Innen wird außen, gerade wird krumm – unsere Alltagserfahrung steht kopf. Die extrem konzentrierte Masse verbiegt den Raum so stark, daß die Zeit stehenbleibt. Inneres wird nach außen gekehrt, und die Grenze zwischen unserer Welt und anderen Universen verschwimmt.
Sie sprengen wie kaum etwas anderes unser Vorstellungsvermögen. Doch trotz ihrer bizarren Eigenschaften sind Schwarze Löcher für den Physiker die einfachste Sache der Welt: Mit nur drei physikalischen Kenngrößen lassen sie sich vollständig beschreiben – Masse, Ladung und Drehimpuls. Sie sind zugleich die gewichtigste Sache der Welt: Ihre Dichte ist so groß, daß nicht einmal Licht ihrem Schwerefeld zu entrinnen vermag.
Wie Albert Einstein mit seiner Allgemeinen Relativitätstheorie vorausgesagt hat, krümmt Masse den Raum. Dadurch wird der geradlinige Weg von Lichtstrahlen zu einer Massekonzentration hin gebogen. Diesen Effekt hat man im Jahr 1919 erstmals bei einer totalen Sonnenfinsternis beobachtet – ein historisches Ereignis für die moderne Physik und zugleich eine Meisterleistung in der Kunst des genauen Messens: Die Sterne werden weniger als ein tausendstel Grad abgelenkt. Wenn Lichtstrahlen an Schwarzen Löchern vorbeikommen, werden sie von den schwergewichtigen dunklen Gesellen erst recht auf die schiefe Bahn gebracht. Durch diesen Graviationslinseneffekt erscheint die Position von benachbarten Hintergrundsternen systematisch verschoben: Ferne Galaxien wirken unförmig verzerrt und heller, als sie wirklich sind. Mitunter spaltet sich ihr Licht regelrecht auf, so daß ein Beobachter mehrere Bilder desselben Hintergrundobjekts sieht oder sogar einen Ring.
Bei einem bestimmten Abstand können an einem Schwarzen Loch vorbeizielende Lichtstrahlen auf eine Kreisbahn um den kosmischen Finsterling gelangen oder in ihn hineinspiralisieren und sind dann auf ewig für den Rest der Welt verschwunden.
Außerdem haben Computersimulationen gezeigt, daß man das Leuchten einer erhitzten Gas- und Staubscheibe um ein rotierendes Schwarzes Loch sieht, das hinter dem Schwerkraft-Ungetüm ausgestrahlt wird. Der Raum ist hier so stark gekrümmt, daß man buchstäblich um die Ecke blicken kann.
In einer Computersimulation, die am “Interdisziplinären Zentrum für Wissenschaftliches Rechnen” der Universität Heidelberg erarbeitet wurde (Bilder auf Seite 79), schaut ein Beobachter zunächst in einem Winkel von 13 Grad auf eine Scheibe ohne Zentralmasse. Sie erscheint ihm wie das Ringsystem des Saturn. Im Schwerefeld eines Schwarzen Lochs von 100 Millionen Sonnenmassen verbiegt sich ihr Bild wie eine Hutkrempe. Rotieren das Schwarze Loch und die hier mit einer Milliarde Kilometer Durchmesser angenommene Scheibe, entsteht außerdem noch eine Asymmetrie.
Noch merkwürdiger wäre die Erfahrung eines Beobachters in einer ringförmigen Röhre, die um ein Schwarzes Loch gelegt ist. Bei einem bestimmten Abstand würde dem Beobachter der Tunnel nicht mehr zum Schwarzen Loch hin gebogen erscheinen, sondern schnurgerade. Noch seltsamer: Vor sich in der Röhre würde er seinen Hinterkopf sehen. Befände sich die Röhre noch näher an dem Schwarzen Loch, würde sie sogar scheinbar von diesem weggebogen. Auch die Fliehkraft würde der Beobachter dann nicht als nach außen, sondern als nach innen gerichtet erfahren. Durch das extreme Gravitationsfeld wird der Raum gleichsam von innen nach außen umgestülpt.
