Im Schlund der Raumzeit

Schwarze Löcher wuchsen schon im frühen Universum zu riesigen Schwerkraftfallen heran. Astrophysiker enträtseln eine wichtige Station der kosmischen Evolution. „Die Sterne – kurzlebig wie Gras den Sternennebeln entsprossen, / vertrocknet, wenn der Zenit überschritten, / gleiten sie in Spiralen blindlings durch den Raum, / schwarze Samenkörner, in die Zukunft gestreut”, heißt es in „The Treasure” des amerikanischen Dichters Robinson Jeffers. Was er um 1920 schrieb, ist heute die unpoetische Beschäftigung vieler Hundert Astronomen und Physiker. Ihre „schwarzen Samenkörner” verloschener Sterne, die blindlings durch den Raum gleiten, bevölkern zu Hunderttausenden die Milchstraße und andere Sterneninseln. Buchstäblich schwerer wiegt die Entdeckung der letzten Jahre, dass der Großteil oder sogar alle diese Galaxien auch ein dunkles Herz haben – ein finsteres Ungetüm mit der Masse von wenigen Millionen bis einigen Milliarden Sonnen. „Sah man es vor vielleicht 20 Jahren noch als etwas Besonderes an, ein Schwarzes Loch im Zentrum einer Galaxie zu finden, so hat sich die Situation inzwischen praktisch umgekehrt: Heute wundert man sich, wenn man im Zentrum einer Galaxie kein solches – vormals exotisches – Gebilde finden kann”, fasst es der Astrophysiker Wolfgang Duschl, Professor an der Universität Heidelberg, zusammen. Doch wie sind die „schwarzen Samenkörner” gewachsen? Und waren sie womöglich die Keime der Galaxienbildung? Diese Fragen stehen im Brennpunkt der modernen Astronomie. Für erhellende Einsichten in die Natur der düsteren Schwerkraftfallen sorgte eine einwöchige internationale Konferenz speziell zu diesem Thema, die die Europäische Südsternwarte und die Max-Planck-Institute (MPI) für Astrophysik und für Extraterrestrische Physik im Juni 2004 in Garching bei München veranstalteten. Erstmals zeichnet sich ein klares Bild der Evolution des Universums vom Urknall bis zur Gegenwart ab – und massereiche Schwarze Löcher spielen dabei eine Schlüsselrolle. Ihren Namen haben die Schwarzen Löcher erst 1967 erhalten. Doch die Idee reicht viel weiter zurück: 1783 hatte der englische Pfarrer und Geologe John Michell, der Begründer der Seismologie, bei der Royal Society in London seine Hypothese von Dunklen Sternen vorgetragen, deren Schwerkraft so groß sei, dass ihnen nicht einmal Licht entkommen könne – sie wären also nur indirekt durch ihre Gravitationswirkung nachzuweisen. Der französische Mathematiker und Astronom Pierre Laplace publizierte 1795 ähnliche Überlegungen. Aber erst mit Albert Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie war das theoretische Fundament für die Dunklen Sterne gelegt: 1916 fand der Münchner Physiker Karl Schwarzschild die erste und einfachste Lösung von Einsteins Feldgleichungen, die – wie erst viel später erkannt wurde – ein Schwarzes Loch beschreibt. Dass solche Schwerkraftfallen ein unvermeidliches Entwicklungsprodukt alter, ausgebrannter massereicher Sterne sind, hat J. Robert Oppenheimer – der spätere „Vater” der Atombombe – 1939 mit Hartland Snyder und George Volkoff berechnet. Sehr zum Missfallen von Einstein übrigens, der solche Objekte für unphysikalisch hielt. Dass diese Sternruinen nicht das Fantasieprodukt findiger Schreibtischdenker sind, sondern wirklich im Weltraum vorkommen, zeichnete sich freilich erst in den siebziger Jahren ab. Ein paar Dutzend stellare Schwarze Löcher – mit Massen von 3 bis etwa 15 Sonnenmassen – haben Astronomen inzwischen in der Milchstraße und einigen