Wahrscheinlich haben Sie schon von dem ersten Bild eines schwarzen Lochs gehört, das von einem Wissenschaftler veröffentlicht wurde. Das Bild war nicht nur für die Astronomie, sondern auch für die ganze Welt eine erstaunliche Nachricht. Dieses Bild war der erste Schritt zu einer neuen Tür der Information. Das Universum wird mit jeder neuen Information erhellt, und dadurch sind wir in der Lage, all die Geheimnisse jenseits unseres Planeten besser zu verstehen.
Vor kurzem wurden zwölf Preisträger mit dem Nobelpreis 2020 ausgezeichnet, und einer von ihnen hat mit seinen Forschungen und Entdeckungen einen bemerkenswerten Beitrag zur Menschheit geleistet. Sie alle sind erstaunliche Forscher und wir würden hier gerne über jeden einzelnen von ihnen sprechen, aber heute werden wir zur besseren Erklärung und zum besseren Verständnis des Kontextes des ersten Bildes eines Schwarzen Lochs über die Arbeit der Preisträger Roger Penrose, Reinhard Genzel und Andrea Ghez sprechen, die den Nobelpreis für Physik erhalten haben.
Laut der offiziellen Website des Nobelpreises wurden die Preisträger "für die Entdeckung, dass die Entstehung schwarzer Löcher eine robuste Vorhersage der allgemeinen Relativitätstheorie ist" und "für die Entdeckung eines supermassiven kompakten Objekts im Zentrum unserer Galaxie" ausgezeichnet. Penrose bewies mit beeindruckenden mathematischen Methoden, dass Schwarze Löcher mit der Einsteinschen Relativitätstheorie zusammenhängen, während Reinhard Genzel und Andrea Ghez mit ihren Arbeiten unwiderlegbare Beweise dafür erbrachten, dass sich tatsächlich ein Schwarzes Loch im Zentrum unserer Milchstraßengalaxie befindet, das heute unter dem Namen Sagittarius A* bekannt ist.
Um das Thema vollständig zu verstehen, müssen wir einige grundlegende Konzepte über Schwarze Löcher kennen, z. B. "Was ist ein Schwarzes Loch?", "Woraus bestehen sie? Wo können wir eines finden?"
Das erste, was wir wissen müssen, ist ein Konzept, das in vielen Bereichen der Astronomie häufig verwendet wird, nämlich der Begriff der Raumzeit. Die Raumzeit ist eine vierdimensionale Mannigfaltigkeit, drei Dimensionen des Raums und eine Dimension der Zeit, in einem Koordinatensystem mit (x,y,z,t). Eine interessante Tatsache ist, dass ein einzelner Punkt in diesem Koordinatensystem als Ereignis bezeichnet wird. Damit sind wir bei der Definition eines Schwarzen Lochs angelangt.
Ein Schwarzes Loch ist eine Raumzeitregion wo die Schwerkraft soooooo stark ist, dass kein Gas, kein Staub, kein Teilchen und nicht einmal das Licht sich davon lösen kann! Sie werden alle durch die Schwerkraft in das Schwarze Loch gezogen und verschwinden an einen Ort, der den Wissenschaftlern bis heute unbekannt ist. Das Interessante daran ist, dass es unmöglich ist, ein Schwarzes Loch zu sehen oder auch nur zu wissen, wo es sich befindet, wenn sich nicht einmal das Licht von dieser Kraft befreien kann. Das ist so, als würde man versuchen, ein schwarzes Objekt vor einem schwarzen Hintergrund zu sehen - man kann es nicht sehen, und wenn doch, ist es sehr schwer. Wie machen die Wissenschaftler das also?
Theoretisch entstehen Schwarze Löcher in der Regel, wenn ein sehr massereicher Stern, der viel schwerer als die Sonne ist, am Ende seines Lebens kollabiert. Die Masse ist ein sehr wichtiger Faktor, der darüber entscheidet, ob sich der tote Stern in ein Schwarzes Loch oder einen Neutronenstern verwandeln wird. Dieser supermassereiche Stern wird durch die Schwerkraft auf einen sehr kleinen Raum gepresst, und um ein Schwarzes Loch zu bilden, kann diese kompakte Masse die Raumzeit verformen, wie die allgemeine Relativitätstheorie besagt.
Diese Verformung der Raumzeit erzeugt eine Gravitationsbeschleunigung, die auf das Zentrum des dichten Massenkörpers gerichtet ist. Aufgrund dieser Kraft beginnen Gase und Teilchen in der Nähe des Schwarzen Lochs zu rotieren und werden zwangsweise in das Schwarze Loch gezogen. Dieses Phänomen wird als Akkretionsscheibe.
Diese Gravitations- und Reibungskraft bewirkt, dass alle Gase und Teilchen mit elektrischen Ladungen nicht nur einen Temperaturanstieg, sondern auch eine elektromagnetische Strahlung mit verschiedenen Frequenzen wie Infrarot oder Röntgenstrahlung erzeugen. Aufgrund dieser erstaunlichen Eigenschaft kann ein Schwarzes Loch "gesehen" werden. Das ist gut, aber es erleichtert die Arbeit der Wissenschaftler nicht zu 100 Prozent. Man hat eine Frequenz, die man verfolgen kann, aber man kann immer noch nicht sagen: "Oh, schau mal, ein schwarzes Loch da drüben am Himmel". Wir können das Licht eines schwarzen Lochs nicht mit dem eines normalen Sterns gleichsetzen; sie unterscheiden sich stark voneinander. Aber die gute Nachricht ist, dass das schwarze Objekt vom Anfang nun leicht im schwarzen Hintergrund leuchtet.
