Nobelpreis für Forschung an schwarzen Löchern Der extremste Ort unserer Galaxie

Für ihre Arbeit zu schwarzen Löchern bekommen der Deutsche Reinhard Genzel, die US-Amerikanerin Andrea Ghez und der Brite Roger Penrose den Nobelpreis für Physik. Ihre Studienobjekte überfordern unseren Verstand.
Illustration eines schwarzen Loches

Illustration eines schwarzen Loches

Foto: Science Photo Library / imago images

Wie viel Sterne es genau in unserer Milchstraße gibt, vermag niemand zu sagen. Es sind mehrere Hundert Milliarden. Unsere Sonne gehört dazu. Sie zieht im kleinen Orion-Arm ihre Bahn, etwa 27.000 Lichtjahre vom Zentrum der Galaxie entfernt. Es dauert etwa 225 Millionen Jahre, bis sie das Zentrum der Milchstraße einmal umrundet hat.

Der Stern mit dem Namen S2 ist deutlich schneller unterwegs: Er braucht nur 16 Jahre für eine Tour um den galaktischen Kern. Das liegt daran, dass er in unmittelbarer Nähe des galaktischen Zentrums kreist. Dort liegt ein supermassives schwarzes Loch. Es heißt Sagittarius A* und ist etwa vier Millionen Mal so massereich wie unsere Sonne. Unter anderem für den Nachweis seiner Existenz gab es in diesem Jahr den Nobelpreis für Physik.

Durch die Gravitationswirkung der von ihm verschlungenen Massen bringt Sagittarius A* die Materie in seiner Umgebung dazu, es mit großer Geschwindigkeit zu umkreisen. S2 zum Beispiel stürmt auf seiner Bahn mit rund 25 Millionen Kilometern pro Stunde voran. Zwei Teams von Forschenden haben sich die rasanten Bewegungen der Himmelsobjekte in der Nähe des galaktischen Zentrums in den vergangenen drei Jahrzehnten besonders genau angesehen: Geführt wurden die Gruppen von Andrea Ghez von der University of California in Los Angeles und Reinhard Genzel vom Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik in Garching bei München. Beide gemeinsam wurden nun mit einer Hälfte des diesjährigen Physik-Nobelpreises geehrt - "für die Entdeckung eines supermassereichen kompakten Objekts im Zentrum der Milchstraße".

Dass der Nobelpreis in diesem Jahr schon wieder an Astronomen geht, kann man als Überraschung werten. Bereits im vergangenen Jahr war das Fachgebiet mit der Ehrung für die Schweizer Exoplanetenforscher Michel Mayor und Didier Queloz sowie den Kosmologen James Peebles bedacht worden. Oft wählt das Nobelkomitee im Folgejahr dann gänzlich andere Felder der Physik aus - doch diesmal war das nicht der Fall.

Ein fruchtbringender Wettlauf

Ghez, erst die vierte Frau überhaupt, die einen Physik-Nobelpreis erhält, machte ihre Beobachtungen am Keck-Observatorium auf Hawaii. Genzel nutzte das La-Silla-Observatorium und das Very Large Telescope der europäischen Südsternwarte (Eso) in Chile. "Genzel und Ghez haben sich einen Wettlauf geleistet und sich zu Höchstleistungen angetrieben", sagt der Radioastronom Heino Falcke von der Radboud-Universität Nijmegen im Gespräch mit dem SPIEGEL.

Falcke hat mit seinen Kollegen des Event Horizon Telescopes (EHT), das ist ein weltweiter Verbund von Radioteleskopen, im vergangenen Jahr das erste Bild eines schwarzen Loches veröffentlicht. Es stammt allerdings nicht aus dem Zentrum unserer Milchstraße, sondern aus der Galaxie M87, deren Zentrum 55 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt ist. Das schwarze Loch dort hat sogar 6,6 Milliarden Sonnenmassen. "Ich hoffe, unser Ergebnis hat das Nobelkomitee auch noch einmal von der Existenz schwarzer Löcher überzeugt", scherzt Forscher Falcke.