benachbarten Galaxien aufgespürt. Doch sie sind wahre Leichtgewichte im Vergleich zu den Dickwänsten in den galaktischen Zentren. Auch deren Entdeckung geht auf das Konto der Theoretiker. Anfang der sechziger Jahre haben Astronomen – zunächst im Radiowellen-Bereich – rätselhafte Strahlungsquellen aufgespürt, die Quasare. Ihre Strahlungsaktivität variiert teilweise im Bereich von Stunden oder Tagen. Das bedeutet, dass ihre Energie von einer Region nicht größer als unser Sonnensystem stammt. Doch sie sind Milliarden Lichtjahre entfernt und müssen deshalb bis zur tausendfachen Leuchtkraft der gesamten Milchstraße haben. Inzwischen ist bekannt, dass Quasare die ultrahellen Zentren von – in der Regel jungen – Galaxien sind. Um sich eine ungefähre Vorstellung dieser Energiemonster zu machen, hilft folgende Analogie: Wenn die Stadt Berlin eine Galaxie wäre, dann entspräche ein Quasar einem Staubkorn auf dem Brandenburger Tor – das aber tausendmal so hell strahlen würde wie die gesamte Metropole mit all ihren Straßenlampen, Autoscheinwerfern und Leuchtreklamen. Um diese Strahlungsorgie der Quasare zu erklären, haben Yakov Zel’dovich und Edwin Salpeter 1964 unabhängig voneinander supermassereiche Schwarze Löcher bemüht. Ihre Überlegung: Gas, Staub oder zerrissene Sterne, die in diese Raumzeit-Abgründe gesaugt werden, müssen gleichsam einen Todesschrei ausstoßen, bevor sie auf Nimmerwiedersehen verschwinden. Denn die Materie kann nicht direkt in den finsteren Mahlstrom stürzen, sondern sammelt sich zunächst in einer rotierenden Scheibe um den Schlund an und wird allmählich hinein spiralisiert. Für dieses Einstrudeln ist letztlich die Reibung der Materie in dieser so genannten Akkretionsscheibe verantwortlich. Dadurch wird Drehimpuls abgeben, sonst blieben die Umlaufbahnen der Partikel stabil. Bei diesen turbulenten, Millionen Grad heißen Prozessen wird enorm viel Energie frei. Tatsächlich gibt es – außer der Materie-Antimaterie-Vernichtung – keinen effektiveren, nachhaltigeren Mechanismus zur Energieerzeugung als den Materie-Einsturz in Schwarze Löcher. Roger Blandford, Astrophysik-Professor an der kalifornischen Stanford University, scherzt deshalb mit Blick auf die perfekte Energie-Ökologie: „ Schwarze Löcher sind ‚grün‘.” Berechnungen haben gezeigt, dass schon der Einsturz weniger Sonnenmassen an Gas pro Jahr ausreicht, um die Aktivität der Quasare zu erklären. Was vor 40 Jahren ein exotisches und sehr umstrittenes Modell war, hat sich inzwischen zu einer Standarderklärung gemausert. Sie gilt auch für die enormen Energieausbrüche von Radiogalaxien und so genannten aktiven Galaxien (bild der wissenschaft 10/2001, „Ordnung im extragalaktischen Zoo”). Alle anderen Erklärungsversuche sind widerlegt oder erfordern unplausible und viel exotischere Annahmen. Wenn dieses Standard-Szenario richtig ist, dann müssten noch heute in den Galaxienzentren supermassereiche Schwarze Löcher hausen, die allerdings fasten. Denn im Gegensatz zu Quasaren und aktiven Galaxien leuchten die Zentralregionen der normalen Galaxien nur moderat. Die Energiemaschinerie dort ruht also oder ist lahm gelegt, weil das Schwarze Loch den größten Teil des Nahrungsvorrats in seiner Umgebung bereits verschlungen hat. Die neuesten Messungen bestätigen diese Vorstellung. So macht beispielsweise das Schwarze Loch im Zentrum der Milchstraße zur Zeit eine regelrechte Fastenkur durch, weil die nächste Mahlzeit noch eine Weile auf sich warten lässt. Zwar kann niemand die supermassereichen Schwarzen