Die Allgemeine Relativitätstheorie lehrt also, daß “außen” und “innen” keine objektiven, absoluten Begriffe sind, sondern relative wie links und rechts beziehungsweise oben und unten – schwer mit unserem Alltagsverständnis vereinbar, gewiß, doch leichter zu begreifen als das, was passiert, wenn man einem Schwarzen Loch zu nahe kommt.
Angenommen, einen wagemutigen Raumfahrer packt die Neugier und er beschließt, einem Schwarzen Loch im Wortsinn auf den Leib zu rücken, um ihm seine Geheimnisse zu entreißen. Was würde geschehen?
Von außen betrachtet ereignet sich zunächst nichts Ungewöhnliches. Die Borduhr des Raumschiffs zeigt die gleiche Zeit an wie die Uhr der Zurückgebliebenen. Dann aber beginnt die Uhr des Raumfahrers hinter derjenigen seiner Kollegen nachzugehen.
Diese “Zeitdilatation” hat Einstein im Rahmen seiner Allgemeinen Relativitätstheorie beschrieben: Uhren in einem Schwerefeld ticken langsamer als Uhren im schwerefreien Raum. Je näher der Astronaut nun dem Ereignishorizont kommt, dem äußeren “Rand” des Schwarzen Lochs, um so länger dauert es – von außen betrachtet -, bis eine Sekunde auf seiner Borduhr verstreicht. Sobald er den Ereignishorizont erreicht, bleibt die Zeit sogar stehen.
Die zurückgebliebenen Kollegen können auch niemals beobachten, wie der Raumfahrer den Ereignishorizont überschreitet. Sein Bild friert gleichsam ein, sein Raumschiff scheint über dem Schwarzen Loch zu schweben. Die Farben werden dabei zusehends ins Rote verschoben und dämmerig, denn das Licht verliert im Kampf gegen die Schwerkraft immer mehr Energie.
Für den Astronauten stellt sich der Flug ganz anders dar. Von der Verlangsamung seiner eigenen Zeit bemerkt er nichts. Statt dessen beginnen die Uhren der Zurückgebliebenen für ihn zu rasen. Die Umgebung gewinnt eine eigentümlich verzerrte Gestalt, die Farben schillern und die Gravitation des Schwarzen Lochs zieht immer heftiger an seinem Raumschiff.
Bei einem Schwarzen Loch, das nur ein paarmal so schwer wie unsere Sonne ist, werden die Gezeitenkräfte so stark, daß der Astronaut mitsamt seinem Schiff wie Spaghetti langgezogen und wenig später zerrissen wird.
Bei großen Schwarzen Löchern, wie sie in den Zentren der Galaxien sitzen, ist die Dichte am Ereignishorizont noch so gering, daß der wagemutige Raumfahrer unbeschadet diesen “Ort ohne Wiederkehr” überqueren kann. Alles Licht des Universums schrumpft zuletzt zu einer kleinen, glitzernden Scheibe über ihm zusammen. Einige Minuten lang vermag der Raumfahrer noch das Innere des kosmischen Finsterlings zu erkunden. Für die Außenwelt wären die Entdeckungen des Todeskandidaten allerdings ohne Wert, denn seine Funksignale können das Schwerefeld des Schwarzen Lochs niemals mehr verlassen.
Was mit der Materie im Innern eines Schwarzen Lochs geschieht, wird freilich auch der tollkühne Astronaut nicht mehr erfahren: Selbst seine eigenen Atome überstehen den Sturz in das Zentrum nicht. Werden ihre Trümmer endgültig vernichtet oder kommen sie irgendwo anders wieder zum Vorschein, vielleicht sogar in einem fremden Universum?
Eine ähnliche Schwierigkeit entsteht bei der Frage, was mit der Information geschieht, die in der einstürzenden Materie steckt. Möglicherweise werden im Schwarzen Loch nämlich fundamentale Erhaltungssätze der Physik verletzt. Alle Antworten auf solche Probleme sind bisher pure Spekulation.
Schwarze Löcher für die Praxis
Die Phantasie von Science-fiction-Autoren beflügeln Schwarze Löcher seit langem: als Mittel für kühne Ausflüge in exotische Welten. Die Überlegungen der Wissenschaftler zu einem möglichen Nutzwert der Schwerkraft-Kolosse – im Einklang mit den bekannten Naturgesetzen – stehen den literarischen Spekulationen an Einfallsreichtum kaum nach.
