Die uralte Geschichte des Verständnisses von Schwarzen Löchern

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Sehr wenig über Schwarze Löcher, die zu den seltsamsten Objekten im Universum gehören, ist einfach. Wissenschaftler verstehen diese überwältigenden Objekte besser als je zuvor, studieren die massiven Wellen, die Schwarze Löcher in der Raumzeit erzeugen, und lernen, wie sie entstehen. Aber die kurze Geschichte des Verständnisses der Menschheit von Schwarzen Löchern wurde auf ihrem Weg von großen Drehungen und Wendungen erschüttert.

Obwohl die Existenz von Schwarzen Löchern fast sicher war, waren sich Experten noch vor einem halben Jahrhundert nicht so sicher. Robert Mann, ein Physiker der University of Waterloo, der sich mit Schwarzen Löchern und Quanteninformation beschäftigt, sagt, dass „Professoren es wirklich bezweifelten“, als er in den 1970er Jahren Doktorand war.

Die ersten Vermutungen, dass Schwarze Löcher existieren, sind älter als die US-Verfassung. 1783 stellte sich Reverend John Michell, ein britischer Wissenschaftler, schwarze Löcher als „dunkle Sterne“ vor. Michell fragte, wie ein Stern aussehen würde, wenn er so schwer wäre, dass die Geschwindigkeit, die benötigt wird, um seiner Anziehungskraft zu entkommen, „schneller als Licht“ sei, sagt Mann.

Michells Frage war gut. Aber einige Jahre später, in den 1790er Jahren, überzeugten der berühmte französische Mathematiker Pierre-Simon Laplace und andere Vordenker die wissenschaftliche Gemeinschaft, dass sich Licht wie eine Welle verhält und daher nicht von der Schwerkraft beeinflusst wird, sagt Mann. Diese neue Auffassung von Licht machte Michells Theorie irrelevant.

Aber die Idee wurde nach 1915 wiederbelebt, als Albert Einstein seine Allgemeine Relativitätstheorie vorschlug. Die Theorie besagt, dass jedes Objekt mit Masse die Raumzeit proportional zu seinem Gewicht krümmt und eine bestimmte Menge an Materie so dicht werden lässt, dass sie zu einem unendlich dichten Punkt namens Singularität zusammenbricht – dem Kern eines Schwarzen Lochs.

Die Leute sagen oft, Einstein habe schwarze Löcher vorhergesagt, aber das stimmt nicht ganz, sagt er Javier García, ein Caltech-Astrophysiker, der Röntgenstrahlen verwendet, um die grundlegenden Eigenschaften von Schwarzen Löchern zu untersuchen. „Einstein hat die Theorie entwickelt“, die für ihre Existenz notwendig ist, sagt Garcia, hat aber die Objekte selbst nicht vorhergesagt.

1915 verwendete Einstein die allgemeine Relativitätstheorie, um die Bewegung des Merkur um die Sonne zu erklären. Diese und andere erfolgreiche Anwendungen von Einsteins Theorie ermutigten Wissenschaftler, ihre tieferen Implikationen zu erforschen.

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Innerhalb eines Jahres hatte Karl Schwarzschild, der „ein Wehrpflichtiger Leutnant in der deutschen Armee, aber von Beruf ein theoretischer Astronom“ war, wie Mann es ausdrückt, von Einsteins Theorie gehört. Er war der erste, der eine Lösung für Einsteins Gleichungen fand, die zeigte, dass sich eine Singularität bilden kann und dass sich nichts, wenn es einmal zu nahe ist, schnell genug bewegen kann, um der Anziehungskraft einer Singularität zu entkommen.

Dann, im Jahr 1939, versuchten die Physiker Rober Oppenheimer (vom berühmten Manhattan Project oder Infamy) und Hartland Snyder herauszufinden, ob ein Stern Schwarzschilds unmöglich klingendes Objekt erschaffen könnte. Sie argumentierten, dass bei einer ausreichend großen Staubkugel die Schwerkraft dazu führen würde, dass die Masse zusammenbricht und eine Singularität bildet, was sie mit ihren Berechnungen zeigten. Aber als der Zweite Weltkrieg ausbrach, stagnierte der Fortschritt auf diesem Gebiet bis Ende der 1950er Jahre, als die Menschen begannen, Einsteins Theorien erneut zu testen.