Löcher sehen. Aber sie verraten sich über ihre Schwerkraft – ganz wie Michell und Laplace mutmaßten – und lassen sich daher anhand der Bewegungen von Sternen und Gas in den Zentralgebieten der Galaxien indirekt nachweisen. Auch Maser (natürliche Mikrowellen-„ Laser”-Strahlung) und bestimmte Spektraleigenschaften des Lichts ermöglichen die Jagd auf die großen Schwarzen Löcher. Noch vor zehn Jahren galten sämtliche Messmethoden als zweifelhaft. Heute sind sie akzeptiert und etabliert. „Damals sah man den Nachweis Schwarzer Löcher wesentlich kritischer als heute. Doch die Verbesserung der Messmethoden und die eindeutige Entdeckung von Schwarzen Löchern in einigen nahen Galaxien haben die meisten Skeptiker mittlerweile überzeugt”, sagt Ralf Bender, Professor an der Sternwarte der Universität München und Direktor am MPI für Extraterrestrische Physik in Garching. Rund 50 supermassereiche Schwarze Löcher haben er und seine Kollegen gefunden und „gewogen” – und zwar bestenfalls auf den Faktor zwei bis drei genau, bei unsichereren Kanidaten immerhin auf den Faktor fünf. Die Massen der zentralen Ungetüme in weiter entfernten Galaxien – und erst recht in den Quasaren, von denen mittlerweile Zehntausende in Distanzen von teilweise über 13 Milliarden Lichtjahre bekannt sind – lassen sich freilich selbst mit den besten Teleskopen nicht mehr auf diese Weise bestimmen. Aber auch hier geben Leuchtkraft-Messungen der Quasare inzwischen ein recht detailliertes Bild. Bis zu 1000 Sonnenmassen pro Jahr müssen sich die Schwarzen Löcher der Quasare einverleibt haben, um die beobachtete Helligkeit zu erzeugen. Das bedeutet, dass Quasare nicht über lange Zeiträume aktiv bleiben konnten, denn das Futter für ihren unersättlichen Hunger ist begrenzt. Inzwischen haben die Astrophysiker genug Daten, um die Quasar-Aktivität im Verlauf der kosmischen Evolution abschätzen zu können. Die Phasen großer Leuchtkraft dauerten nur etwa 10 bis 100 Millionen Jahre lang – kosmisch gesehen also eher kurze Zeit, resümierte Guinevere Kauffmann vom MPI für Astrophysik auf der Garchinger Konferenz „ Growing Black Holes 2004″. Dort trafen sich 200 Experten, um die großen Fragen der kosmischen Evolution zu diskutieren. Rashid Sunyaev vom MPI für Extraterrestrische Physik, einer der Pioniere auf diesem Gebiet, nannte die wesentlichen gleich zu Beginn: „Was waren die typischen Lebenszeiten der Quasare? Wodurch wuchsen die Schwarzen Löcher? Waren sie Keime oder Nebenprodukte der Galaxienentstehung? Und welche Auswirkungen hatten sie auf die Bildung der kosmischen Strukturen?” Die erste Frage ist durch die Forschungen von Kauffmann und anderen bereits recht gut beantwortet. Auch besteht kein Zweifel mehr, dass die Galaxienentwicklung eng mit dem Wachstum der supermassereichen Schwarzen Löcher verbunden ist. Je größer die Masse der zentralen Materiekonglomerate, desto größer ist auch die Masse der galaktischen Sphäroide und desto größer war die Sternentstehungsrate. Sphäroid oder Bulge (englisch: „Bauch, Buckel”) wird die große ellipsoide Ansammlung aus Sternen genannt, die die Galaxienzentren umhüllen. Bei elliptischen Galaxien ist der Bulge praktisch die ganze Galaxie, bei Spiralgalaxien das innere Viertel, aus dem die Spiralarme herausragen. Die Masse des Schwarzen Lochs beträgt 0,1 bis 0,2 Prozent der Masse des Sphäroids. Je massereicher also eine Galaxie ist, desto größer ist auch die Masse ihres zentralen Schwarzen Lochs. Diese Korrelation hat einigen Beobachtungen zufolge wohl nicht immer