Wohl eher früher als später dürfte es auch vom galaktischen Zentrum ein EHT-Bild geben. Bisher ist das auch daran gescheitert, dass mächtige Wolken kosmischen Staubs die Sicht versperren. Wenn das Foto einmal da ist, wird es wieder einen Ort zeigen, den man gedanklich nur schwer fassen kann: Im Zentrum eines schwarzen Lochs ist auf engstem Raum so viel Masse konzentriert, dass noch nicht einmal Licht der Gravitationswirkung entkommen kann. Der sogenannte Ereignishorizont stellt die Grenze dar, hinter der für Beobachter außerhalb im schwarzen Loch nichts mehr sichtbar ist.

Die Gesetze der uns bekannten Physik gelten nicht mehr

Im schwarzen Loch selbst haben die Begriffe Zeit und Raum keine Bedeutung mehr, die Gesetze der uns bekannten Physik gelten nicht. "Was ist das schwarze Loch? Wir wissen es nicht, wir haben keine Ahnung, was sich im Inneren eines schwarzen Lochs befindet, und das macht diese Dinge zu so exotischen Objekten", so Preisträgerin Ghez nach der Verkündung des Nobelkomitees. Im Übrigen hoffe sie, junge Frauen für ihr Fachgebiet zu begeistern, so Ghez. Es gebe noch so viel mehr als schwarze Löcher zu erforschen.

Doch auch das ist mehr als interessant. "Im Vergleich mit anderen Galaxiezentren ist das schwarze Loch in der Milchstraße eher etwas untergewichtig", erklärt Lutz Wisotzki vom Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam im Gespräch mit dem SPIEGEL. Das wiederum dürfte für uns hier auf der Erde ganz praktisch sein. Denn wenn Materie ins schwarze Loch fällt, dann entstehen dabei große Mengen an Strahlung. So hatte sich Sagittarius A* einst auch verraten: Als mächtige Radioquelle am Nachthimmel.

Und wäre das schwarze Loch der Milchstraße so massereich wie die Kerne mancher anderer Galaxien, könnte das für das Leben auf unserem Planeten durchaus ein Problem sein. Nur weil es eher ein Leichtgewicht ist, macht es uns hier keine Probleme.

Begrenzter Einfluss - trotz allem

Mit den mathematischen Grundlagen schwarzer Löcher hat sich der Brite Roger Penrose an der University of Oxford befasst. An ihn geht die andere Hälfte des diesjährigen Physik-Nobelpreises - für "die Entdeckung, dass die Bildung von schwarzen Löchern eine robuste Vorhersage der allgemeinen Relativitätstheorie ist", wie es das Nobelkomitee ausdrückt.

Albert Einstein hatte 1915 in der Allgemeinen Relativitätstheorie zwar vorhergesagt, dass Gravitation die Raumzeit beeinflusst. Doch erst 1965 beschrieb  Penrose schlüssig, dass das tatsächlich auch zur Bildung schwarzer Löcher führt. "Penrose war der entscheidende mathematische Physiker für die Beschreibung schwarzer Löcher", sagt auch Astronom Wisotzki. Die Beobachtungen von Ghez und Genzel zeigten deren Existenz dann mit hoher Präzision an. "Es ging aber nicht darum, spezielle Vorhersagen von Penrose zu bestätigen."

Aber vielleicht noch einmal kurz zum Stern S2: Mittlerweile sind sogar Sonnen bekannt, die dem schwarzen Loch im Herzen der Milchstraße noch ein bisschen näher sind. Doch sie riskieren auf absehbare Zeit nicht, vom Galaktischen Kern verschluckt zu werden. Dafür müssten sie sich auf die Entfernung von etwa 16 Lichtminuten nähern. Und darauf deutet derzeit nichts hin, die Bahnen gelten als stabil.

Schwarze Löcher sind zwar mächtig, doch auch ihr Einfluss ist begrenzt.

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