Riesenloch im Milchstraßenzentrum

8. August 2008 von Andreas Müller in Schwarze Löcher

Wie quetscht man 26.000 Jahre in 10 Minuten? Kein Problem: Lesen.

24.000 vor Christus
Ein namenloser Steinzeitmann blickt an den sternübersäten Nachthimmel. Zur gleichen Zeit, woanders im Kosmos, genauer gesagt tief im Zentrum unserer Heimatgalaxie Milchstraße, macht sich eine Schar Lichtteilchen auf den Weg ins All. Sie haben einen langen Weg vor sich – bis zur Erde.

4000 vor Christus
Die Sumerer siedeln sich im Zweistromland zwischen Euphrat und Tigris, dem heutigen Irak, nieder. Es ist ein Volk der Pioniere der Zahlen und des Sternenhimmels. Die Babylonier übernehmen vieles dieser Kultur und sehen in einer bestimmten Sternenkonstellation einen Löwenkopf mit Flügeln. Ägypter und Inder sehen darin vielmehr einen Reiter oder Bogenschützen.

3340 vor Christus
In den Ötztaler Alpen erliegt ein reicher, kleiner Mann, Mitte 40, seinen Verletzungen. Ein Pfeil verletzte ihn tödlich. Alles sieht nach einem Überfall aus - War Habgier das Motiv?

Um 0
Die Griechen deuten die sumerische Sternenfigur als Zentauren, ein Mischwesen aus Pferdeleib und Männeroberkörper, bewaffnet mit Pfeil und Bogen. Im Lateinischen wurde der Schütze später zum Sternbild Sagittarius (Sgr), dem Schützen.

1783 nach Christus
Das Mittelalter ist schon lange vorüber. Referent John Michell stellt in seiner Rede vor der Royal Society Sterne vor, die durch ihre Gravitation ihr eigenes Sternenlicht einfangen könnten.

1868
In Südfrankreich, nahe dem Ort Cro-Magon, finden Forscher fünf Menschenskelette, darunter unser namenloser Steinzeitmann. Der Teaser-Protagonist ist schon lange tot.

1916
Der Physiker Albert Einstein veröffentlicht eine neue Theorie der Gravitation, in der die Schwerkraft geometrisch als verbogene Raumzeit aufgefasst wird. Der deutsche Astronom Karl Schwarzschild löst als erster Einsteins Gleichungen und findet die verbogene Raumzeit einer Punktmasse. Am Ort der Masse wird die Krümmung der Raumzeit unendlich. Im gleichen Jahr stirbt Schwarzschild.

1932
Der US-amerikanische Radioingenieur Karl Guthe Jansky entdeckt im Sternbild Schützen eine helle Radioquelle, genannt Sgr A*.

1967
Der Relativitätstheoretiker John Wheeler erfindet einen Namen für die Punktmassen, die Schwarzschild berechnet hat. Er greift den Zuruf aus seinem Vortragspublikum auf und nennt diese Gebilde black holes: Schwarze Löcher.

1969
Die Astrophysiker Donald Lynden-Bell und Martin Rees etablieren ein Modell, in dem Schwarze Löcher Materie aus ihrer Umgebung aufsammeln. Die dabei auftretenden Leuchtkräfte der Strahlung in der Nähe des Lochs können bei hoher Einfallrate extrem hoch werden. Diese akkretierenden, supermassereichen Schwarzen Löcher können damit die rätselhaften Quasare sehr elegant erklären.

1980
Der Astronom Charles Townes mutmaßt, dass sich bei Sgr A* eine extrem hohe Massenkonzentration befinden könnte.

1991
Deutsche Bergwanderer entdecken eine Gletschermumie  beim Tisenjoch in den Ötztaler Alpen. "Ötzi" hat schlechte Zähne, ist häßlich, tätowiert, tot, aber bald weltberühmt.

1993
US-amerikanische Radioastronomen entdecken im Zentrum der Milchstraße eine Mini-Spirale: eine Struktur turbulenter Gasbewegung – offenbar Material in einigen Parsec Entfernung zur Mitte der Milchstraße, das in das kompakte Zentrum unserer Heimatgalaxie stürzt.

