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    Bonn

    Für das Foto eines Schwarzen Lochs: Ein Teleskop so groß wie die Erde

    Die Theorie ist 100 Jahre alt, der Begriff genau 50: Schwarze Löcher. Gesehen hat sie noch keiner. Nun sollen Fotos gemacht werden. Vor allem vom Schwarzen Loch im Zentrum unserer Milchstraße, genannt Sagittarius A*, und einigen Artgenossen in ferneren Galaxien. Federführend mit dabei ist das Bonner Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR). In diesen Stunden beginnen die Beobachtungen.

    Ein Foto von einem Schwarzen Loch vor dem schwarzen Hintergrund des Weltraums? Eine besondere Eigenschaft des monströsen Himmelskörpers kommt dabei den Astronomen zugute: seine ungeheure Anziehungskraft. Die saugt kosmische Gase, Staub und manchmal sogar ganze Sterne an und verschlingt sie. Bevor es dazu kommt, rotiert das eingefangene Material rasend schnell in einer Scheibe um das Schwarze Loch und stößt dabei enorme Strahlung aus. Leider wird der sichtbare Teil davon, den wir „Licht“ nennen, von dünnen, aber riesigen Staubwolken im Zentrum der Milchstraße verschluckt. Andere Frequenzen, wie Infrarot- oder Röntgenstrahlung, kommen aber durch und werden erst von der Erdatmosphäre aufgehalten. Immerhin können sie von Satelliten empfangen werden werden. Radiostrahlung dagegen kann die Lufthülle durchdringen: hier schlägt die große Stunde der Radioastronomen.

    Jetzt erst ist die Technik reif

    „Wir erwarten einen Schatten vor der hellen Radiostrahlung“, erklärt Professor Michael Kramer, Direktor des MPIfR. „Um das zu sehen, benötigt man aber ein Teleskop von der Größe der Erde.“ Die Idee zu einem weltumspannenden Radioteleskop hatte sein niederländischer Kollege Heino Falcke schon vor 20 Jahren, erzählt Kramer. „Aber die Technik war damals noch nicht soweit“. „Vor ein paar Jahren habe ich ihn zufällig an einem Bahnhof getroffen. Wir diskutierten und kamen überein, ein solches Projekt in Europa zu versuchen“. Die beiden Astronomen sowie der Schwerkraft-Physiker Luciano Rezzolla planten das europäische „Black Hole Cam“-Projekt und erhielten dafür vom EU-Forschungsrat 14 Millionen Euro. Später schlossen sie sich dem weltweiten „Event Horizon Telescope“-Projekt (EHT) an. Vom 4. April beobachten nun acht Radioteleskope weltweit das Schwarze Loch im Zentrum der Milchstraße sowie fünf teils noch gewichtigere Schwerkraftmonster in anderen Galaxien.

    Was macht diese Objekte so interessant, dass viele Millionen Euro und Dollar dafür ausgegeben werden und sich dutzende Spitzenforscher damit beschäftigen? Es ist die Suche nach dem heiligen Gral der Physik, einer umfassenden physikalischen Theorie, die alle Phänomene vom kleinsten bis zum größten Maßstab erklären kann. Vorgänge auf atomarer Ebene und darunter kann die Quantentheorie präzise beschreiben, Phänomene in kosmischem Maßstab erklärt vor allem die Allgemeine Relativitätstheorie (ART) von Albert Einstein. Aber schon Einstein wusste, dass es Bereiche gibt, in denen seine Theorie versagt. Beispielsweise wenn sehr große Massen zusammenbrechen. Ihre Dichte wird unendlich groß, die Ausmaße unendlich klein – der Todesstoß für eine physikalische Theorie. Also versuchen Forscher aus dem Verhalten von Materie und Kräften unter Extrembedingungen – sei es in einem Teilchenbeschleuniger oder durch Messungen an einem Schwarzen Loch – eine neue, bessere Theorie ableiten zu können. „Die Allgemeine Relativitätstheorie hat bisher alle Tests mit wehenden Fahnen bestanden“, erklärt Kramer, „aber man kann sich nicht einfach darauf verlassen, dass es dabei bleibt.“ Er vermutet,wie viele andere Physiker auch, dass sich die ART als Spezialfall einer vollständigeren Theorie zeigen wird. Ähnlich, wie es den einfachen Bewegungsgesetze von Isaac Newton ergangen war, die im Alltag völlig ausreichen, bei extremen Geschwindigkeiten oder Massen aber der präziseren und komplizierteren Relativitätstheorie weichen mussten.

    Die allerletzte Grenze

    Darum ist der Nachweis des Schattenwurfs eines Schwarzen Lochs so wichtig: Es beweist den „Ereignishorizont“, die scharfe Grenze, der nicht einmal Licht entkommt. Findet man keinen Schatten, dann gibt es diesen Horizont nicht. Einstein wären widerlegt, man könnte praktisch die nackte Singularität sehen; im Wortsinn eine Unmöglichkeit.

