- Schwarze Löcher sind die vielleicht faszinierendsten Objekte in unserem Universum.
- Durch Einsteins Relativitätstheorie vorhergesagt, blieben die Massemonster aber über Jahrzehnte ein Mysterium.
- Reinhard Genzel hat mit Sagittarius A* eines der Objekte im Zentrum unserer Galaxie entdeckt - und dafür den Nobelpreis erhalten.
- Im Interview erzählt er, was Schwarze Löcher eigentlich sind - und warum Einstein mit seiner eigenen Theorie ein Problem hatte.
Kaum ein anderes Himmelsphänomen fasziniert Menschen so sehr, wie Schwarze Löcher. Das Faszinierende: In diesen Objekten kollidiert die Welt des unheimlich Grossen mit der Welt des unvorstellbar Kleinen - und führt zu Problemen, welche die Wissenschaft bis heute nicht gelöst hat.
Lange Zeit war nicht klar, ob diese extremen Objekte mit teils mehreren Millionen Sonnenmassen überhaupt wirklich existieren. Bis Reinhard Genzel ein ebensolches Massemonster im Zentrum unser Milchstrasse nachweisen konnte. Für seine Arbeit erhielt er im Dezember 2020 den Nobelpreis für Physik. Wir haben uns mit ihm unterhalten.
Guten Tag, Herr Genzel. Die erste Frage haben Sie sicher schon hundertfach gehört: Was sind Schwarze Löcher?
Reinhard Genzel: Eigentlich ist das einfach. Man muss nur zwei Dinge wissen: Die eine Sache ist, dass die Lichtgeschwindigkeit die grösste Geschwindigkeit ist, mit der man Informationen übertragen kann. Die andere Sache ist, dass die Schwerkraft auch das Licht beeinflusst.
Ein Beispiel von unserem täglichen Leben auf der Erde: Wenn man eine Rakete hat und die wegschiessen will, dann muss diese eine minimale Geschwindigkeit haben - auf der Erde sind das 11 km/s oder 40.000 km/h. Wenn man die Erde nun schwerer oder kleiner macht, nimmt diese Geschwindigkeit zu - denn in beiden Fällen wird die Schwerkraft grösser. Und wenn man nun in Gedanken die Erde auf einen Zentimeter zusammenpressen würde, dann kann man sich leicht ausrechnen, dass die Geschwindigkeit, welche die Rakete benötigen würde, um diese Erde zu verlassen, auf einmal zur Lichtgeschwindigkeit - also rund 300.000 km/s - wird.
Das bedeutet, dass so einem Objekt auch Licht nicht mehr entkommen kann. Solche Objekte - die wir Schwarze Löcher nennen - sind dann von der Umgebung abgekoppelt durch einen, wie wir sagen, Ereignishorizont.
"Die Frage, die sich uns Astrophysikern stellt, ist: Gibt es diese Objekte wirklich?"
Das bedeutet also, ich sehe nicht das Schwarze Loch selbst, sondern nur die Grenze, an welcher Licht ihm nicht mehr entkommen kann?
Genau. Doch die interessante und paradoxe Frage, die sich uns als beobachtenden Astrophysikern stellt, ist: Gibt es diese Objekte wirklich? Solche Objekte sind zwar eine Vorhersage der Allgemeinen Relativitätstheorie vor hundert Jahren, aber das muss die Natur ja nicht so realisiert haben.
Roger Penrose, der den Nobelpreis mit mir bekommen hat, geht da mathematisch darauf ein - auf die ersten Lösungen nach
Hier begann dann aber 50 Jahre nach der Relativitätstheorie eine neue Phase der Entdeckungen, in welcher neue Objekte am Himmel gefunden wurden. Diese wurden nun in den letzten 40 Jahren immer intensiver untersucht und mit genaueren Methoden nachgewiesen, dass wir heute sehr sicher sind, dass das die Objekte sind, welche die Allgemeine Relativitätstheorie vorhersagt.
Die Objekte kleinerer Art nennen wir heute stellare Schwarze Löcher, die Objekte grösserer Art nennen wir heute massereiche oder supermassive Schwarze Löcher.
Was ist der Unterschied zwischen stellaren und supermassiven Schwarzen Löchern?
Erstmal ist es eine Masse. Die stellaren Schwarzen Löcher haben ungefähr 10- bis 30-mal die Masse der Sonne. Sie sind das Ergebnis der Entwicklung von sehr, sehr schweren Sternen. Wenn Sie einen Stern mit 100 Sonnenmassen haben, dann verfeuert dieser seine Fusionsenergie extrem schnell. Innerhalb von einer Million Jahren hat er sein Reservoir an Wasserstoff verbraucht. Wenn dann nichts nachkommt, ist da eben die Gravitation und zieht das Objekt zusammen. Das Ganze kollabiert zu einem stellaren Schwarzen Loch, das dann etwa zehn Prozent der Ursprungsmasse hat. Das ist der eine Fall.
"Heute ist es in den meisten Milchstrassensystemen eher langweilig"
Und der andere?
Der andere sind die supermassiven Schwarzen Löcher. Diese sind, so viel wir wissen, wahrscheinlich in fast allen Milchstrassensystemen im Zentrum vorhanden. Wir nehmen an, dass sich dort im Laufe der Zeit Materie gesammelt und sich erstmal ein kleineres Schwarzes Loch gebildet hat. Das ist dann im Laufe der Zeit immer weiter gewachsen, besonders stark in einer Zeit vor etwa zehn Milliarden Jahren, denn da war viel los im Universum.