 

1995
Astronomen des Max-Planck-Instituts für extraterrestrische Physik (MPE) in Garching um Reinhard Genzel und Andreas Eckart beobachten mit Infrarotteleskopen die Bewegung von Sternen um das Zentrum der Milchstraße. Indirekt lassen diese Beobachtungen den Schluss zu, dass die kompakte Radioquelle Sgr A* mit einem sehr kompakten, dunklen Objekt von etwa 2.4 Mio. Sonnenmassen assoziiert ist. Dies kann direkt mithilfe des 3. Kepler-Gesetzes gefolgert werden. So viel Masse, auf so wenig Raum? Da kann doch eigentlich nur ein supermassereiches Schwarzes Loch im Herzen unserer Heimatgalaxie lauern, oder?

1998
US-amerikanische Astronomen um Andrea Ghez beginnen ähnliche Studien zum Zentrum der Milchstraße wie die MPE-Gruppe. Die Amerikaner benutzen die Keck-Teleskope auf Hawaii. Ein Wissenswettlauf entbrennt, der bis heute anhält. Insgesamt stimmen die unabhängig gewonnenen Forschungsergebnisse  der beiden konkurrierenden Gruppen überein.

1999
DJ Ötzi landet 1999 mit "Anton aus Tirol" einen Hit. Er hat gute Zähne, ein weißes Mützerl, ist lebendig und bald weltberühmt – zumindest in Deutschland.

2003
Die Infrarotastronomen des MPE Garching beobachten weiterhin das Zentrum der Milchstraße, diesmal allerdings mit dem leistungsfähigen Very Large Telescope (VLT) in Chile. Die Sternbewegungen deuten nun auf ein schwereres Schwarzes Loch von etwa 3 Mio. Sonnenmassen hin. Blitze im Nahinfrarotbereich legen sogar den Verdacht nahe, dass das superschwere Schwarze Loch im Zentrum der Milchstraße rotiert und zwar mit dem halben Wert vom Maximum.

2003
Anstelle eines Schwarzen Loches könnte ein Bosonenball im Zentrum der Milchstraße sitzen. Auch andere Modelle wie der Gravastern oder der Holostern können als Alternative zum klassischen Schwarzen Loch nicht ausgeschlossen werden. Der aktuelle Favorit bei den Astronomen ist das Schwarze Loch, dessen Existenz die Singularitätentheoreme einfordern und das als Relikt von Kollapsrechnungen nach Einsteins Theorie resultiert.

2004
Röntgenastronomen um Bernd Aschenbach am MPE Garching nutzen den europäischen Röntgensatellit XMM-Newton, um das superschwere Schwarze Loch bei Sgr A* zu untersuchen. Das Resultat im hochenergetischen Bereich der Strahlung bestätigt die Masse von etwa 3 Mio. Sonnenmassen, weist aber auf eine deutlich höhere Lochrotation am theoretischen Limit  hin. Diese Interpretation folgt aus der Analyse der Spektren von Röntgenblitzen, die sich in unmittelbarer Nähe zum Loch ereignen. Was da blitzt, ist bislang unklar.

2004
Ein junger Astrophysiker liefert seine Doktorarbeit zum Thema Schwarze Löcher ab. Er möchte jetzt wieder regelmäßig Zähneputzen, wird sich niemals tätowieren lassen, ist total lebendig und wird weltberühmte Forscherkollegen haben, die weder Anton, noch Ötzi heißen.

2005
Infrarotastronomen am MPE beginnen mit der Planung des neuen Instruments GRAVITY. Projektleitung hat Frank Eisenhauer (MPE). GRAVITY soll die räumlichen Strukturen im Zentrum der Milchstraße noch besser auflösen. Die Auflösung soll am Himmel Strukturen von etwa zehn Mikrobogensekunden auflösen – das entspricht in etwa der scheinbaren Größe des Schwarzschildradius eines 3 Mio. Sonnenmassen schweren Loches in einer Entfernung von 26.000 Lichtjahren.

2007
Ein Ü30-Astrophysiker schreibt eine aktuelle Zusammenfassung zum größten Schwarzen Loch in seiner Heimatgalaxie und veröffentlicht sie auf seiner Website.