    Existiert der Schatten aber, kann man an seiner Form ablesen, ob und wie schnell das Objekt rotiert. Daran – und am Verhalten von Objekten in seiner Umgebung – lässt sich die Verzerrung von Raum und Zeit ablesen. Deshalb möchte Kramer „als Gegenprobe“ auch „Pulsare“ möglichst nahe am Schwarzen Loch finden und beobachten. Das sind schnell rotierende Neutronensterne, „Leichen“ ausgebrannter großer Sterne, die aber nicht gewaltig genug waren, um zum Schwarzen Loch zu werden. Ihre Rotation ist so hochpräzise, dass sie als kosmische Uhren benutzt werden: „Damit können wir die von der Allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagte Krümmung von Raum und Zeit in der Nähe eines Schwarzen Lochs mit bisher unerreichter Genauigkeit zu vermessen“

    Den großen Aufwand des Event Horizon Telescope-Projekts erklärt Professor Anton Zensus, geschäftsführender Direktor des MPIfR und Vorsitzendes des weltweiten Projektes: „Wir beobachten zehn Tage lang ab dem 4. April täglich 12-14 Stunden. Dabei müssen stets mehrere Teleskope auf das gleiche Objekt ausgerichtet werden. Bei allen Teleskopen genießen unsere Beobachtungen Vorrang, weil wir ja an mehreren Gebieten auf der Welt gleichzeitig günstige Bedingungen brauchen.“ „Vor allem wegen des Wetters in den verschiedenen Weltgegenden werden wir diese Tage schon mit ein wenig Angst und Bangen verbringen“, ergänzt Professor Eduardo Ros, der selbst aktiv an den Beobachtungen beteiligt ist. Im schlimmsten Fall könnten die Messungen 2018 wiederholt werden.

    Je nach Qualität der Messungen dauert die Auswertung der Daten drei bis sechs Monate. Danach könnte erstmals das Abbild eines Schwarzen Lochs das Licht der Welt erblicken.

    Von unserem Redakteur Jochen Magnus

    Das Schwarzes Loch – ein eigentlich unmögliches Monstrum

    Schon vor über 200 Jahren kamen kluge Köpfe auf die Idee eines sehr großen Sterns, dessen Schwerkraft ausreicht, selbst Licht einzufangen. Die korrekte physikalische Erklärung fand der deutsche Astronom Karl Schwarzschild vor 100 Jahren – ausgehend von Albert Einsteins kurz zuvor veröffentlichten Allgemeinen Relativitätstheorie. Der Begriff „Schwarzes Loch“ etablierte sich vor genau 50 Jahren.

    Wenn extrem große Massen in sich zusammenfallen, gibt es kein Halten mehr, die Materie verschwindet sozusagen aus dem beobachtbaren Universum. Was sich phantastisch anhört, passiert in der Natur: wenn sehr große Sterne ausgebrennen, also kein Material für weitere Kernverschmelzungen mehr übrig ist. Das „Sternenfeuer“ erlischt, der Innendruck sinkt, die Sterne stürzen in sich zusammen und explodieren schließlich in einer Supernova. Dabei stoßen sie ihre äußere Hülle ab. Ist der Sternenrest immer noch mindestens zweieinhalb schwerer als unsere Sonne, reicht keine Gegenkraft dieser Welt mehr aus: Die Atome drängen ineinander und lösen sich auf. Nach derzeitigen physikalischen Theorien würde der Stern auf einen unendlich kleinen Punkt zusammengedrückt. Ein Ding der Unmöglichkeit, finden fast alle Wissenschaftler; sie sprechen eleganter von einer „Singularität“. Unendliche Werte zeigen, dass eine physikalische Theorie noch unvollständig ist. Recht Unstrittig dagegen ist, dass sich um diese „Unmöglichkeit“ herum, nach dem Kollaps eine Hülle bildet. Sie ist keine materielle Grenze, sondern ein „Ereignishorizont“ (englisch: „event horizon“). Bei einem Stern der einst Millionen Kilometer durchmaß, beträgt der Durchmesser dieses Horizonts nur etwa 30 Kilometer. Alles, was diese Grenze passiert, ob Licht, kosmischer Staub oder ein kompletter Stern, kann nie mehr entweichen, wird in das Loch eingesogen. Es kann sogar vorkommen, dass zwei Schwarze Löcher miteinander verschmelzen. Ein solcher kosmischer Super-GAU wurde 2015 vom Gravitationswellen-Observatorium „Ligo“beobachtet: Der erste direkte Nachweis der ebenfalls von Einstein vorhergesagten Schwerkraftwellen.

    Neben diesen „stellaren“ Schwarzen Löchern, die durch kollabierende Sterne entstehen, gibt es noch – über Zwischenstufen – die „supermassiv“ genannten Exemplare, deren Entstehung noch nicht erforscht ist, Sie sind unfassbar groß: So hat Sagittarius A* im Zentrum der Milchstraße die Masse von 4,3 Millionen Sonnen. Rekordhalter ist der Quasar OJ 287, der 18 Milliarden mal schwerer ist als die Sonne und jetzt auch vom Event Horizon Telescope beobachtet wird. Seine Strahlung benötigt dreieinhalb Milliarden Jahre, bis sie die Erde erreicht.  jo

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