Je mehr die Wissenschaft über das Universum erfährt, desto mehr rücken auch Schwarze Löcher in den Vordergrund. Dr. Gunther Witzel vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn spricht über aktuelle Herausforderungen sowie Durchbrüche in der Forschung und erklärt, warum Bonn dabei ebenfalls eine große Rolle spielt.

Als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Max-Planck-Institut für Radioastronomie beschäftigt sich Dr. Gunther Witzel schon lange mit der Beobachtung von Schwarzen Löchern. Sein Interesse begann bereits in der Kindheit, “weil sie diese unglaublich extremen Objekte im Kosmos sind, von denen wir schon seit einigen Jahrzehnten Kenntnis haben und die natürlich die Fantasie anregen”. Mit zunehmendem physikalischen Verständnis ist seine Faszination aber noch gewachsen: denn die Objekte sind “eigentlich noch viel extremer, als man zunächst annimmt”.

Schwarze Löcher sind ein Ort, an dem nichts entkommen kann – nicht einmal Licht. Sie sind ein Ort, an dem unsere gesamten physikalischen Vorstellungen von Raum und Zeit zusammenbrechen. Und trotzdem spielen sie eine wesentliche Rolle im Kosmos: “Es gibt da fundamentale ungelöste Fragen zwischen unseren Theorien wie Galaxien entstehen, wie Schwarze Löcher entstehen, wie besonders schwere supermassive Schwarze Löcher entstehen und wie das alles zusammenhängt – das ist sehr faszinierend!”, sagt der Wissenschaftler. 

Supermassive Schwarze Löcher befinden sich im Zentrum nahezu jeder Galaxie und sind nochmal viel größer als sogenannte stellare Schwarze Löcher, welche aus dem Gravitationskollaps von großen Sternen entstehen. Und mit genau so einem supermassiven Schwarzen Loch beschäftigt sich Dr. Witzel am Max-Planck-Institut in Bonn.

Das Schwarze Loch im Zentrum unserer Galaxie

Sagittarius A* heißt das supermassive Schwarze Loch im Zentrum unserer Galaxie, der Milchstraße. Und dieses ist, wie er selbst sagt, “ein ganz besonderes kleines Labor, […] direkt vor unserer Haustür”. Denn Sagittarius A* ist nicht sehr hell oder strahlungsintensiv, aber genau deshalb ist es so besonders: “Wenn das Schwarze Loch ähnlich viel Energie abstrahlen würde wir ein aktiver Galaxienkern, dann könnten wir die direkte Umgebung nicht so gut beobachten”, erklärt der Astrophysiker. Ein glücklicher Zufall, könnte man sagen. 

Dieses kleine Labor ist aber keinesfalls so klein, wie es klingt. “Nach den neuesten Erkenntnissen liegt [das Schwarze Loch] bei fast 4,3 Millionen Sonnenmassen”, sagt Dr. Witzel. Es ist also fast 4,3 Millionen mal so massereich wie unsere Sonne. 

Dr. Witzel beschäftigt sich in seiner Forschung überwiegend damit, die Schwarzen Löcher durch Beobachtungen zugänglich zu machen. Er arbeitet am Max-Planck-Institut in der Abteilung Very Long Baseline Interferometry (VLBI). Interferometrie ist ein hochpräzises Messverfahren, welches die Interferenzen, also die Überlagerungen von Wellen, nutzt, um astronomische Signale zu untersuchen. Man schaut dabei von verschiedenen Radiostationen auf der ganzen Welt gleichzeitig auf eine Stelle im Himmel und setzt daraus rechnerisch ein Gesamtbild zusammen. Wenn die Distanzen der einzelnen Teleskopen sehr groß sind, spricht man von sehr langen Basislinien (Very Long Baselines). 

Doch wie beobachtet man ein Schwarzes Loch?

Dr. Witzel erklärt, dass die Beobachtungen von Schwarzen Löchern immer indirekt sind. Man schaut also nicht direkt auf das Schwarze Loch, sondern untersucht seine Wechselwirkung mit der direkten Umgebung. Dafür verfolgt man z.B. Sterne, die sich ähnlich wie Planeten, in Bahnen um Sagittarius A* bewegen. Mit den Keplerschen Gesetzen kann dann bereits relativ genau die Masse des Schwarzen Loches bestimmt werden. Also “einfach nur mit der Newtonschen Physik, mit der wir auch die Bahnen in unserem Sonnensystem berechnen”, erklärt er. 

Für diese ersten Bestimmungen sind also noch keine relativistischen Annahmen nötig. Möchte man Sagittarius A* allerdings noch detailliert untersuchen, um beispielsweise weitere Parameter wie den Spin des Schwarzen Loches zu bestimmen, müssen relativistische Terme hinzukommen. Teilweise wurden diese bereits vermessen, die Bestimmung des Spins liegt allerdings noch etwas in der Zukunft. Das übergeordnete Ziel ist daher aktuell, Experimente zu finden, mit denen “man dem Schwarzen Loch immer weiter auf die Pelle rückt, um es immer mehr und immer genauer zu verstehen”, erklärt Dr. Witzel.

