Supermassereiche Schwarze Löcher sitzen im Zentrum fast aller Galaxien. Sie haben deren Entwicklung entscheidend geprägt.
In Zeiten des globalen Terrorismus müsste eine verschworene Gemeinschaft, die sich „Nuker-Team” nennt, eigentlich Argwohn erregen – zumal sie sich mit geradezu monströsen Energieschleudern beschäftigt. „Nukes” bezeichnet im amerikanischen Slang Atomwaffen – doch die sind von geradezu mickrigem Kaliber im Vergleich zu den Objekten, die das Nuker-Team im Visier hat. „Schwarze Löcher sind die besten Energieumwandler”, sagt Ralf Bender. „Dort können bis zu 10 Prozent der einfallenden Materie in Strahlung verwandelt werden – bei maximal rotierenden Schwarzen Löchern sogar bis zu 40 Prozent. Ein Gramm Masse liefert 2,5 Millionen Kilowattstunden.” Das sind Verhältnisse, von denen selbst die größten Schurken nur träumen können. Doch schon die sanfte Stimme des hoch gewachsenen Astronomie-Professors von der Universität München zerstreut jeden Verdacht. Außerdem wird Bender – und jeder andere Mensch – niemals ein Schwarzes Loch in die Finger bekommen. Diese exotischen Schwerkraftfallen sind einfach viel zu weit entfernt und ohnehin nicht greifbar. Bender stieß 1995 zum Nuker-Team, das sich schon 1985 formiert hatte, um den Herzen der Galaxien auf die Spur zu kommen. Dort vermuten Astronomen seit langem Schwarze Löcher – und zwar nicht irgendwelche, sondern die massereichsten überhaupt im Universum. Dafür spricht eine ganze Menge: Quasare, die hellen Kerne der Urgalaxien, haben eine Leuchtkraft von 1 Billion bis 1 Billiarde Sonnen. Sie sind also bis zu 10000-mal heller als die gesamte Galaxie, in der sie stecken. Beobachtungen im Bereich der Röntgen- und Gammastrahlen schrauben die Energieanforderungen noch weiter nach oben. Helligkeitsschwankungen über Tage bis Monate lassen darauf schließen, dass die Energiequelle der Quasare sehr klein sein muss – in der Größenordnung des Sonnensystems. Radioaufnahmen zeigen energiereiche Teilchenströme, so genannte Jets. Dort werden Teilchen wiederholt auf fast Lichtgeschwindigkeit beschleunigt – durch Spannungen von bis zu einer Billion Volt. Die Leuchtkraft der Jets kann die von 100 Milliarden Sonnen erreichen. Die Länge der Jets von bis zu einer Million Lichtjahre deutet darauf hin, dass die zentrale Energiemaschine über längere Zeit stabil ist. „Nur die Annahme supermassereicher Schwarzer Löcher kann alle Beobachtungen erklären”, sagt Bender. Die beobachteten Energien müssen dadurch freigesetzt werden, dass die Schwerkraftfallen Gas, Staub und ganze Sterne heranziehen und vor dem Einverleiben auf Millionen Grad erhitzen. Wenn dies stimmt, müssten bis heute in den meisten Galaxien tote Quasare schlummern – supermassive Schwarze Löcher, die gleichsam hungern, weil sie ihre Umgebung leer gefressen haben. Doch sporadisch gibt es durchaus Nachschub, wie die aktiven Galaxien zeigen, deren Helligkeit die normaler Galaxien um mehr als das Hundertfache übersteigt. Freilich sind heute nur 0,001 Prozent aller Milchstraßen aktiv – drei Milliarden Jahre nach dem Urknall waren es tausendmal mehr. Erst die neuen Teleskope im Orbit haben das erforderliche Auflösungsvermögen, um diesen gefräßigen Ungeheuern auf die Spur zu kommen. Insbesondere dem 1990 gestarteten Hubble-Weltraumteleskop, dessen Bilder zehnmal schärfer sind als die besten irdischen Teleskope, und den 1999 ins All geschossenen Röntgenobservatorien Chandra und XMM-Newton ist es zu verdanken, dass die Astronomen jetzt mit bahnbrechenden Erkenntnissen aufwarten können. Dabei stehen sie nun kurz vor der Lösung einer der wichtigsten