Die perfekte Theorie (8): Schwarze Löcher sind real!

Dieser Artikel ist Teil einer fortlaufenden Besprechung des Buchs „Die perfekte Theorie: Das Jahrhundert der Genies und der Kampf um die Relativitätstheorie“* (im Original „The Perfect Theory: A Century of Geniuses and the Battle over General Relativity“* von Pedro Ferreira. Jeder Artikel dieser Serie beschäftigt sich mit einem anderen Kapitel des Buchs. Eine Übersicht über alle bisher erschienenen Artikel findet man hier
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Im ersten Kapitel des Buchs haben wir erfahren, was eigentlich das allgemeine an der Allgemeinen Relativitätstheorie ist und wie Albert Einstein überhaupt auf die Idee kam, sie zu entwickeln. Im zweiten Kapitel hat Einstein dann mühsamer Rechnerei endlich herausgefunden, wie er diese Theorie formulieren kann. Das dritte Kapitel hat gezeigt, dass wir aus der allgemeinen Relativitätstheorie überraschend viel über die Entstehung des Universums lernen können. Kapitel 4 hat erklärt, dass man aus ihr auch faszinierende Erkenntnisse über sterbende Sterne erhalten kann. In Kapitel 5 ging es um Einsteins Gegner und die zweifelten in Kapitel 6 sogar den Urknall an; den größten Erfolg der Relativitätstheorie. In Kapitel 7 erzählt Ferreira wie die Relativitätstheorie langsam wieder an Fahrt aufnahm und sich nun auch die Astrophysiker mit ihr beschäftigten mussten.

Denn langsam aber sicher wurde immer klarer, dass die „seltsamen“ und „unrealistischen“ Lösungen der Einsteinschen Feldgleichungen mit den Singularitäten nicht ganz so seltsam und unrealistisch waren, wie man dachte. Oppenheimer und Snyder hatten in den 1940er Jahren gezeigt, dass ein ausreichend massiver Stern am Ende seines Leben immer weiter kollabieren kann bis die ganze Raumzeit in seiner Umgebung zu einer Singularität kollabiert. Einer Region, die Karl Schwarzschild schon 1916 beschrieben hatte und aus der nichts mehr in den Rest des Universums zurück kehren konnte, wenn es einmal dort angelangt war. Einstein akzeptierte zwar, dass so eine Singularität theoretisch aus den Lösungen seiner Feldgleichungen resultieren konnte, war aber überzeugt, dass es so etwas in der Realität nicht geben konnte. Der gleichen Meinung war auch Eddington. Und John Wheeler der für die neue Popularität der Relativitätstheorie in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts verantwortlich war. Eigentlich dachten damals die meisten Wissenschaftler, dass es solche Singularitäten nicht geben könnte.

Gut, große Sterne werden am Ende ihres Lebens zwar zwangsläufig kollabieren. Aber nicht so weit, um am Schluss in diesem seltsamen Zustand enden, wo sie alles in ihrer Umgebung verschlucken und festhalten; sogar das Licht. Aber angeregt durch Wheelers Vortrag bei der Relativitätskonferenz im Jahr 1963, von der im letzten Kapitel die Rede war, begann eine neue Generation von Wissenschaftler das Problem genauer zu untersuchen. Zu ihnen gehörte auch Roger Penrose. Penrose schuf eine völlig neue Technik um die Raumzeit im Rahmen von Einsteins Gleichungen untersuchen zu können. Und auch andere kamen zu neuen Ergebnissen. Zum Beispiel Roy Kerr, der eine die ursprüngliche Lösung von Karl Schwarzschild vereinheitlichte. Und da waren da noch die Russen, die zur damaligen Zeit noch ziemlich isoliert von den westlichen Wissenschaftlern arbeiten mussten, aber ebenfalls sehr interessiert an Einsteins Theorie waren. Zu ihnen gehörten Jakow Seldowitsch (über dessen Arbeit ich auch schon mal hier geschrieben habe), Isaak Chalatnikow und Jewgeni Lifschitz.

