Credits von links nach rechts: Cygnus X-1 (Illustration): NASA / CXC / M.Weiss; Schwarzes Loch in Omega Centauri; X-ray: NASA / CXC / CfA / R.Kraft et al.; Submillimeter: MPIfR / ESO / APEX / A.Weiss et al.; Optisch: ESO / WFI; Idee aus: Sterne und Weltraum: 3/16.

Wie entstehen Schwarze Löcher?

Schwarze Löcher - schwarz, gefährlich und interessant. Wir kennen sie aus der Wissenschaft und aus Science-Fiction-Filmen, doch gesehen hat man sie bisher noch nie - nicht direkt. Das ist nicht verwunderlich, weil Schwarze Löcher kein Licht entkommen lassen. Wer sich schon immer gefragt hat, wie Schwarze Löcher eigentlich entstehen, der erhält hier eine grobe Antwort auf die Frage, was es eigentlich mit mysteriösen "Raum-Zeit-Löchern" und ihrer Entstehung auf sich hat:

Schwarze Löcher aus einer Supernovae

1. Ein massereicher Stern (mit mindestens achtfacher Sonnenmasse) explodiert am Ende seines Lebens in einer Supernova. Die Voraussetzungen für eine Supernova ist zum einen die Masse des Sterns und zum anderen der Verbrauch ihres nuklearen "Treibstoffs". Wenn dieser aufgebraucht ist bricht der Stern unter seiner eigenen Gravitation zusammen, der Kern des Sterns kollabiert. Der Stern hat einen letzten großen Auftritt, denn er leuchtet nun millonen- bis milliarden mal heller als vorher und kann sogar die Helligkeit einer ganzen Galaxie übertreffen! Der Sternenrest wird auf eine unvorstellbar kleine Größe zusammengepresst, sodass letztendlich kein Licht mehr der Gravitation entkommen kann (die Sonne hätte in diesem Fall eine Größe von 3km - doch die Masse der Sonne ist zu gering.[1]

Schwarze Löcher durch Sternenkollision

2. Des Weiteren können Schwarze Löcher entstehen, wenn Sterne miteinander kollidieren und ihre Massen sich vereinigen. Insofern ihre Masse einen kritischen Wert übersteigt, fällt auch dieser "neue Stern" unter seinen eigenen Gravitation zusammen. Eine ausreichend kompakte Masse kann die Raumzeit also derartig stark krümmen, dass sich ein Schwarzes Loch bildet.[2]

   Supermassereiche Schwarze Löcher

3. Zudem gibt es noch supermassereiche Schwarze Löcher. Diese befinden sich nach bisherigen Kenntnisstand im Zentrum der meisten Galaxien und ihre Entstehung ist noch nicht geklärt. Entweder sind sie das Produkt der Verschmelzung von mehreren Schwarzen Löchern oder aber ein Schwarzes Loch hat soviel Materie verschlungen, dass es unvorstellbare Ausmaße angenommen hat. Möglicherweise sind Schwarze Löcher eine Voraussetzung für die Bildung von Galaxien und auch im Zentrum der Milchstraße ist ein supermassereiches Schwarzes Loch zu finden: Sagittarius A* mit 4 Millionen Sonnenmassen. [3][4]

Mathematische Beschreibung

Ein Schwarzes Loch lässt sich durch die drei physikalische Kenngrößen Masse, Drehimpuls und elektrische Ladung vollständig beschreiben. Diese lassen sich in folgenden Klassen einteilen: [5]

Quelle

Schwarze Löcher in Small, Medium und XXL

Schwarze Löcher sind faszinierende und zugleich rätselhafte Objekte, denn sie entziehen sich einer direkten Beobachtung und sprengen die Grenzen unserer Vorstellungskraft. In Zentren von Galaxien befinden sich gewaltige Schwarze Löcher die mächtige Objekte im Weltall darstellen: Zum einen sind sie nicht viel jünger als das Weltall selbst und zum anderen könnten sie wichtig für Galaxie-Entwicklungen sein. Mittlerweile können wir diese sogar in verschiedene Größenklassen einteilen.

Schwarze Löcher sind nicht ONE-SIZE, sondern haben unterschiedliche Konfektionsgrößen. Auf dem Bild sind Schwarze Löcher in verschiedenen Größen dargestellt, welche ich im Folgenden kurz vorstelle: Es gibt die stellaren Schwarzen Löcher (S) die das Produkt aus massereichen Vorgängersternen sind. Diese besitzen bis zu 100.000 Sonnenmassen, obwohl sie lediglich die Größe eines durchschnittlichen Asteroiden haben. Im Bild ist Cygnus X-1 illustriert. Als mittelgroße Schwarze Löcher (M) gelten solche die mehreren 100.000 Sonnenmassen entsprechen und sich nach aktuellem Wissen im Zentrum von Kugelsternhaufen befinden. Auf dem Beitragsbild ist das Schwarze Loch in Omega Centauri illustriert. Als Riesen in der Familie der Schwarzen Löchern gelten die extrem massereichen Schwarzen Löcher (XXL) mit dem Millionen- bis Milliardenfachen der Sonnenmasse. Diese sind in den Zentren der meisten Galaxien zu finden und auf dem Beitragsbild handelt es sich um Centaurus A in Röntgenaufnahme.

Die Möglichkeit ein Schwarzes Loch zu erforschen ist bisher begrenzt, doch auch hier machen sich Fortschritte bemerkbar. Es sind bereits Großteleskope der nächsten Generationen im Bau, wie zum Beispiel das European Extremely Large Telescope (E-ELT) der Europäischen Südsternwarte ESO für den sichtbaren Bereich. Dieses verfügt über ein zehnfach besseres Auflösungsvermögen als das Weltraumteleskop Hubble und entsprechend genauer wird die Erforschung von Kugelsternhaufen. Im nicht sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums wird es künftig auch leistungsfähigere Teleskope geben: Das ESA-Röntgenteleskop Athena soll im Jahr 2028 starten und kann die Akkretion von extrem massereichen Schwarzen Löchern in fernen Galaxien und deren Veränderungen und Wachstum über die Entwicklung des Universums hinweg erforschen. Als Nachfolger des Weltraumteleskops gilt das James Webb Space Telescope (JWST), welches durch eine integrale Feldeinheit sogar das Licht der ersten Quasare am Rand des Universums analysieren kann. Es warten spannende Zeiten in der Erforschung unseres Universums auf uns![6]

Quellen:
[1] astrokramkiste.de/schwarzes-loch
[2] astrokramkiste.de/schwarzes-loch
[3] goo.gl/ONTDn
[4] goo.gl/XXszRe
[5] wikipedia.org/wiki/Schwarzes_Loch#Mathematische_Beschreibung
[6] Sterne und Weltraum: Schwarze Löcher, 3/16, Spektrum.