2008
Die eingangs erwähnte Schar von Lichtteilchen kommt nach 26.000jähriger Reise durch das All im Orionarm der Milchstraße bei der Sonne und schließlich auf der Erde an. Sie erzählen uns eine aufregende Geschichte vom Zentrum unserer Heimatgalaxie – vom Riesenloch in der Milchstraße.

Vielen Dank an KOSMOlogs-Leser Marco für diesen Leserwunsch!


5 Kommentare zu “Riesenloch im Milchstraßenzentrum”

  1. adenosine Antworten | Permalink

    Gibt es denn irgendwo ein schwarzes Loch, wo man Ereignishorizont oder Singularität nachgewiesen hat? Wie muss man denn die Wahrscheinlichkeit einschätzen, dass noch völlig unbekannt Konstrukte für die Phänomene, die wir heute durch schwarze Löcher erklären, verantwortlich sind?

  2. Lars Fischer Antworten | Permalink

    Alternativen

    Es gibt ne ganze Reihe alternativer Ideen, Gravastars und so. Allerdings sind all diese Hypothesen atemberaubend exotisch, und außerdem müssen sie sorgfältig so hingeschraubt werden, dass sie zu den Beobachtungsdaten passen - und die Daten sind alle konsistent mit den Schwarzen Löchern.

    Man soll ja niemals nie sagen, aber das ist schon alles recht weit hergeholt...

    Das Problem ist halt, dass wir noch keine Quantenmechanik für hohe Raumkrümmungen haben und deswegen Schwarze Löcher nicht vollständig beschreiben können.

    @Andreas:
    Passt das so?

  3. Andreas Antworten | Permalink

    Kommentare vom Autor

    Hallo zusammen und Danke für die guten Kommentare, die ich gerne ausführlich beantworte.

    @adenosine
    Es gibt keinen einzigen Kandidaten für ein Schwarzes Loch, bei dem man Ereignishorizont und/oder Singularität nachgewiesen hätte!

    Aber es gibt sehr gute Kandidaten für Schwarze Löcher, bei denen Astronomen per Beobachtung die Masse und das von ihr eingeschlossene Volumen bestimmen können. Beim Zentrum der Milchstraße stellen sie auf der Basis dieser beiden Zahlenwerte fest, dass nicht viele physikalische Modelle erklären können, um was es sich handelt. Das klassische Schwarze Loch passt sehr gut.

    Die Wahrscheinlichkeit, dass sich etwas völlig anderes als ein klassisches Schwarzes Loch im Zentrum der Milchstraße befindet, lässt sich schwierig quantitativ angeben – aber diese Möglichkeit besteht natürlich. Meines Erachtens wäre es vermessen zu glauben, dass wir zum gegenwärtigen Zeitpunkt alles zu diesem Thema wissen und das aktuell favorisierte Modell "Schwarzes Loch" der Weisheit letzter Schluss ist. Die Problemstellen der klassischen Löcher habe ich ja in meinem Blogbeitrag "Schwarze Löcher existieren nicht" diskutiert.

    Fakt 1 ist: Ein klassisches Schwarzes Loch ist ein Objekt einer unquantisierten Gravitationstheorie, nämlich Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie. Die Quantengravitationstheorien (Stringtheorien, Loop-Quantengravitation und andere) haben bereits Alternativmodelle hervorgebracht, die aber avantgardistisch sind, den Charakter von "toy models" und sich noch nicht bewährt haben.
    Fakt 2 ist: Ein klassisches Schwarzes Loch erklärt viele astronomische Beobachtungen sehr gut, z.B. stellare Schwarze Löcher erklären gut die Beobachtungen von Röntgendoppelsternen und Gamma-Ray Bursts; die supermassereichen Schwarzen Löcher erklären gut die kompakte Masse im Zentrum der Milchstraße (übrigens auch in unserer Nachbargalaxie Andromeda M31* und vielen anderen "normalen" Galaxien) sowie die Leuchtkraft aktiver Galaxienkerne wie der Quasare, Radiogalaxien, Blazare etc.
    Generell ist die Akkretionsphysik der klassischen Schwarzen Löchern ein recht gut verstandenes und nach wie vor sehr aktiv erforschtes Fachgebiet.
    Die Preisfrage hinter den Fakten ist, ob man so weit gehen möchte, dass man an einen Ereignishorizont und einen Punkt unendlicher Raumkrümmung (nämlich die Singularität) glaubt. Bislang kann man nur glauben, weil der wissenschaftliche Nachweis schwierig zu erbringen ist.