gegolten, kennzeichnet aber einen beträchtlichen Abschnitt des galaktischen Lebenswegs. Aus ihr können Astronomen dann im Umkehrschluss die Massenzunahme der Schwarzen Löcher abschätzen. „Die Bildung und Entwicklung der Sphäroide und das Wachstum der Schwarzen Löcher hingen eng miteinander zusammen”, fasst Kauffmann zahlreiche Studien zusammen. „Und beides hat sich gemeinsam verlangsamt. Die massereichsten Schwarzen Löcher sind bereits im frühen Universum entstanden.” Dies ist eine verblüffende Entdeckung, die sich inzwischen gut belegen lässt. Eigentlich, so wäre zu vermuten, sollten die größten Schwarzen Löcher auch die jüngsten sein und somit nicht in Milliarden Lichtjahre messenen Distanzen, sondern in unserer kosmischen Nachbarschaft zu finden sein. Denn die jüngsten Schwerkraftfallen hatten seit dem Urknall die meiste Zeit, sich Materie einzuverleiben – sprich: die längste Wachstumsperiode. Doch die Natur tickt anders. Im Umkreis einiger Dutzend Millionen Lichtjahre haben die meisten Schwarzen Löcher nur ein Zehntel bis ein Tausendstel der Masse vieler Energiemonster aus der Frühphase des Kosmos. Schon eine Jahrmilliarde nach dem Urknall hat es Quasare gegeben, deren Leuchtkraft auf ein Schwarzes Loch mit über einer Milliarde Sonnenmassen schließen lässt. Das nächst gelegene supermassereiche Schwarze Loch hingegen – das im Galaktischen Zentrum – bringt es nur auf etwa drei Millionen Sonnenmassen. Das kann kein reiner Beobachter-Selektionseffekt sein (hellere Quellen lassen sich auch noch in größeren Distanzen finden), zumal es in unserer kosmischen Nachbarschaft nicht viele aktive Galaxien gibt und gar keine Quasare. Wolfgang Duschl sieht einen eindeutigen Trend: „Je schwächer die Aktivität, umso später erreicht sie ihren Höhepunkt in der Entwicklung des Universums. Das mag zwar auf den ersten Blick paradox erscheinen, aber die Beobachtungen sind eindeutig.” Das alte, einfache Modell von der hierarchischen Bildung – masseärmere Schwarze Löcher überwiegen im frühen, massereiche im heutigen Universum – passt nicht mehr. Es steht gleichsam auf den Kopf. Ralf Bender spricht von einer antihierarchischen Demographie: „ Erst sind die großen Galaxien und massereichen Schwarzen Löcher entstanden und erst später die kleineren, obwohl sie mehr Zeit hatten.” Warum das so war, gehört zur Zeit zu einem besonders heißen Forschungsbereich der Kosmologie. Um die Hypothesen und Modellrechnungen zu untermauern, sind noch genauere Beobachtungen und somit leistungsfähigere Teleskope nötig. Doch immerhin ist es den Astronomen in der letzten Zeit gelungen, mit dem Hubble-Weltraumteleskop und den besten Sternwarten auf der Erde in immer tiefere – und somit ältere – Bereiche des Alls vorzustoßen (bild der wissenschaft 6/2004, „Weltrekord im Weitblick”). Hinzu kommen große Himmelsdurchmusterungen wie der Sloan Digital Sky Survey (SDSS), der gegenwärtig die Eigenschaften und Entfernungen von über einer Million Galaxien misst und bereits mehr als 50 000 Quasare im Visier hatte – wenn SDSS abgeschlossen ist, werden es rund 100 000 sein. Dieser kosmische Zensus (bild der wissenschaft 1/1999, „Inventur in Herschels Garten”) hat bereits ausreichend Daten geliefert, um statistisch verlässliche Aussagen über die Evolution des Alls zu machen. Wolfgang Duschl, der auch Geschäftsführer des Sonderforschungsbereichs „Galaxien im jungen Universum” in Heidelberg ist, skizziert die Entwicklung im frühen Universum folgendermaßen: Die Protogalaxien – noch unförmige Vorläufer der prächtigen