Fragen der modernen Astrophysik: Wie sind die Galaxien entstanden, und wann und woraus haben sich ihre zentralen Schwarzen Löcher gebildet? „Bislang machten Schwarze Löcher den Eindruck zufällig im Auto herumliegender Gegenstände. Jetzt sehen sie eher wie eine Standardausstattung aus”, sagt der Leiter des Nuker-Teams, Douglas Richstone, Professor an der University of Michigan. „Und wenn sie ein integraler Teil der Galaxienentstehung sind, könnte das heißen, dass wir unsere Theorien zum großen Teil revidieren müssen.” Schwarze Löcher lassen sich, wie ihr Name schon sagt, nicht direkt beobachten. Aber ihre gewaltige Schwerkraft verrät sie unweigerlich – die beeinflusst nämlich die Bahnen von Sternen in der Umgebung. Auch die Akkretionsscheiben – die Ansammlungen von Gas und Staub, die auf einer Spirale des Todes in das Schwarze Loch stürzen – zeugen von der zentralen Masse in ihrem Mittelpunkt. Die Bewegungen der Sterne und Akkretionsscheiben können die Forscher mit spektroskopischen Untersuchungen messen. „Inzwischen haben wir eine Messgenauigkeit von typischerweise plus/minus 30 Prozent erreicht. Das ist für diese Art von Beobachtungen schon sehr gut” , freut sich Bender. „Mittlerweile wurden mehr als 40 nahe Galaxien nach Schwarzen Löchern durchsucht. In den meisten haben wir welche gefunden.” Ein paar andere, kleinere Forschergruppen – darunter die Teams um David Merritt von der Rutgers University in New Brunswick, New Jersey, und um Walter Rix vom Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg – haben diese Ergebnisse bestätigt und ergänzt. Auch in unserer Heimatgalaxis, der Milchstraße, schlummert ein Schwarzes Loch mit einer Masse von rund drei Millionen Sonnen.
Doch das ist nicht alles. Die Astronomen haben zu ihrer Überraschung sogar eine spezielle kosmische Gesetzmäßigkeit entdeckt: Es gibt eine recht strikte Korrelation zwischen der Masse des Schwarzen Lochs und der Leuchtkraft beziehungsweise Masse des Sphäroids der Galaxie, die das Schwarze Loch beherbergt. Sphäroid oder Bulge (engl. „Bauch, Buckel”) wird die große ellipsoide Ansammlung aus Sternen genannt, die das Galaxienzentrum umhüllt. Bei elliptischen Galaxien ist der Sphäroid praktisch die ganze Galaxie, bei Spiralgalaxien das innere Viertel, aus dem die Spiralarme herausragen. Die Masse des Schwarzen Lochs beträgt knapp 0,2 Prozent der Masse des Sphäroids. Je massereicher also eine Galaxie ist, desto größer ist auch die Masse ihres zentralen Schwarzen Lochs. „Wir haben Massen von gut einer Million bis zu mehreren Milliarden Sonnenmassen gemessen”, sagt Bender. „Das reicht aus, um die gewaltige Leuchtkraft der Quasare zu erklären.” Neben der Masse des Sphäroids spielt auch seine Materiedichte eine Rolle. Bender: „Eine höhere Dichte bei gleicher Masse geht mit einer höheren Masse des Schwarzen Lochs einher.” Ausnahmen bestätigen die Regel: In M 33, der dritthellsten Galaxie unserer Lokalen Galaxiengruppe, haben Hubble-Messungen kein zentrales Schwarzes Loch entdeckt. Dabei ist die Genauigkeit der Daten so groß, dass es höchstens 1500 bis 3000 Sonnenmassen haben kann, um unter der Nachweisgrenze zu sein. Das ergaben Analysen von David Merritt und seinen Kollegen sowie unabhängig von einem Team um Karl Gebhard, der an der University of Texas in Austin arbeitet. Doch die 2,8 Millionen Lichtjahre entfernte Galaxie M 33 hat keinen Bulge! Somit ist die 0,2-Prozent-Regel nicht widerlegt, sondern es hat vielmehr den Anschein, dass nur Galaxien mit Sphäroid supermassereiche Schwarze Löcher beherbergen. Jedenfalls haben die Astronomen noch keine Bulge-Galaxie entdeckt, die – im Rahmen der Messmöglichkeiten – kein supermassives Schwarzes Loch enthält. Und umgekehrt kennen sie auch keine Galaxie mit einem großen Schwarzen Loch, aber ohne Sphäroid. „Hier sind allerdings bisher nur wenige Galaxien gut untersucht”, gibt Bender zu bedenken. „Da müssen wir noch mehr tun.” Ein Team um Michael Merrifield von der University of Nottingham fand auch Hinweise auf eine Korrelation zwischen der Masse Schwarzer Löcher und dem Alter ihrer Heimatgalaxien. Als die Forscher die Farbe und Intensität des Sternlichts von 23 Galaxien analysierten – und somit deren Zusammensetzung – stellten sie fest, dass die Schwerkraftgiganten umso weniger Masse haben, je jünger die Galaxien sind. Die Schwarzen Löcher wachsen also erwartungsgemäß im Lauf der Zeit. Und dies scheint mit der Vergrößerung des Sphäroids einherzugehen, wie eine Studie von Matthew J. Page vom University College London und seinen Mitarbeitern zeigte. In der Submillimeter-Strahlung von fernen aktiven Galaxien fanden die Forscher Anzeichen dafür, dass sich die zentralen Schwarzen Löcher aus denselben Gasmassen „ernähren”, aus denen in einiger Entfernung auch viele neue Sterne entstehen. Dass schwarze Löcher bereits in vielen Urgalaxien präsent sind, bezeugen auch Radio- und Röntgenaufnahmen. Michael Garrett vom Joint Institute for VLBI in Europe im niederländischen Dwingeloo und sein Team haben mit Hilfe des European Very Large-Baseline Interferometry (VLBI) Network – einer Zusammenschaltung zahlreicher über ganz Europa verteilter großer Radioteleskope – stundenlang ferne Radiogalaxien ins Visier genommen. Die 25000 Gigabyte Daten mussten mit einem Supercomputer ausgewertet werden und zeigten, dass der Energieausstoß verschiedener Galaxientypen hauptsächlich von ihrem Zentrum stammt. Mit Langzeit-Aufnahmen des Chandra- und des XMM-Newton-Satelliten konnten Riccardo Giacconi von der Johns Hopkins University in Baltimore, Günther Hasinger vom Max-Planck-Institut für Extraterrestrische Physik in Garching und zahlreiche andere Forscher kürzlich nachweisen, dass der bislang nicht auflösbare harte „Röntgenhintergrund” von vielen einzelnen Röntgenquellen stammt – von galaktischen Schwarzen Löchern, die Materie verschlingen. „Nun können wir auch bei diesen Energien in Zeiten zurückschauen, als die Galaxien einige Milliarden Jahre jünger waren”, freut sich Hasinger. In einer weiteren Studie entdeckten Forscher um Amy Barger von der University of Hawaii, Manoa, mit Chandra 20 neue hochenergetische Röntgenquellen in einem kleinen Himmelsareal, das bei früheren Beobachtungen „leer” erschienen war. Weitere Aufnahmen im sichtbaren Licht zeigten dort ein paar hundert Galaxien. Bargers Schlussfolgerung: Auch heute noch sind rund zehn Prozent aller zentralen Schwarzen Löcher aktiv – das heißt, sie haben genügend „Futter” in ihrer Umgebung –, wenn auch weit unterhalb der Leuchtkraft der Quasare. Viel spricht also dafür, dass die Entwicklung der supermassereichen Schwarzen Löcher mit denen der Galaxien zusammenhängt. „Die Entstehung der Schwarzen Löcher und die Galaxienbildung war in engem Wechselspiel”, sagt Bender. Doch was ist der genaue Ursprung der Schwarzen Löcher? Wurde der Kollaps riesiger Urgaswolken nach dem Urknall, aus denen sich die ersten Galaxien verdichtet haben, durch Schwarze Löcher ausgelöst, die dabei größer und größer wurden? Oder konnten sich die Protogalaxien ohne solche finsteren Keime bilden, und die Schwarzen Löcher entstanden erst später aus den zentralen Gaswolken und Sternhaufen in den jungen Galaxien? Das ist ein typisches Henne-Ei-Problem – was