    Der experimentelle Nachweis des Ereignishorizonts und klassischer Löcher wird meines Erachtens niemals mittels elektromagnetischer Strahlung gelingen, sondern ist nur mit Gravitationswellen zu führen. Leider wurden sie bislang nur indirekt gemessen. Eine Vielzahl von Gravitationswellendetektoren laufen bereits seit Jahren – ich hoffe, dass in wenigen Jahren diese Wellenform auch direkt gemessen wird. Die Wellenform verrät den Charakter des kompakten Objekts. Dann kann die Wissenschaft also mehr sagen, ob wir da wirklich Schwarze Löcher beobachten.

    @Lars
    Mit einer Bewertung im Stil von "atemberaubend exotisch" muss man vorsichtig sein in der Naturwissenschaft: Vor hundert Jahren waren ein dynamisches Universum oder ein Laser "atemberaubend exotisch". Das Quantenvakuum und der Tunneleffekt sind "atemberaubend exotisch" – aber beide experimentell nachgewiesen. Ist Dunkle Energie mit ihrem negativen Druck nicht auch "atemberaubend exotisch"? Schwarze Löcher waren anfangs ebenfalls sehr umstritten – Einstein hatte sich geweigert daran zu glauben, dass Schwarzschilds Lösung in der Natur tatsächlich realisiert wäre.
    Wir urteilen vor dem Eindruck der letzten 50 Jahre, in denen das Modell "Schwarzes Loch" einen Siegeszug geführt hat. Vielleicht belächeln wir in 100 Jahren dieses Modell genauso wie wir heute den Weltäther belächeln. Wer weiß?

    Du hast insofern Recht, Lars, dass Gravasterne, Holosterne und Bosonensterne ebenfalls problematische Modelle sind. Es sind Lösungen der Einstein-Gleichungen - okay, gut; aber was zu zeigen wäre, ist, ob diese Lösungen auch stabil sind. Bei den Gravasternen ist dieser Nachweis offenbar erbracht worden, siehe Cattoen et al. (2005) und Carter (2005). Bei den anderen Modellen ist noch Forschungsarbeit zu tun; so auch bei den Gravasternen, denn noch niemand hat bislang Akkretion auf einen Gravastern auf einem Rechner simuliert.
    Sind klassische Schwarze Löcher realistische Szenarien für das Ende eines Gravitationskollapses? Ja, sagt Einsteins unquantisierte Theorie (nachzulesen in Chandrasekhars "Mathematical Theory of Black Holes"). Einem Update dieser Frage im Rahmen einer semiklassischen Beschreibung (d.h. "mit ein bisschen Quantentheorie") geht das Papier von Barcelo et al. (2007) nach.

    Wissenschaft ist mächtig, aber vorläufig.

    Beste Grüße,
    Andreas

  4. Lars Fischer Antworten | Permalink

    @Andreas

    Ich neige mein Haupt in Demut. :-)

    In letzter Konsequenz ist die gesamte Naturwissenschaft voller Merkwürdigkeiten, wir haben uns nur dran gewöhnt.

    Exotisch sind Gravastars und Co. insofern, dass man nach meinem Dafürhalten über ihre Eigenschaften einfach noch zu wenig weiß, um sie als Arbeitshypothese zu verwenden. Deswegen habei ich ein bisschen Probleme damit, sie an diesem Punkt als echte Alternativen zum klassischen Schwarzen Loch zu sehen. Es kann gut sein, dass sie es mal sein werden, aber dazu muss noch reichlich theoretische Physik betrieben werden.

  5. Monika Antworten | Permalink

    Videos...

    @Andreas

    guck doch einfach mal YouTube durch da gibt es ja nun fast tausende Videos wo sich alles rund um die schwarzen Löcher dreht, sehr interessant!

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