Schwarze Löcher sind Allesfresser. In ihnen könnte man selbst die gefährlichsten Abfälle auf Nimmerwiedersehen entsorgen. Dies ist eine Möglichkeit, die Schwerkraft-Kolosse praktisch zu nutzen. Außerdem lassen sich mit ihrer Hilfe gewaltige Mengen an Energie gewinnen. Denn rund 20 Prozent der Energie eines rotierenden Schwarzen Loches – viele tausendmal mehr, als unsere Sonne während ihres ganzen Daseins erzeugt – sind in der Ergosphäre gepeichert.
So heißt der äquatoriale Raum, der außerhalb des Ereignishorizonts liegt und von der Drehung der Schwerkraftfalle gleichsam herumgewirbelt wird. Gegenstände, die durch die Ergosphäre am Schwarzen Loch vorbeigeschleudert werden, zapfen die Rotationsenergie des Schwarzen Lochs an und erfahren eine immense Beschleunigung.
Diesen Effekt könnte eine technisch weit fortgeschrittene Zivilisation ausnutzen: zum Start von Raumschiffen oder als kaum versiegende Energiequelle. Wirft man irgend etwas durch die Ergosphäre und fängt diese Materie wieder auf, läßt sich die gewonnene Bewegungsenergie umwandeln und nutzbar machen.
Dasselbe Prinzip ließe sich freilich auch für die Entwicklung einer verheerenden Waffe mißbrauchen: Gelingt es, ein Schwarzes Loch vollständig mit einem Hohlspiegel zu umkleiden, läßt sich daraus eine Gravitationsbombe bauen. Dazu muß man nur durch eine Luke in die Spiegelkugel hineinleuchten – eine Taschenlampe würde schon ausreichen – und die Luke danach wieder verschließen.
Zum Bau einer Gravitationsbombe braucht man nur ein Schwarzes Loch im Zentrum eines Kugelspiegels, eine Taschenlampe und einen Korken.
Das Licht wird im Hohlspiegel dann ständig hin und her reflektiert und gewinnt jedesmal, wenn es durch die Ergosphäre kommt, Energie. Durch diesen riesigen Verstärkungseffekt baut sich ein gewaltiger Druck auf. Schließlich zerbirst der Spiegel, und die Strahlung wird schlagartig freigesetzt. Eine Atombomben-Explosion wäre dagegen nur ein flackerndes Streichholz. Doch der technische Aufwand dazu wäre so gewaltig, daß diese Vision wohl zum Glück nie realisierbar ist.
Der Raum rotiert
Vor kurzem haben Wissenschaftler zum ersten Mal nachgewiesen, daß manche Schwarze Löcher rotieren. Das bestätigt auch eine Voraussage der Allgemeinen Relativitätstheorie: Die drehenden Schwerkraftzentren schleppen den Raum in ihrer Umgebung mit sich.
“Bislang waren wir nur in der Lage, die Masse eines Schwarzen Lochs zu messen. Nun können wir auch seinen Drehimpuls bestimmen”, freut sich Shuang Nan Zhang vom Marshall Space Flight Center der NASA in Huntsville, Alabama. “Gemäß der Relativitätstheorie gibt es eine letzte stabile Umlaufbahn um ein Schwarzes Loch. Materie innerhalb davon wird unweigerlich in das Schwarze Loch gesaugt. Da die Größe der Umlaufbahn von der Rotationsgeschwindigkeit des Schwarzen Lochs abhängt, kann diese abgeschätzt werden, wenn man die Geschwindigkeit mißt, mit der sich Materie auf jener Umlaufbahn bewegt.”
Zusammen mit seinen Kollegen Wei Cui vom Massachusetts Institute of Technology in Cambridge und Wan Chen von der University of Maryland in College Park und dem Goddard Space Flight Center der NASA hat Zhang Daten dreier Röntgensatelliten ausgewertet: des amerikanischen Rossi X-ray Timing Explorer (RXTE), des deutschen Rosat und des japanischen Advanced Spacecraft for Cosmology Astrophysics (ASCA). Dabei hatten die Forscher einige der mittlerweile bekannten rund ein Dutzend Schwarzen Löcher in der Milchstraße im Visier, deren Masse das Drei- bis Dreißigfache der unserer Sonne beträgt. Das Ergebnis: Einige der Schwarzen Löcher drehen sich langsam oder gar nicht, zwei jedoch wirbeln mit einer ungeheueren Geschwindigkeit um ihre Achse.