war zuerst da? Entsprechend unversöhnlich stehen sich zwei Szenarien gegenüber: Nach dem „ Inside-out”-Szenario gab es ein Schwarzes Loch schon, bevor sich die zugehörige Galaxie mit den ersten Sternen ringsum formierte. Galaxien wären also von innen nach außen entstanden und Schwarze Löcher regelrechte Geburtshelfer. Nach dem „Outside-in”-Szenario bildete sich das Schwarze Loch erst sekundär im Mittelpunkt der jungen Galaxie, als immer mehr Materie ins Zentrum strömte. Galaxien hätten sich also von außen nach innen formiert, und die Schwarzen Löcher wären gleichsam Abfallprodukte. Noch ist die jahrelange Kontroverse über diese Fragen nicht vollends entschieden, zumal auch kompliziertere Entwicklungsverläufe denkbar sind. Denn selbst Schwarze Löcher, die aus dem Kollaps eines einzelnen sterbenden Sterns hervorgingen, könnten zu Objekten von der Masse einiger Millionen Sonnen herangewachsen sein, wenn genügend Materie vorhanden war. Wolfgang Duschl hat mit Modellrechnungen schon 1988 gezeigt, dass das Alter des Universums für eine solche allmähliche Akkretion ausreicht. „Dazu ist ein Massenzufluss von nur einer tausendstel Sonnenmasse pro Jahr nötig”, schätzt der Physiker von der Universität Heidelberg. „Schwarze Löcher können im Lauf der Zeit also regelrecht angespart werden.” Doch selbst dies reicht wohl nicht aus, um supermassereiche Schwarze Löcher mit einer Milliarde Sonnenmassen anzuhäufen.
Die Waagschale neigt sich mehr und mehr in Richtung „ Inside-out”-Szenario. Denn würden die Sterne erst ins Zentrum der Protogalaxien wandern, um das Schwarze Loch zu erschaffen, müsste das sehr schnell gehen. Doch die Hubble-Aufnahmen lassen vermuten, dass die zentralen Sternhaufen in den jungen Galaxien nicht dicht genug sind. Douglas Richstone favorisiert deshalb das „Inside-out”-Szenario. Dafür spreche auch, dass in gravitativen Systemen die dichtesten Objekte normalerweise zuerst entstünden. Und dass die Quasare – die ja von Schwarzen Löchern gefüttert werden – in sehr großen Distanzen häufiger zu sein scheinen als Galaxien. Die ersten Quasare erstrahlten bereits eine Milliarde Jahre nach dem Urknall oder früher. Für das „Inside-out”-Szenario spricht auch die vom Nuker-Team entdeckte 0,2-Prozent-Regel: Nach allem Anschein entstehen größere Galaxien aus der Kollision vieler kleinerer (bild der wissenschaft 5/2001, „Die kannibalische Milchstraße”). Dabei müssen sich auch die zentralen Schwarzen Löcher einander nähern. Schließlich verschmelzen sie miteinander und erschaffen somit ein proportional größeres Schwarzes Loch, was den 0,2-Prozent-Masseanteil aufrecht erhält. Solche kosmischen Karambolagen wollen Physiker demnächst mit Gravitationswellen-Detektoren aufspüren (bild der wissenschaft 10/1999, „Die Schwingungen der Raumzeit”). „Aber es ist nicht einfach für ein Schwarzes Loch, sehr schnell sehr stark zu wachsen”, sagt John Kormendy von der University of Texas, ein Pionier bei der Suche nach Schwarzen Löchern und Mitglied des Nuker-Teams. Die Energie bei der Akkretion erzeugt einen „Wind”, der Umgebungsmaterial wegbläst und die Bildung der galaktischen Scheibe verhindern könnte. Das würde die Galaxienbildung beeinträchtigen. „Doch vielleicht gab es sehr große Schwarze Löcher schon von Anfang an”, überlegt Kormendy. Dafür spricht eine Theorie, die Alan Guth vom Massachusetts Institute of Technology und Lisa Randall von der Princeton University entwickelt und „Supranaturale Inflation” genannt haben. Danach sind innerhalb von Sekundenbruchteilen nach dem Urknall, als sich der Weltraum extrem schnell aufblähte, so starke Dichtefluktuationen