Spiralen und Ellipsen heute – begannen sich schon einige Hundert Millionen Jahre nach dem Urknall aus lokalen Verdichtungen im Urgas zu bilden. Die ersten waren wohl besonders massereich. Auch standen die Urgalaxien dichter beisammen. Es kam immer wieder zu engen Vorbeiflügen, zu Kollisionen und sogar völligen Verschmelzungen. Bei diesen gravitativen Wechselwirkungen wurde auch rasch – das heißt binnen 100 bis 200 Millionen Jahren – ein großer Teil des vorhandenen Gases ins Zentrum der entstehenden Galaxien getrieben. Dort sammelte es sich aufgrund des Gravitationspotenzials und infolge von Reibungsprozessen an. Ob sich erst dann ein zentrales Schwarzes Loch bildete oder bereits eines vorhanden war – oder mehrere, alsbald verschmelzende –, ist noch umstritten. Jedenfalls hielt der Nachschub an Futter für die hungrigen Raumzeit-Schlünde an, so lange es zu Galaxien-Wechselwirkungen kam, deren Gezeitenkräfte das interstellare und intergalaktische Gas auf Touren brachte. Außerdem verlief die Akkretion umso effizienter, je mehr Materie zur Verfügung stand – ein sich selbst verstärkender Prozess. Auf diese Weise lässt sich das energetische Feuerwerk der Quasare und aktiven Galaxien am besten erklären – aber auch sein Ende. „Der Drehimpuls- und Masse-Transport geht umso effektiver vor sich, je stärker das Gravitationsfeld der Scheibe ist. Das ist eine Eigenschaft des Viskositäts-Koeffizienten, die wir vor wenigen Jahren gefunden haben”, erläutert Duschl. (Die Viskosität beschreibt die innere Reibung der Scheibenmaterie.) „Und diese Eigenschaft führt genau zu dem sich selbst verstärkenden – oder, wenn die Materie zur Neige geht, sich selbst abwürgenden – Prozess.” Dafür spricht auch, dass sich diese Beschreibung genauso auf massearme Gasscheiben anwenden lässt – wie sie etwa bei engen Doppelsternen vorkommen – und die dort gemessenen Viskositäten perfekt wiedergibt. Es ist also keine neu erfundene Viskosität, sondern die Verallgemeinerung dessen, was man schon wusste, auf massereiche Scheiben. „Je weiter sich das Universum ausdehnte, umso seltener wurden Volltreffer, die Galaxien miteinander verschmelzen ließen. Immer häufiger kam es nur noch zu Vorbeiflügen, bei denen sich die Galaxien zwar auch beeinflusst haben, aber weniger Materie ins Zentrum getrieben wurde. Je größer und älter das Universum wurde, umso seltener waren auch die nahen Vorbeiflüge”, beschreibt Duschl die weitere Vorgänge. „Aufgrund dieser kosmischen Evolution entstanden im frühen Universum mehr Galaxien mit starken Gaskonzentrationen in deren Zentren. Und je länger sich das Universum entwickelte, umso weniger konzentriert waren die Gasansammlungen in den Zentren.” Dieses Szenario ist nicht nur eine schlüssige Beschreibung. Duschl und andere haben es auch mit Computersimulationen untermauert. Dabei wird insbesondere die Akkretion in den zentralen Gasscheiben modelliert, die sich einige Hundert Lichtjahre um das Schwarze Loch aufstauen und bis zu zehn Milliarden Sonnenmassen enthalten können. „Schwarze Löcher können bei der Verschmelzung gasreicher Protogalaxien innerhalb von wenigen Hundert Millionen Jahren eine Milliarde Sonnenmassen erreichen, und die Lebenszeit der Quasare ist auf diesen Zeitraum beschränkt”, erläuterte Duschl die Ergebnisse seiner Rechnungen in Garching. „Verschiedene Scheibenmassen und -größen führen zu unterschiedlichen Akkretionsraten und -spitzenzeiten, wobei die höchsten am frühesten auftreten. Galaxien-Wechselwirkungen ermöglichen also eine rasche Bildung