“Die Messung der Rotation eines Schwarzen Lochs ist von enormer Bedeutung”, erläutert Mario Livio vom Space Telescope Science Institute in Baltimore. “Nicht nur, weil wir daraus ableiten können, wieviel Materie ein Schwarzes Loch während seiner Lebenszeit verschlungen hat, sondern auch, ob der Drehimpuls mit der Erzeugung von Jets zusammenhängt.”
Zhang ist davon überzeugt, daß dies der Fall ist: “Die beiden Schwarzen Löcher bringen in ihrer Umgebung immer wieder Ströme hochenergetischer Teilchen hervor: relativistische Jets. Ihre Geschwindigkeit entspricht ungefähr der Rotationsgeschwindigkeit der Schwarzen Löcher.”
Die Präzisionsmessungen des 1995 ins All gebrachten RXTE-Satelliten machen es auch möglich zu bestimmen, wie schnell die Materie um ein Schwarzes Loch gewirbelt wird, bevor sie hineinstürzt. Ein Wissenschaftler-Team unter der Leitung von Zhangs Kollege Wei Cui stieß auf regelmäßige Intensitätsschwankungen der freigesetzten Röntgenstrahlung.
Diese Beobachtung brachte die Forscher Ende 1997 auf die Spur eines noch spektakuläreren Phänomens: Die Gas- und Staubscheiben um die beiden Schwarzen Löcher unterliegen einer periodischen Bewegung, die man Präzession nennt. Das heißt, ihre Rotationsachse steht nicht fest im Raum, sondern kreiselt ihrerseits um eine zweite Achse.
Dies ist an sich nichts Ungewöhnliches. Auch unsere Erde präzediert, was dazu führt, daß die Himmelspole vor dem Hintergrund der Sterne alle 25800 Jahre einen Kreis beschreiben. Bei den beiden rotierenden Schwarzen Löchern ist die Präzession jedoch bedeutend stärker: Die Achse der Scheibe um GRS 1915+105 taumelt 67mal pro Sekunde, die um GRO J1655-40 sogar 300mal pro Sekunde.
Diese Entdeckung läßt sich nur dadurch erklären, daß der Raum um das Schwarze Loch selbst mitgezerrt wird – als sei er Wasser, das in einen Abfluß strudelt. Die Existenz dieses Phänomens ist bereits 1918 von Joseph Lense und Hans Thirring auf der Grundlage von Albert Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie vorausgesagt worden. Den beiden österreichischen Physikern zu Ehren heißt die Erscheinung Lense-Thirring-Effekt.
Cuis Entdeckung hat erstmals empirisch bestätigt, daß dieser Effekt in der Natur vorkommt. “Die Beobachtung ist einzigartig”, schwärmt er. “Einsteins Theorie war in dieser Hinsicht bislang noch nicht getestet worden.” Die Entdekkung beweist einmal mehr, daß Schwarze Löcher nicht nur exotische Objekte sind, die unsere Phantasie beflügeln, sondern wesentlich dazu beitragen, die bizarren Eigenschaften der Natur zu entschleiern.
Inzwischen sind zwei italienische Astronomen, Luigi Stella (Astronomisches Observatorium in Rom) und Mario Viertri (Dritte Universität von Rom), anhand weiterer RXTE-Messungen auf Anzeichen einer – schwächeren – Raumverzerrung bei einem Neutronenstern gestoßen. Ein Team unter der Leitung von Ignazio Ciufolini (Universität von Rom) hat den Effekt sogar in den Erdumlaufbahnen der LAGEOS-Satelliten aufgespürt. Systematisch nach dem Lense-Thirring-Effekt wird “Gravity Probe B” fahnden – ein eigens für diesen Test der Relativitätstheorie konstruierter Satellit, der Im Jahr 2000 starten soll.
Rüdiger Vaas