Physiker John Wheeler, über die Auswirkungen eines Schwarzen Lochs nachdenken, stellte einem seiner Doktoranden, Jacob Bekenstein, eine Frage, die Wissenschaftler in den späten 1950er Jahren verwirrte: „Was passiert, wenn man heißen Tee in ein Schwarzes Loch gießt?

Die Antwort ist natürlich, dass das Schwarze Loch es trinkt. Aber heißer Tee verursacht ein Paradoxon. Alles mit einer bestimmten Temperatur gibt Wärme ab. Und das Mischen heißer und kalter Gegenstände bewirkt einen Austausch – gibt man beispielsweise Eiswürfel in ein heißes Bad, werden die Eiswürfel wärmer und das Bad kälter.

Wenn ein Schwarzes Loch alles verschluckt und nichts abgibt, bedeutet dies, dass es keine Wärme abgibt und eine Temperatur von Null haben muss. Ein Schwarzes Loch, das heiße Materie ansaugt und sich nie erwärmt, „widerspricht allem, was wir über Thermodynamik wissen“, sagt Mann.

In den 1960er Jahren hatten diese Objekte einen einprägsamen Namen: „Schwarzes Loch“. Der Begriff erklärte zwei Eigenschaften: Sie waren Löcher, in dem Sinne, dass Dinge hineinfallen konnten, aber niemals entkommen konnten, und sie erschienen jedem Betrachter völlig dunkel.

Wheelers Schüler Bekenstein arbeitete dann mit Stephen Hawking zusammen, um herauszufinden, dass Schwarze Löcher tatsächlich Energie abgeben. Diese durch Quantenfluktuationen im Weltraum verursachte Strahlung setzt nur sehr wenig Energie frei. Aber ihre Forschung bewies, dass Schwarze Löcher Wärme haben, und beantwortete definitiv die Frage, die Wheeler vor anderthalb Jahrzehnten stellte.

Ihre Einführung der Quantenphysik in Schwarze Löcher löste ein Paradox, schuf aber ein anderes, sagt Mann. Die Quantenmechanik erfordert, dass Informationen nicht zerstört werden können. Und derzeit haben Wissenschaftler keine Möglichkeit, etwas darüber zu sagen, was in ein Schwarzes Loch eingedrungen ist, und wie wenig Strahlung es abgibt – diese Informationen gehen verloren.

„Es gibt noch keine Einigung darüber, wie dieses Problem gelöst werden kann“, sagt Mann, obwohl einige Forscher glauben, dass sie der Lösung nahe sind.

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Hawking half bei der Lösung eines weiteren Rätsels, das die ganze Zeit um Schwarze Löcher gehangen hatte. Die von Schwarzschild im frühen 20. Jahrhundert vorgeschlagene Lösung für Schwarze Löcher verhinderte nicht nur, dass Licht entweicht. Es enthielt auch ein Loch in der Raumzeit im Herzen des Schwarzen Lochs – die Singularität. Aber damals waren sich die Wissenschaftler nicht sicher, ob dies eine allgemeine Eigenschaft von Schwarzen Löchern war oder nur eine Eigenart der spezifischen Systeme, die Schwarzschild und dann Oppenheimer und Snyder zur Berechnung wählten.

Hawking und Roger Penrose zeigten, dass die singularitätserzeugende Schwarzschild-Lösung nicht nur eine Einheitslösung für unglaublich runde Sterne war – jede ausreichend große Masse würde es tun.

Röntgenbeobachtungen potenzieller Schwarzer Löcher haben sich über Jahrzehnte angehäuft, aber das ist nur so die ersten LIGO-Erkennungen, gab 2016 bekannt, dass Astronomen direkte Beweise für die Existenz von Schwarzen Löchern haben. Und nicht nur das, sie krachen zusammen, um größere Schwarze Löcher zu erzeugen und Gravitationswellen auszusenden, sagt Mann.

Wissenschaftler wissen immer noch nicht, was sie mit dem Informationsparadox oder den Singularitäten anfangen sollen. „Trotzdem sehen wir diese Objekte. Und wir haben auch ein Foto davon gemacht“, sagt Mann und bezieht sich auf das erste Bild von leuchtender Materie um ein Schwarzes Loch, das 2019 vom Event Horizon Telescope aufgenommen wurde.

Neue Teleskope beleuchten weiterhin die dunkelsten Objekte im Universum. Und wenn größere Upgrades fertig sind, hofft das Team des Event Horizon Telescope Nehmen Sie das erste Video eines Schwarzen Lochs auf.