Auf dem ersten Bild des Schwarzen Lochs ist die Akkretionsscheibe zu sehen. Das Schwarze Loch ist in diesem Fall 6,5 Millionen Mal schwerer als unsere Sonne und befindet sich in der Galaxie Messier 87, 53 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt. Das Bild wurde mit der Zeitarbeit von acht verschiedenen Teleskopen auf der ganzen Welt, dem Event Horizon Telescope und einigen anderen Weltraumteleskopen möglich, die im April 2017 gleichzeitig Daten von M87 aufnahmen. Jedes dieser Teleskope erfasst verschiedene Daten des Schwarzen Lochs, die dann zu einem Bild zusammengefügt werden. Das klingt nach einem einfachen Schritt, aber die Wissenschaftler mussten hart arbeiten, um alle Daten vollständig zu verstehen und zu wissen, wie sie damit umgehen, welchen Algorithmus sie verwenden und wie sie ihn nutzen.
In einem 1997 veröffentlichten Artikel zeigte Genzel, dass gesammelte Daten aus fünf verschiedenen Jahren, von 1992 bis 1996, schnell bewegte Sterne in der unmittelbaren Umgebung von Sgr A* erfassen, und dass sich eine sehr große und schwere dunkle Masse in der Mitte dieser Sterne befindet. "Es gibt keine stabile Konfiguration von normalen Sternen, stellaren Überresten oder substellaren Gebilden bei dieser Dichte", heißt es in dem Artikel (GENZEL et al., 1997). Die Schlußfolgerung: "Es muß ein massives schwarzes Loch im Kern der Milchstraße geben".
In einem weiteren 1998 veröffentlichten Artikel von Ghez wurde in einer zwei Jahre dauernden Studie dasselbe Muster von sich bewegenden Anfängen an derselben Stelle festgestellt, wie es in dem Artikel heißt: "Spitzenwerte sowohl der stellaren Oberflächendichte als auch der Geschwindigkeitsdispersion stimmen mit der Position des (damals noch kandidierenden) Schwarzen Lochs Sgr A* überein" (GHEZ et al., 1998). Die in der Studie verwendeten Bilder wurden mit Wellenlängen im nahen Infrarotbereich aufgenommen, der Art von Frequenz, die von der Akkretionsscheibe abgestrahlt wird.
Hier ist eine kurze Liste mit diesen Artikeln:
GENZEL, R. et al. Über die Natur der dunklen Masse im Zentrum der Milchstraße. Monatliche Mitteilungen der Königlichen Astronomischen Gesellschaft, v. 291, n. 1, p. 219-234, 11 out. 1997.
GHEZ, A. M. et al. High Proper-Motion Stars in the Vicinity of Sagittarius A\ast: Beweise für ein supermassives Schwarzes Loch im Zentrum unserer Galaxie. Das Astrophysikalische Journal, v. 509, n. 2, p. 678-686, dez. 1998.
GHEZ, A. M. et al. Measuring Distance and Properties of the Milky Way's Central Supermassive Black Hole with Stellar Orbits. Das Astrophysikalische Journal, v. 689, n. 2, p. 1044-1062, dez. 2008.
Ist das Universum nicht wunderschön?
Wie David Haviland, der Vorsitzende des Nobelkomitees für Physik, sagte, "werfen diese exotischen Objekte noch viele Fragen auf, die nach Antworten betteln und die zukünftige Forschung motivieren. Nicht nur Fragen zu ihrer inneren Struktur, sondern auch Fragen dazu, wie wir unsere Theorie der Schwerkraft unter den extremen Bedingungen in der unmittelbaren Umgebung eines Schwarzen Lochs testen können". Und wir werden hier sein, freuen uns aber schon auf die nächste Pause! In der Zwischenzeit danken wir den diesjährigen Preisträgern Roger Penrose, Reinhard Genzel und Andrea GhezSie sind großartig!
Wenn Sie auch etwas über die Arbeit von Roger Penrose lesen möchten, finden Sie hier einige Artikel, die seine Arbeit beschreiben. Einer von ihnen wurde zusammen mit dem legendären Stephen Hawking. Sie können diese Artikel auch hier nachlesen:
HAWKING, S.; PENROSE, R. Die Natur von Raum und Zeit. Amerikanische Zeitschrift für Physik, v. 65, n. 7, p. 676-676, 1 jul. 1997.
EHLERS, J.; RINDLER, W.; PENROSE, R. Energy Conservation as the Basis of Relativistic Mechanics. II. American Journal of Physics, v. 33, n. 12, p. 995-997, 1 dez. 1965.
NEWMAN, E.; PENROSE, R. An Approach to Gravitational Radiation by a Method of Spin Coefficients. Journal of Mathematical Physics, v. 3, n. 3, p. 566-578, 1 maio 1962.
PENROSE, R.; RINDLER, W. Energy Conservation as the Basis of Relativistic Mechanics. American Journal of Physics, v. 33, n. 1, p. 55-59, 1 jan. 1965.
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