entstanden, dass die größten Materieverdichtungen binnen einer Dekade zu primordialen Schwarzen Löchern kollabiert sind. „Diese Schwarzen Löcher könnten Keimzellen für die Galaxienbildung gewesen sein”, sagt Guth. Er hofft darauf, dass sich bald ihre „Abdrücke” in Form von wärmeren Flecken in der Kosmischen Hintergrundstrahlung aufspüren lassen, dem Restrauschen vom Feuerballstadium des Urknalls. Die Messempfindlichkeit der Satelliten MAP (seit 2001 im All) oder Planck (Start 2007) könnte dafür ausreichen (bild der wissenschaft 6/2001, „Die Lauschposten”). Ralf Bender will sich noch nicht auf ein bestimmtes Entstehungsszenario festlegen, sondern setzt auf weitere Beobachtungen. Irdische Teleskope mit besseren Techniken – insbesondere der adaptiven Optik, die das Flimmern der Luft durch rasche Spiegel-Veränderungen ausgleichen können – und neue Weltraumobservatorien sollen noch tiefer in die kosmische Urzeit vorstoßen. Mit dem geplanten XEUS-Röntgenteleskop und dem Next Generation Space Telescope wollen die Forscher in einigen Jahren sehen, ob sich Quasare vor oder nach den ersten Sternen gebildet haben und wie der Wachstumsprozess der Schwarzen Löcher im Einzelnen aussah. Dem Nuker-Team wird die Arbeit also noch lange nicht ausgehen.
Kompakt
Wahrscheinlich durchliefen alle großen Galaxien einst ein feuriges Stadium mit heftigen Energieausbrüchen. Ursache war Materie, die in ihr zentrales Schwarzes Loch stürzte. Die ersten Schwarzen Löcher könnten sich schon kurz nach dem Urknall geformt haben und Keime für die Galaxienbildung gewesen sein. Die Entwicklung der Galaxien und ihrer Schwarzen Löcher verlief jedenfalls in engem Zusammenhang.
Die Wichtigsten Fakten auf einen Blick
Der Name „Schwarzes Loch” wurde 1967 von dem amerikanischen Physiker John Archibald Wheeler erfunden. Davor sprachen Astronomen auch von „gefrorenen Sternen”, weil die Zeit am Rand eines Schwarzen Lochs für ferne äußere Beobachter scheinbar stehen bleibt. Die Idee ist viel älter. Schon 1783 hat der britische Pfarrer John Michell über „dunkle Sterne” spekuliert, die so massereich sind, dass ihre Entweichgeschwindigkeit der des Lichts entspricht und somit nicht einmal Licht ihrem Gravitationsfeld entkommen kann. 1795 kam der französische Mathematiker Pierre Simon Laplace auf dieselbe Idee. Aber erst 1939 konnten Robert Oppenheimer, der spätere Vater der Atombombe, Robert Serber und Georg Volkoff beweisen, dass es beim Kollaps eines massiven Sterns kein Halten mehr gibt: Bei über 1,5 bis 3 Sonnenmassen ist die Entstehung eines Schwarzen Lochs unvermeidlich.
Die Typen Schwarzer Löcher
Stellare Schwarze Löcher sind die kollabierten Kerne ausgebrannter Sterne und haben eine Masse von zirka 3 bis 20 Sonnenmassen. Mittelgroße Schwarze Löcher (meist 100 bis 10000 Sonnenmassen) entstehen durch Wachstum und Verschmelzung stellarer Schwarzer Löcher. Galaktische oder supermassereiche Schwarze Löcher (1 Million bis über 1 Milliarde Sonnenmassen) befinden sich im Zentrum von Galaxien. Ob es primordiale Schwarze Löcher gibt, die kurz nach dem Urknall aus lokalen Materie-Verdichtungen entstanden sein könnten, ist unklar. Wenn Schwarze Minilöcher oder stabile Reste verdampfter Schwarzer Löcher existieren, wären sie ein neuer Typ von Elementarteilchen.
Die Akkretionsscheibe um ein Schwarzes Loch besteht aus Materie – von interstellarem Gas- und Staubwolken oder Teilen eines eng benachbarten Sterns –, die allmählich auf spiralförmigen Bahnen in die Schwerkraftfalle stürzt. Dabei können bis zu 10 Prozent der aufgesaugten Masse gemäß E = mc2 in Energie umgewandelt werden.
