Eine Reise durch Raum und Zeit: Was passiert in einem Schwarzen Loch?

Was geschieht innerhalb eines Schwarzen Lochs? Wie erklärt Einsteins Relativitätstheorie dieses Phänomen? Eine faszinierende Reise durch das größte Geheimnis des Universums.

Das erste direkte visuelle Bild eines schwarzen Lochs in der Galaxie Messier 87. © Wikimedia

Schwarze Löcher üben eine faszinierende Anziehungskraft aus, da es ein enormes kosmische Objekt ist, dessen Gravitation so stark ist, dass es sogar Licht verschluckt. Inspiriert von den Erkenntnissen des Physik-Nobelpreisträgers Kip Thorne zeigt der Film „Interstellar“ eindrucksvoll, wie ein Raumschiff nahe an einem solchen Schwarzen Loch kreist und die Zeit für Außenstehende scheinbar stillzustehen scheint. Doch was passiert wirklich im Inneren dieser mysteriösen Gebilde?

Anders als andere Orte im Universum sind Schwarze Löcher für uns unerreichbar, da ihre immense Gravitation nicht einmal Licht entkommen lässt. Um ihre Geheimnisse zu verstehen, müssen wir uns auf die Relativitätstheorie von Albert Einstein stützen.

Übrigens: Die Relativitätstheorie ist eine physikalische Theorie, die sich mit hohen Geschwindigkeiten und der Anziehungskraft von Massen beschäftigt. Sie besagt laut Spektrum, dass die Lichtgeschwindigkeit die maximale Geschwindigkeit im Universum darstellt. Gravitation wird dabei als eine Eigenschaft von Raum und Zeit beschrieben, die sich krümmt, wenn Energie vorhanden ist – einschließlich der Energie, die durch Massen erzeugt wird.

Dies führt dazu, dass Raum und Zeit in der Nähe massereicher Objekte „verbeult“ werden, was die Bahnen von Teilchen und sogar von Licht beeinflusst. Wenn die Energie in einer Region sehr gering ist, bleiben Raum und Zeit flach, und die Bahnen von Teilchen verlaufen gerade. Die Relativitätstheorie stellt traditionelle Konzepte wie Länge, Zeit und Realität in Frage, da sie zeigt, dass diese Größen relativ sind und sich abhängig vom Bezugssystem des Beobachters verändern.

Singularität im Inneren eines Schwarzen Lochs

Schwarze Löcher könnten Zeitverzerrungen verursachen, wie es in „Interstellar“ anschaulich dargestellt wird: Ein Teil der Besatzung verlässt das Raumschiff, um einen Planeten zu besuchen, der in geringerem Abstand um das Schwarze Loch kreist. Nach einigen Stunden kehren sie zurück an Bord – nur um festzustellen, dass für ihren Kollegen an Bord 20 Jahre vergangen sind.

Die Möglichkeit solcher bizarren Ereignisse durch Schwarze Löcher ist bekannt seit der Entdeckung der Relativitätstheorie. Einstein und seine Kollegen betrachteten diese extremen Objekte lange Zeit als theoretische Konstrukte. Ein Grund hierfür liegt in einer besonderen Eigenschaft der Relativitätsgleichungen: Sie sagen voraus, dass Materie im Inneren Schwarzer Löcher zu einer unendlich dichten Singularität zusammenfällt. Dieser Bereich, der bis zum Ereignishorizont reicht, bindet alles in seiner Gravitation und isoliert diese Region gewissermaßen vom Rest des Universums. 2017 ermöglichten Teleskopaufnahmen der Galaxie M87 erstmals einen direkten Blick auf den Schatten eines solchen Schwarzen Lochs.

Ein Blick auf das supermassereiche Schwarze Loch M87 in polarisiertem Licht. © EHT Collaboration via  Wikimedia unter CC BY 4.0
Ein Blick auf das supermassereiche Schwarze Loch M87 in polarisiertem Licht. © EHT Collaboration via Wikimedia unter CC BY 4.0

Quantenmechanik als Schlüssel zur Lösung?

Laut ZEIT Online stellt die Theorie der Singularität und des Ereignishorizonts die Physik vor große Herausforderungen, da sie schwer experimentell zu überprüfen ist. Viele Forscher hoffen darauf, dass die Quantenmechanik neue Erklärungen bieten könnte. Es wird spekuliert, ob Schwarze Löcher möglicherweise Tunnel nach außen bieten könnten. Vielleicht existieren auch alternative Objekte wie Gravasterne oder Wurmlöcher.

Übrigens: Die Quantenmechanik ist eine physikalische Theorie, die das Verhalten von winzigen Teilchen wie Atomen und ihren Bestandteilen beschreibt. Laut Chemie.de wurde sie in den 1920er und 1930er Jahren von Physikern wie Heisenberg, Schrödinger und anderen entwickelt. Diese Theorie bildet das Fundament für viele Bereiche der modernen Physik, wie z.B. Atomphysik, Festkörperphysik und sogar Teilchenphysik, und sie ist auch wichtig für verwandte Wissenschaften wie die Quantenchemie.

Gravitationswellen könnten neue Erkenntnisse darüber liefern, ob Schwarze Löcher tatsächlich Singularitäten aufweisen. Bisherige Messungen haben größtenteils Einsteins Vorhersagen bestätigt. Um das Rätsel endgültig zu lösen, könnte es notwendig werden, eines Tages Schwarze Löcher aus der Nähe zu erforschen. Vielleicht sogar im Sternsystem Gaia BH1, das 1.560 Lichtjahre von der Erde entfernt ist.

Auf der Suche nach neuen Erkenntnissen

Forschungen und Beobachtungen haben gezeigt, dass Schwarze Löcher mehr als einfache kosmische „Müllkippen“ sind. Sie beeinflussen die Raumzeit selbst und könnten der Schlüssel zur Erforschung der fundamentalen Naturgesetze des Universums sein. Gravitationswellenobservatorien wie LIGO und Virgo haben bereits begonnen, neue Daten zu liefern, die unsere Vorstellungen von Schwarzen Löchern herausfordern und erweitern könnten.

Was du dir merken solltest:

  • Ein Schwarzes Loch ist ein extrem massives Objekt im Universum. Dessen Gravitation ist so stark, dass nicht einmal Licht ihm entkommen kann. Dies wurde eindrucksvoll im Film „Interstellar“ dargestellt, der nahe einem Schwarzen Loch Zeitverzerrungen zeigt.
  • Die Relativitätstheorie von Albert Einstein beschreibt, wie Raum und Zeit in der Nähe massereicher Objekte gekrümmt werden. Das beeinflusst die Bewegung von Teilchen und Licht. Sie stellt traditionelle physikalische Konzepte in Frage und zeigt, dass Raum und Zeit relativ sind.
  • Im Inneren von Schwarzen Löchern wird Materie zu einer unendlich dichten Singularität zusammengepresst. Diese extremen Objekte sind schwer zu erforschen, könnten aber durch Gravitationswellen neue Erkenntnisse über ihre Natur liefern.

Bild: © EHT Collaboration via Wikimedia unter CC BY 4.0

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