TV-Doku: Unsichtbare Monster

Schwarze Löcher sind faszinierende Gebilde, die bis heute für uns in geheimnisvollem Dunkel liegen. In einer dreiteiligen Mini-Serie von HYPERRAUM.TV versucht Susanne Päch in „Unsichtbare Monster – Science-Talk über das erste Bild eines Schwarzen Lochs und wie es entstand“ mit dem Hochenergie-Astrophysiker Thomas Boller ein Bild über unseren derzeitigen Kenntnisstand des Dunklen zu zeichnen, die bis zu Fragen nach der Quantengravitation reichen, mit der die bis heute theoretisch getrennte Welt der Teilchenphysik und die der Raumzeit von Albert Einstein theoretisch vereint werden soll.

Das Schwarze Loch an sich entzieht sich unserer Beobachtung, denn nach der Theorie kann kein Licht dem Schwarzen Loch entkommen. Genau das sehen wir auch – oder eben besser nicht: eine dunkle Zentralregion, die sich gegen das sie umgebende leuchtende Plasma abhebt. Der dunkle Bereich entspricht dabei dem etwa 2,5-fachen Durchmesser des eigentlichen Schwarzen Lochs. Bis heute liegt die Kenntnis darüber, was an diesem Grenzübergang in die dunkle Welt tatsächlich passiert, ausschließlich in den Händen von Theoretikern.

Der Astrophysiker unterscheidet zwei große Gruppen von Schwarzen Löchern, zuerst einmal passive Schwarze Löcher, die wie der Zentralstern unserer Galaxis, Sagittarius A. Umgeben ist er von gewaltigen Materiewolken bestehend aus optisch dünnem Gas, das sich auf großen Skalen erstreckt. Sie zeigen sich vor allem im Infrarot und Röntgenbereich. Weiter gibt es relativ junge Sterne, die das Schwarze Loch im Zentrum der Milchstraße in nur wenigen Jahren  umkreisen – mit der schier unvorstellbaren Geschwindigkeit von bis zu 25 Mio. km/h oder auch 1000 km/s – beobachtbar sind sie vor allem mit Telekopen im infraroten Bereich. Ganz anders ist das bei den sogenannten aktiven Galaxien, deren sogenannte Akkretionsscheibe bis zum Ereignishorizont des Schwarzen Lochs heranreicht. Hier erfassen die Instrumente hochenergetische Materie, wie sie von der Gravitation auf einem Strudel in das Loch hineingezogen wird – sichtbar in Röntgen- und Gammastrahlung, aber auch im Radiolicht. Die ständig eingezogene Materie führt dazu, dass immer wieder Teile davon in gewaltigen Jets ausgestoßen werden. Diese Millionen von Kilometern in den Raum schießenden Strahlungsbündel lassen sich meist in unterschiedlichen Wellenlängen beobachten.

Die  Geschichte der unsichtbaren Schwarzen Löcher begann damit, dass der Atomphysiker Karl Schwarzschild schon 1915 feststellte, dass es in Einsteins damals neu vorgestellter Allgemeinen Relativitätstheorie sogenannte Singularitäten geben kann: bizzare Orte, deren Grenze zur beobachtbaren Welt von der Wissenschaft heute als Schwarzschild-Radius oder auch Ereignis-Horizont bezeichnet wird. Durch die enorme Schwerkraft kann von dort kein Photon mehr entfliehen. Aber mehr noch: Nach Einsteins Lehre müssten sich die Teilchen dort mit Lichtgeschwindigkeit bewegen, die Zeit hält an und der Raum wird unendlich. Für Einstein war klar, dass seine Theorie an jenen exotischen, damals nur hypothetischen Bereichen extremer Massenkonzentration versagt, dort, wo die Prozesse der Quantenmechanik auf die Wirkungen der Gravitation treffen. Deshalb kam er zu dem Schluss, dass Schwarze Löcher so nicht existieren könnten. Was aber an ihre Stelle tritt, dafür konnte er zeitlebens auch keine Lösung präsentieren. Rund hundert Jahre später gibt es zwar konkurrierende theoretische Lösungskonzepte wie die Stringtheorie, doch ihnen fehlen  konkrete Beobachtungs-Daten, die im wahrsten Sinn des Wortes „Licht ins Dunkel“ bringen würden.

Für Astrophysiker sind Schwarze Löcher heute ausschließlich wegen ihrer in astronomischem Maßstab „nahen“ Umgebung interessant. Denn in diesem Bereich zeigen sie sich als extrem helle Objekte, die gut gemessen und analysiert werden können. Doch dort herrscht eine höchst spezielle Situation: Denn Strahlung wird in der so massiv veränderten Raumzeit und der enormen Schwerkraft eines Schwarzen Lochs gekrümmt,  dabei um das Loch herum geführt, ehe es dann von der Erde aus beobachtbar wird.  Will man also die Vorgänge in dem uns bekannten dreidimensionalen Raum-Zeit-Kontinuum darstellen, dann geht das nur durch extensive Auswertung der digital erfassten Daten. Erst so erschließt sich für den Menschen die Bedeutung der Datenwelt.

Inzwischen hat die Astronomie weitere Methoden mit neuen Beobachtungsbereichen erschlossen. In der sogenannten Multimessenger-Astronomie enthüllen Wissenschaftler mit der Erforschung von Magnetfeldern, Neutrinos oder Gravitationswellen inzwischen einen ganz anderen Blick vom Universum. Aber auch diese Erkenntnisse: beherrscht von komplexen Algorithmen. Mit der Multimessenger-Astronomie verbindet sich inzwischen gewisse Hoffnung, denn für manche Erkenntnis der Zukunft muss es vielleicht gar nicht „Licht werden“: Vielleicht bringen uns beispielsweise die Forschungen über Gravitationswellen neue und hilfreiche Aufschlüsse, was im mysteriösen Reich des Ereignishorizonts von Schwarzen Löchern tatsächlich vorgeht.

Für die Welt der Wissenschaft ist es zudem von größter Bedeutung, dass diese mit ganz unterschiedlichen Methoden der Multimessenger-Astronomie gewonnenen Erkenntnisse eine Übereinstimmung der theoretischen Vorstellungswelten zeigen. In jedem Fall erhöht diese Tatsache die Wahrscheinlichkeit, dass die umfangreichen Algorithmen der modernen Astrophysik, die auf der Grundlage von selbst für Wissenschaftler zuerst einmal nur unverständlichen Rohdaten hervorgehen,  tatsächlich das zeigen, was sie uns in schönen Bildern letztlich nur „vorgaukeln“: die Visualisierung der Realität.

Ansprechpartner:
Dr. Susanne Päch
Chefredaktion HYPERRAUM.TV
Bavariafilmplatz 3
82031 Grünwald
susanne.paech@hyperraum.tv

http://hyperraum.tv

http://hyperraum.tv/2020/03/15/unsichtbare-monster/