Die Eigenschaften Schwarzer Löcher sind rasch aufgezählt. Sie besitzen Masse, Drehimpuls und Ladung. Jenseits einer Obergrenze für den Drehimpuls würde das Schwarze Loch zerrissen. Seine Rotationsenergie kann bis zu einem Drittel der Gesamtenergie ausmachen.
Die Grösse eines nichtrotierenden Schwarzen Lochs begrenzt der Schwarzschild-Radius Rs, den der Münchner Astronom Karl Schwarzschild schon 1916 aus Albert Einsteins Feldgleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie herleitete: Rs = 2 G M / c2. G ist die Gravitationskonstante (6,672 ·10-11 m3 / kg s2), c die Lichtgeschwindigkeit (300000 km/s) und M die Masse des Schwarzen Lochs. Würde die Masse der Sonne zu einem Schwarzen Loch verdichtet, hätte dieses einen Schwarzschild-Radius von drei Kilometern. Schwarze Löcher mit x Sonnenmassen haben einen Halbmesser von rund 3x Kilometern. Der Radius des Schwarzen Lochs im Galaktischen Zentrum beträgt rund 9 Millionen Kilometer – mehr als das Zehnfache von dem der Sonne. Die supermassereichen Schwarzen Löcher können so groß wie die Mars- oder Jupiterbahn sein. Würde unsere Erde zu einem Schwarzen Loch zusammengepresst, hätte sie einen Schwarzschild-Radius von nur 0,9 Zentimetern.
Der Ereignishorizont ist keine feste Oberfläche, sondern der mathematisch definierte Außenrand eines Schwarzen Lochs – ein Ort ohne Wiederkehr: Alles, was ihn überschreitet, kann nicht mehr zurück. Selbst Licht und andere Strahlung bleiben für immer hinter der Schwerkraftgrenze gefangen.
Die engste Stabile Umlaufbahn um ein statisches Schwarzes Loch hat eine Distanz von 3 Rs vom Ereignishorizont. Bei einem rotierenden Schwarzen Loch beträgt der Abstand mindestens 0,5 Rs. Ein sorgfältig ausgerichteter Lichtstrahl könnte ein Schwarzes Loch im Abstand von 1,5 Rs ewig umkreisen. Der Gravitationsradius RG markiert bei einem rotierenden Schwarzen Loch die Grenze ohne Wiederkehr. Es gilt: RG = 1/2 Rs = GM/c2. Unabhängig davon, ob das Schwarze Loch rotiert oder nicht, hat der „Schatten” des Ereignishorizonts für einen entfernten Beobachter einen Durchmesser von ungefähr 10 RG.
Die Gezeitenkräfte um ein Schwarzes Loch ziehen alles bis zum Zerreißen in die Länge. Nur wenn es einige tausend Sonnenmassen umfassen würde, ließe sich der Ereignishorizont unversehrt passieren. Die Gezeitenkraft ∆a, die sich durch die unterschiedliche Schwerebeschleunigung an zwei Punkten im Abstand L äußert (etwa an Kopf und Füßen eines Raumfahrers), beträgt ∆a = 16π 3G (M/U) L. U ist der Umfang der Umlaufbahn. Entspricht er dem Umfang Uh des Ereignishorizonts (Uh = 4π G M/c2), ist ∆a proportional zu 1/M2. Die Beschleunigung a im Abstand U über dem Ereignishorizont beträgt a = 4π 2G (M/U2) (1/ 1–U/Uh).
Die Singularität im Zentrum eines Schwarzen Lochs ist der Platzhalter unseres Nichtwissens. Hier brechen alle bekannten Gesetze zusammen. Temperatur und Dichte streben gegen unendlich, Raum und Zeit gegen null. Die Singularität ist ein mathematisches Artefakt. Was ihr in der Realität entspricht, weiß niemand. Bei rotierenden Schwarzen Löchern ist die Singularität ringförmig, sonst punktförmig.
