Schwarze Löcher liefern Beweis für Hawkings Theorie

Vor 1,3 Milliarden Jahren krachten zwei gigantische Schwarze Löcher im All ineinander. Die Wucht dieses Zusammenstoßes war so gewaltig, dass sie den Raum selbst zum Zittern brachte. Dieses Zittern – Gravitationswellen – raste mit Lichtgeschwindigkeit durchs Universum. Am 14. Januar 2025 erreichte es schließlich die Erde. Was die Messgeräte anzeigten, war nicht nur außergewöhnlich stark. Es bestätigte auch eine Theorie, die Stephen Hawking bereits 1971 aufgestellt hatte.

Damals behauptete der berühmte Physiker, dass die Oberfläche eines Schwarzen Lochs bei einer Verschmelzung niemals kleiner werden kann – ähnlich wie in der Thermodynamik, wo die Entropie niemals abnimmt. Jetzt konnte genau das erstmals mit extremer Genauigkeit nachgewiesen werden.

Was Gravitationswellen bei GW250114 über Schwarze Löcher beweisen

Was die Forscher der University of Portsmouth am 14. Januar registrierten, war mehr als ein übliches Gravitationswellensignal. Die Detektoren der LIGO-Anlagen in den USA erfassten ein kosmisches Echo von beeindruckender Klarheit: Es war das bisher lauteste und deutlichste Signal seit Beginn der Gravitationswellenforschung.

Das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) lag bei 80 – so hoch wie nie zuvor
Die beiden verschmelzenden Schwarzen Löcher wogen etwa 33 Sonnenmassen
Drei Sonnenmassen wurden in Energie umgewandelt und als Gravitationswellen abgestrahlt
Das neu entstandene Schwarze Loch ist rund 63 Sonnenmassen schwer

Professor Ian Harry, Gravitationswellen-Astronom an der University of Portsmouth und Co-Autor der Studie erklärt: „GW250114 ist das klarste jemals aufgezeichnete Signal und erlaubt fundamentale Tests zur Physik von Schwarzen Löchern.“

Was Hawking vorhergesagt hat – und was nun bewiesen ist

Stephen Hawkings sogenannter „Flächensatz“ besagt: Wenn zwei Schwarze Löcher verschmelzen, wächst die Gesamtfläche ihrer Ereignishorizonte – also jener Grenze, hinter der nichts mehr entkommen kann. Das klingt abstrakt, hat aber eine klare physikalische Bedeutung. Es sagt etwas über die Stabilität und das Verhalten dieser extremen Objekte aus.

Jetzt ist klar: Hawkings Theorie stimmt. Die Forscher konnten mit hoher Sicherheit zeigen, dass die Fläche des neuen Schwarzen Lochs größer ist als die Summe der ursprünglichen Flächen. Die Wahrscheinlichkeit für einen Messfehler lag dabei unter 0,003 Prozent – das ist wissenschaftlich extrem überzeugend.

„Wir finden, dass die Endfläche größer ist als die Summe der Anfangsflächen, in Übereinstimmung mit Hawkings Gesetz“, heißt es in der offiziellen Auswertung.

Was Gravitationswellen über Schwarze Löcher verraten können

Dass Gravitationswellen uns überhaupt Informationen über die Natur Schwarzer Löcher liefern, ist erst seit wenigen Jahren möglich. Die Wellen entstehen bei extremen Ereignissen – etwa bei der Kollision massereicher Objekte. Sie verzerren das Gewebe der Raumzeit selbst. Hochsensible Detektoren wie LIGO in den USA, Virgo in Italien oder KAGRA in Japan können diese Verzerrungen messen.

Im Fall von GW250114 waren nur die beiden US-amerikanischen LIGO-Standorte aktiv. Trotzdem reichte die Signalstärke aus, um etwas bisher Einmaliges zu messen: die sogenannten „Ringdown“-Signale.

