehnte hinweg beobachteten. Genzel und sein Team nutzten für ihre Beobachtungen das Very Large Telescope der Europäischen Südsternwarte in Chile, Ghez und ihre Kollegen richteten die Optiken des Keck-Observatoriums auf das galaktische Zentrum. Mithilfe adaptiver Optiken und Beobachtungen im infraroten Bereich konnten sie strotz starker Störstrahlung und Staub die Geschwindigkeit und Orbits von Sternen im galaktischen Zentrum verfolgen. Daraus schlossen sie, dass im Zentrum unserer Galaxie ein Schwerkraftgigant existiert, der rund vier Millionen Sonnenmassen auf relativ kleinem Raum konzentriert.

„Die Pionierleistungen von Reinhard Genzel und Andrea Ghez haben damit auch den Weg bereitet für neue Generationen präziser Tests der Allgemeinen Relativitätstheorie und ihrer bizarrsten Vorhersagen“, so das Nobelpreis-Komitee. Tatsächlich haben Astronomen erst kürzlich mithilfe des Sterns S2 sowohl die von Einstein vorhergesagte Präzession als auch die Gravitations-Rotverschiebung am Schwarzen Loch Sagittarius A* überprüft und bestätigt.

Quelle: Nobelprize.org

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