Das „Verdampfen” Schwarzer Löcher wurde 1974 von Stephen Hawking erkannt. Ein Schwarzes Loch von der Größe eines Protons (10-13 Zentimeter), das etwa so viel wiegt wie der Mount Everest (1 Milliarde Tonnen), löst sich in etwa 10 Milliarden Jahren in Strahlung auf, ein stellares in etwa 1066 und ein galaktisches in 10100 bis 10117 Jahren. Schätzungsweise 81 Prozent der Energie entweicht in Form von Neutrinos, 17 Prozent als Gammastrahlung und 2 Prozent als Gravitonen; außerdem bilden sich Elektronen, Positronen und auch schwerere Teilchen.
Die Temperatur eines Schwarzen Lochs ist: T = h c3/ 8π K G M. Dabei bezeichnet c die Lichtgeschwindigkeit, h das Plancksche Wirkungsquantum, G Newtons Gravitationskonstante, K die Boltzmann-‘sche Konstante und M die Masse des Schwarzen Lochs. Je massereicher ein Schwarzes Loch also ist, desto geringer ist seine Temperatur. Ein Schwarzes Loch von einigen Sonnenmassen ist nicht einmal ein Millionstel Grad wärmer als der absolute Nullpunkt (–273,15 Grad Celsius). Die Entropie eines Schwarzen Lochs, ein Maß für die Unordnung, hängt von seiner Oberfläche A ab: S = A K c 3/4 h G. Schwarze Löcher haben die größte Entropie aller bekannten physikalischen Systeme.
„Schwarze Löcher erklären unsere Beobachtungsdaten am besten” bdw: Sie haben an der Universität Heidelberg über elliptische Galaxien promoviert und 1991 über Zwerggalaxien habilitiert. Wie kamen Sie darauf, ausgerechnet Schwarze Löcher zu erforschen? Bender: Die Bildung Schwarzer Löcher und der Zusammenhang mit der Galaxienstruktur ist grundlegend für das Verständnis der Galaxienentstehung. Dies hat mich von Anfang an interessiert und tut es immer noch. Bei der Auswahl eines Arbeitsschwerpunkts ist aber nicht nur das Interesse ausschlaggebend, sondern auch die eigene Expertise. Ich besaß das richtige Handwerkszeug, um in die Suche nach Schwarzen Löchern einzusteigen. bdw: Und wie stießen Sie zum Nuker-Team, das ursprünglich nur aus US-amerikanischen Astronomen bestand? Bender: Bis Anfang der neunziger Jahre war das Nuker-Team hauptsächlich auf Bild- und Morphologie-Analyse der Galaxienzentren ausgerichtet. Als das Weltraumteleskop dann mit spektroskopischen Untersuchungen begann, wurde ich eingeladen, Mitglied zu werden. Der Grund war, dass ich Ende der achtziger Jahre als einer der Ersten eine hochspezialisierte Methode entwickelt hatte, um die maximale Information über die Geschwindigkeitsverteilung der Sterne aus den Spektren zu gewinnen. Diese Methode war eine Voraussetzung, um die Masse der Schwarzen Löcher verlässlich ableiten zu können. bdw: Was sind die Grundfragen Ihrer Forschung? Bender: Wie entstanden die verschiedenen Galaxientypen und größere Ansammlungen davon? Wie hängen Galaxienbildung und Wachstum der Schwarzen Löcher zusammen? bdw: Wie sicher ist der Nachweis galaktischer Schwarzer Löcher? Gibt es andere Möglichkeiten, Ihre Beobachtungen zu deuten? Bender: Alternative Erklärungen für die dunkle Masse in Galaxienzentren sind kompakte Haufen aus Braunen Zwergen, Neutronensternen, Weißen Zwergen oder kleinen Schwarzen Löchern. Im Fall unserer Milchstraße und der Galaxie NGC 4258 sind die Randbedingungen für die Größe solcher Haufen aber so speziell, dass diese Haufen sogar unter den günstigsten Annahmen nur eine relative kurze Zeit überleben könnten. Braune Zwerge würden kollidieren und verschmelzen und leuchtende Sterne bilden. Haufen aus Sternleichen würden sich auflösen. In allen anderen Galaxien können solche Alternativ-Erklärungen noch nicht ausgeschlossen werden. Doch sie sind unplausibel, da man nicht weiß, wie sich so kompakte Haufen aus Sternleichen bilden könnten. Die Existenz supermassereicher Schwarzer Löcher ist also die beste Erklärung für unsere Beobachtungsdaten.
Rüdiger Vaas