supermassereicher Schwarzer Löcher im frühen Universum – und ebenso, dass die höchsten Quasar-Aktivitäten in der kosmischen Evolution zuerst kamen.” Duschl fasst die antihierarchische Entwicklung so zusammen: „ Die massereichsten Schwarzen Löcher sind überwiegend aufgrund und als Folge der vehementen Galaxienverschmelzungen im jungen Universum herangewachsen, weil dort schon sehr früh sehr viel Material zur Verfügung stand, das noch dazu sehr effektiv akkretiert werden konnte. Je älter das Universum wurde, desto seltener kam es zu diesen großen Verschmelzungen. Die mehr oder weniger nahen Vorbeiflüge haben zu einem kleineren Masse-Reservoir geführt, das noch dazu schlechter von den Schwarzen Löchern aufgesaugt werden konnte. So entwickelten sich Schwarze Löcher mit immer kleineren Massen – und bis der Materie-Vorrat in ihrer Umgebung aufgebraucht war, dauerte es auch immer länger.” Die ungefähre Untergrenze für die Massen galaktischer Schwarzer Löcher liegt bei dem Einmillionenfachen der Sonne – im Einklang mit den astronomischen Beobachtungen. Das Zeitalter der Quasare ist vorbei. Dies heißt aber nicht, dass die supermassereichen Schwarzen Löcher ewig darben werden. Immer wieder gelangt Beute in ihr gravitatives Revier. Dadurch können auch scheinbar ruhige Galaxien wieder aktiv werden. Derartiges zeichnet sich bei dem 250 Millionen Lichtjahre entfernten Sternsystem Arp 220 im Sternbild Kopf der Schlange ab, wo gerade zwei Galaxien miteinander verschmelzen. Auch die Milchstraße wird noch mindestens einen Zweiten Frühling erleben. In fünf Milliarden Jahren kollidiert sie mit dem Andromeda-Nebel. Dabei dürfte viel Gas ins zentrale Schwarze Loch getrieben werden und vorübergehend wieder einen Quasar aktivieren. Dann geht das große Fressen – oder Gefressenwerden – womöglich erst richtig los. Denn im Andromeda-Nebel sitzt ebenfalls ein Schwarzes Loch – mit knapp 100 Millionen Sonnenmassen mehr als 20-mal so massereich. Vermutlich werden sich die beiden dunklen Herzen finden, gravitätisch umeinander tanzen – „in Spiralen blindlings durch den Raum” gleitend, wie Robinson Jeffers es sich ausmalte – und in einem furiosen Akt miteinander verschmelzen. ■ Rüdiger Vaas Ohne Titel • Supermassereiche Schwarze Löcher, die zentralen Energiequellen von Quasaren und aktiven Galaxien, entstanden bereits ein bis zwei Milliarden Jahre nach dem Urknall. • Überraschenderweise haben sich die größten Schwarzen Löcher zuerst entwickelt. • Gas ist die Hauptnahrungsquelle Schwarzer Löcher – verschlungene Sterne und die Verschmelzung mit anderen Schwarzen Löchern fallen kaum ins Gewicht. COMMUNITY Lesen Titelgeschichte bild der wissenschaft 2/1998, „Im Sog der Schwarzen Löcher” Titelgeschichte bild der wissenschaft 7/2000: „Die Magie der Schwarzen Löcher” Titelgeschichte bild der wissenschaft 9/2002: „Schwarze Löcher – Die Monster im All” Internet Einführung in die Physik und Astronomie Schwarzer Löcher: www.lsw.uni-heidelberg.de/users/amueller/astro_sl.html Konferenz „Growing Black Holes 2004″: www.mpa-garching.mpg.de/~bh-grow/ Wolfgang Duschls Homepage: www.ita.uni-heidelberg.de/ITA/duschl.html Ralf Benders Homepage: www.usm.uni-muenchen.de/people/bender/bender.html Stephen Hawkings Homepage: www.hawking.org.uk/ Hawkings Dublin-Vortrag und Erläuterungen von John Baez: math.ucr.edu/home/baez/week207.html John Preskills Kommentar zum Wettgewinn: www.theory.caltech.edu/~preskill/jp_24jul04.html Aktuelle Diskussionen zur Stringtheorie: golem.ph.utexas.edu/string/index.shtml