Die beiden letztgenannten veröffentlichten 1965 eine Arbeit, in der sie zeigten, dass Singularitäten nicht entstehen können. Oppenheimer und Snyder und ihre Nachfolger gingen immer von symmetrischen Zuständen aus und davon, dass alle Teile eines kollabierenden Sterns gleich schnell und gleichzeitig in Richtung Zentrum fielen. Aber Sterne sind keine perfekt symmetrischen Objekte und Chalatnikow und Lifschitz wiesen nach, dass diese Asymmetrien die Bildung einer Singularität unmöglich machten. Als die beiden bei einer Konferenz ihre Ergebnisse vortrugen, saß im Publikum auch Roger Penrose. Und er wusste, dass die Russen sich geirrt haben mussten. Denn er hatte selbst gerade einen Artikel zur Veröffentlichung eingereicht, in dem er mathematisch bewies, dass ein ausreichend großer Stern immer zu einer Singularität kollabiert; Asymmetrien hin und her. Sein „Singularitätstheorem“ wurde berühmt und holte die Singularitäten endgültig aus der mathematischen Abstraktion in die Realität. Wenn Einsteins Relativitätstheorie korrekt war, dann musste es sie da draußen auch geben.

Mittlerweile ging man auch dazu über, die Singularitäten mit einem etwas weniger technischen Namen zu bezeichnen. John Wheeler prägte 1967 für sie das Wort, das wir auch heute noch benutzen: Schwarzes Loch. Und die Astronomen, die sich nun auch immer mehr für Einsteins Theorie interessierten, schienen den schwarzen Löchern hart auf den Fersen zu sein.

1968 entdeckte man zwar noch keine schwarzen Löcher. Dafür fand aber Jocelyn Bell etwas fast ebenso beeindruckendes: Extrem kompakte Sternenüberreste, die wahnsinnig schnell rotierten und regelmäßige Radiosignale absandten. Diese „Pulsare“ waren schnell rotierende Neutronensterne. Also das, was nach dem Kollaps von Sternen übrig bleibt, die noch gerade zu leicht sind, um zu schwarzen Löchern zu werden. Und wenn es die tatsächlich gab, dann vielleicht auch die schwarzen Löcher selbst. Vor allem, weil man nun bemerkte, dass sie womöglich nicht völlig unsichtbar sein müssen. Schwarze Löcher könnten Teil eines Doppelsternsystems sein. Diese Idee stammte von Jakow Seldowitsch und er schlug vor, dass man nach seltsam wackelnden Sternen suchen sollte, die in Wahrheit ein schwarzes Loch umkreisten. Und da dabei irgendwann auch mal Materie vom Stern in das Loch fallen würde und diese Materie dabei enorm beschleunigt wird und deswegen starke Röntgen- und Radiostrahlung abgibt, könnte man auch nach diesem Phänomen suchen.

Enorm starke Radioquellen? Moment Mal, dachte sich da der britische Astronom Martin Rees; ein Schüler von Martin Ryle, den wir schon in Kapitel 6 getroffen haben, als es um die Untersuchung der mysteriösen „Radiosterne“ ging. Und diese Radiosterne waren enorm starke Radiosterne. Rees zeigte gemeinsam mit Dennis Sciama, dass die Radiosterne bzw. Quasare gigantische schwarze Löcher sein könnten, die von Unmengen an Materie umgeben sind, die bei ihrem Fall ins Loch entsprechend viel Strahlung abgeben. Und als man dann in den 1970er Jahre die ersten Röntgenteleskope ins All schickte und auch noch jede Menge Röntgenquellen fand, waren immer mehr Wissenschaftler davon überzeugt, dass es die Löcher tatsächlich gab.

Und nicht nur das. Ein Schüler von Dennis Sciama konnte zeigen, dass es die Singularitäten nicht nur heute geben musste, sondern auch früher gegeben hatte. Der Schüler war Stephen Hawking und er wies mathematisch nach, dass sich ein expandierendes Universum wie es sich aus Einsteins Feldgleichungen ergab (siehe Kapitel 3), aus einer Singularität begonnen haben musste. Mittlerweile hatte Martin Rees mit seinen Messungen an Quasaren auch deutlich belegen können, dass Hoyles Steady-State-Universum nicht funktionieren konnte und Arno Penzias und Robert Wilson hatten die kosmische Hintergrundstrahlung entdeckt, die einen weiteren Beweis für die Existenz des Urknalls lieferte.

Mitte der 1970er Jahre war Einsteins Relativitätstheorie wieder voll da. Die Schwarzen Löcher und der Urknall waren Teil der beobachtenden Astronomie geworden und keine reinen mathematischen Spielereien mehr. Man hatte mit der Quantenmechanik gleichgezogen und machte sich erneut an die Aufgabe, an der damals in den 1950er Jahren Einstein gescheitert war: Die Vereinheitlichung aller Theorien.

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