Nach unserer Vorstellung sollten wir “egal wie nahe wir dem Schwarzen Loch kommen, […] immer die gleiche Masse finden”, erklärt der Wissenschaftler. Das würde die Existenz dieser Objekte und die Vorstellung, die wir über sie haben, weiter bestätigen. Und wenn das der Fall ist, können vielleicht auch irgendwann Fragen beantwortet werden wie: “Wie genau beeinflusst ein Schwarzes Loch die Raumzeit in der Umgebung? Oder gibt es den Ereignishorizont, so wie er vorhergesagt ist?”

Ein Ort an dem Nichts entkommen kann

Der Ereignishorizont ist das wohl verrückteste an einem Schwarzen Loch. Es ist ein Ort, hinter dem nichts mehr entkommen kann. Dr. Witzel erklärt, dass man sich diesen nicht als “feste Oberfläche, sondern als definierten Radius” des Schwarzen Loches vorstellen muss. Und die Gravitation dahinter – praktisch im Inneren des Schwarzen Loches – ist so stark, dass nicht einmal Licht entkommen kann.

Da sich nichts schneller bewegt als Licht, kann keine Information mehr aus dem Schwarzen Loch entkommen. Doch das bringt auch ein anderes Problem: Wir sind praktisch blind was das Innere des Schwarzen Loches angeht. Der Ereignishorizont spielt daher “eine ganz wesentliche Rolle, weil er die Grenze des für uns Messbaren darstellt“, erklärt der Wissenschaftler. Wenn nichts mehr entkommen kann, können wir nicht sehr viel darüber lernen.

Dr. Witzel ist jedoch der Meinung, dass diese theoretische Hürde die Forschung um Schwarze Löcher nicht fundamental einschränkt: “Man kann genug Beobachtungen von außen machen, aus denen man aussagekräftige Schlüsse ziehen kann” – gerade in der nahen Umgebung des Ereignishorizonts. “Und je genauer wir diesen beobachten können, desto mehr werden wir sicherlich lernen, was dort stattfindet”, glaubt er. 

Außerdem findet er, “dass es alle möglichen physikalischen Abläufe gibt, die wir jetzt [dort] auch noch nicht verstehen. […] Und möglicherweise sind die Dinge dann, wenn man es schafft, dem Ereignishorizont nahe zu kommen, doch ganz anders und wir werden überrascht sein.”

Astrophysik in Bonn

Das Event Horizon Teleskop (EHT) ist eine internationale Kollaboration an Radioteleskopen, die in den vergangenen Jahren versucht hat, diese Umgebung um den Ereignishorizont immer detaillierter zu beobachten. Auch Bonn spielt dabei eine große Rolle, denn “wir haben [am Max-Planck-Institut] einen von zwei Supercomputern, die diese Daten korrelieren und vorbereiten können”, erklärt Dr. Witzel. Damit ist Bonn maßgeblich an der späteren Bildwiedergabe beteiligt. 

Vor kurzem wurde die Interferometrie Methode des Teleskops erweitert, um noch besser zum Zentrum der Milchstraße zu schauen. Und auch das Max-Planck-Institut war an dem Experiment beteiligt: “Die Hälfte aller Daten sind bei uns gerechnet worden”, erklärt der Wissenschaftler, “und dieses Experiment hat nun erlaubt, das abzubilden, was wir den sogenannten Schatten des Schwarzen Loches nennen”. 

Den Begriff Schatten sollte man laut Dr. Witzel nicht zu deutlich nehmen: “Was hier abgebildet wurde, ist letztendlich eine Verschattung […], von der wir glauben, dass sie von dem Schwarzen Loch direkt verursacht wird”. Da die Raumzeit in der direkten Umgebung des Schwarzen Loches gekrümmt ist, bewegt sich auch das Licht nicht in geraden Bahnen. Das Licht, welches man um ein Schwarzes Loch sieht, kommt daher gekrümmt aus allen Richtungen. Und wenn dieses Licht dem Schwarzen Loch zu nahe kommt, geht es verloren, da einzelne Lichtteilchen hinter dem Ereignishorizont verschwinden. “Und daraus gibt es eine sogenannte Abschattung”, sagt Dr. Witzel.

“Die Größe dieses Schattens hängt direkt mit der Masse des Schwarzen Loches zusammen”, erklärt der Wissenschaftler weiter. “Und das wirklich Aufregende ist jetzt, dass wenn man sich die Größe anschaut, dann ist sie komplett in Übereinstimmung mit den 4,3 Millionen Sonnenmassen, die schon vorher aus den stellaren Bahnen berechnet wurden”, sagt er begeistert. Dieses Erkenntnis bestätigt also die jetzige Vorstellung über das Schwarz Loch. 

Die Zukunft der Astrophysik

Um immer näher an Schwarze Löcher heranzukommen und diese immer detailreicher darzustellen, müssen “die Teleskope größer, die Wellenlänge kürzer, die Bandbreiten höher und die Empfindlichkeiten höher werden”. Das ist eine kontinuierliche Herausforderung, doch “wir leben wirklich im goldenen Zeitalter der Astrophysik”, findet Dr. Witzel. “Die Detektoren werden heutzutage fast rauschfrei und haben eine unglaubliche Quanteneffizienz”. Die Mittel und Wege, Teleskope zu bauen und sogar ins All auszuweichen, werden immer einfacher und können viele weitere Einsichten in Schwarze Löcher erlauben. Er ist daher sehr gespannt, was die nächsten Jahre der Forschung noch so bieten werden. Aber er ist sich sicher: “die Natur ist immer viel reicher und viel überraschender, als wir uns das selbst mit den wildesten Fantasien vorstellen können.”