Diese Phase beschreibt das „Nachzittern“ des neu entstandenen Schwarzen Lochs – vergleichbar mit dem Ton einer Glocke nach dem Schlag. Diese Schwingungen geben Aufschluss über die physikalischen Eigenschaften des Objekts. Bei GW250114 konnten die Forscher erstmals gleich zwei verschiedene Schwingungsmodi messen:

Die Grundschwingung (n = 0) mit einer Frequenz von etwa 247 Hertz.
Eine erste Oberton-Schwingung (n = 1), nachweisbar bis etwa neun Millisekunden nach dem Kollisionshöhepunkt.

Das ist wichtig, weil sich nur mit solchen Details testen lässt, ob Schwarze Löcher wirklich so „einfach“ sind, wie Einstein es einst beschrieben hat.

Schwarze Löcher: Einfach, aber faszinierend

Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie sagt voraus: Ein Schwarzes Loch lässt sich vollständig durch zwei Werte beschreiben – Masse und Drehimpuls. Andere Eigenschaften spielen keine Rolle. Das Konzept dahinter nennt sich „Kerr-Natur“, benannt nach dem neuseeländischen Mathematiker Roy Kerr.

Auch diese Vorhersage ließ sich mit den neuen Daten überprüfen. Ergebnis: Die Messungen stimmen mit dem erwarteten Verhalten überein. Das beobachtete Spektrum passt zur Theorie – mit einer Abweichung von höchstens 30 Prozent.

„Die Ringdown-Daten stimmen konsistent mit einem Kerr-Schwarzen Loch überein“, schreiben die Autoren.

Damit zeigen die Gravitationswellen nicht nur etwas über den konkreten Zusammenstoß, sondern auch über die grundlegende Struktur des Universums – und bestätigen, dass Einsteins Beschreibung auch an den extremsten Stellen des Kosmos funktioniert.

Warum dieses Ereignis ein wissenschaftlicher Glücksfall ist

Zwar wurden in den letzten zehn Jahren bereits rund 300 Kollisionen Schwarzer Löcher erfasst. Doch keine war so laut und so klar messbar wie GW250114. Frühere Signale – etwa das berühmte GW150914 aus dem Jahr 2015 konnte man erahnen, heute lassen sie sich messen.

Was GW250114 besonders macht:

Die Masse der beteiligten Objekte lag fast gleichauf.
Die Umlaufbahn war fast kreisförmig – ideal für präzise Analysen.
Die Eigenrotation der beiden Schwarzen Löcher war ungewöhnlich niedrig.
Die Daten nach der Verschmelzung enthielten erstmals mehrere „Ringmodi“ – mit 4,1 Sigma statistischer Sicherheit.

Warum künftige Gravitationswellen-Signale noch mehr über Schwarze Löcher verraten könnten

Laura Nuttall, britische Astrophysikerin und Professorin für Gravitationswellen-Astronomie an der Universität Portsmouth, macht Hoffnung auf mehr:

Wir warten nur darauf, dass uns die Natur weitere solche schönen Signale liefert.

Mit geplanten technischen Upgrades könnten Gravitationswellen bald noch feiner aufgelöst werden, möglicherweise schon 2028. Dann wären auch Abweichungen von Einsteins oder Hawkings Theorien erkennbar – und vielleicht die ersten Hinweise auf eine übergeordnete Theorie, die auch die Quantenwelt einbezieht.

Kurz zusammengefasst:

Zwei Schwarze Löcher mit je rund 33 Sonnenmassen sind verschmolzen und haben dabei drei Sonnenmassen als Gravitationswellen abgestrahlt – ein Rekordsignal.
Die Messung bestätigt erstmals mit sehr hoher Sicherheit Stephen Hawkings Theorie: Die Oberfläche von Schwarzen Löchern wächst bei einer Verschmelzung.
Zusätzlich zeigen die Daten, dass sich Schwarze Löcher tatsächlich allein durch Masse und Rotation beschreiben lassen – so wie Einstein es vorhergesagt hat.

Übrigens: Während Gravitationswellen von GW250114 auf der Erde Stephen Hawkings Theorie bestätigen, blickt auch das James-Webb-Teleskop Milliarden Jahre in die Vergangenheit. Es zeigt: Auch im jungen Universum kollidierten Schwarze Löcher – und wuchsen schneller als gedacht. Mehr dazu in unserem Artikel.