Heute ist es in den meisten Milchstrassensystemen eher langweilig. In unser eigenes Schwarzes Loch Sagittarius A* im galaktischen Zentrum fällt beispielsweise pro Tag etwa das Äquivalent von einem Asteroiden, aber nicht mehr.
Was wäre denn ein aufregendes Schwarzes Loch?
Das wären die hellsten Objekte, weil sie die meiste Materie akkretieren - also um sich sammeln. Sie akkretieren im Faktor 100 Millionen Mal mehr Masse pro Zeiteinheit, als das galaktische Zentrum. Sie können sich vorstellen, dass aus solchen Objekten dann viel Strahlung herauskommt, aber nicht nur das - auch Teilchen werden herausgeschleudert. Im Inneren solcher Objekte entstehen starke Magnetfelder und die fangen an, heisses Plasma nach aussen zu pusten - in Form von sogenannten Radiojets. Diese spektakulären Phänomene findet man in einigen aktiven Galaxien in unserer galaktischen Nachbarschaft.
Wie untersucht man denn ein Schwarzes Loch? Man kann es selbst ja nicht sehen?
Indem man die Wirkung der Gravitation auf die Umgebung ausnützt und damit die essenzielle Formulierung der Allgemeinen Relativitätstheorie: Eine Masse ändert die Krümmung in der Raumzeit in der Umgebung. Jedes Objekt das in diesen Bereich um ein Schwarzes Loch kommt, "sieht" diese Raumkrümmung und bewegt sich entsprechend. Im Newton'schen Sinne würde man sagen, es bewegt sich auf einer Umlaufbahn. Aus der Geschwindigkeit und dem Abstand zum Zentrum kann man dann wiederum Rückschlüsse ziehen, wie viel Masse sich dort befinden muss.
Wenn Sie aus grosser Entfernung wissen wollen, ob im Zentrum einer Milchstrasse ein Schwarzes Loch ist, dann muss das nicht strahlen. Sie müssen sich nur die Bewegungen der Teilchen, also Sterne oder Gaswolken in der Umgebung anschauen. Ich versuche es mal anschaulich zu machen …
Sehr gerne.
Beispiel Sonnensystem: Wir alle wissen, die Sonne ist umgeben von Planeten. Die Kepler'schen Gesetze und die Newton'schen Gesetze, aber auch Einstein sagen: Die Planeten kreisen auf ihren elliptischen Bahnen um die Sonne herum und ihre Bahngeschwindigkeit nimmt nach aussen hin, mit zunehmendem Abstand, ab. Das gilt, egal ob die Sonne strahlt.
Wenn Sie in Gedanken nun die Sonne abschalten und jetzt Tycho Brahe dieselben Messungen gemacht hätte, wie er sie damals gemacht hat, dann hätte er sozusagen den Kepler oder den Newton gefragt: "Also pass mal auf: Diese schwachen Planeten da aussen bewegen sich langsamer als die innen. Was heisst denn das?" Und dann hätten der Kepler oder der Newton sagen müssen: "Da muss innen drinnen im Zentrum des Sonnensystems eine Masse von einer Sonnenmasse sein."
Das heisst, man kann diese Objekte durch ihre Wechselwirkung sehen, durch die Wirkung ihrer Schwerkraft auf andere.
"Wir haben ein wahnsinniges Glück gehabt"
Sie selbst haben ja das Zentrum unserer Milchstrasse beobachtet. Aus diesen Beobachtungen ist am Ende auch ein Film entstanden, in dem man sieht, wie Sterne etwas umkreisen, was auf den Aufnahmen nicht zu sehen ist. Ist dieses unsichtbare Objekt dann das Schwarze Loch?
Ja. Dazu muss man sagen, dass wir am Anfang keine wahren Bahnen sehen konnten, sondern nur die Geschwindigkeiten der Sterne. Damit haben wir begonnen. Wir konnten nur sagen: Im Zentrum gibt es einige Millionen Sonnenmassen und das ist alles komprimiert auf einer Skala von wenigen Lichtmonaten. Es ist sehr unwahrscheinlich, dass das etwas anderes ist als ein Schwarzes Loch - aber es war möglich.
Sterne umkreisen das Schwarze Loch Sagittarius A* im Zentrum der Milchstrasse
Aber dann haben wir natürlich ein wahnsinniges Glück gehabt: Die Natur hat uns Sterne zur Verfügung gestellt, die in hochelliptischen Bahnen an bestimmten Punkten bis auf Sonnensystemabstände an dieses zentrale Objekt herankommen und dabei irrsinnig schnell werden - also bis zu 18.000 km/s. Durch ihre Beobachtung konnten wir testen, wie kompakt diese Masse sein muss. Und sind bei einem so kleinen Radius angekommen, dass sich nichts anderes mehr darin befinden kann als ein Schwarzes Loch.
Der erhebliche Fortschritt, der dann auch ganz offensichtlich den Nobelpreis getriggert hat, war aber ein Stern, den wir schon einmal vor 16 Jahren nah am Schwarzen Loch vorbeifliegen hatten sehen. Wir wussten ganz genau, wann er wiederkommen würde und waren deshalb in der Lage, eine Instrumentierung an der europäischen Südsternwarte ESO in Chile zu bauen, die auch die Effekte der Allgemeinen Relativitätstheorie sehen konnte. Das passierte 2018.
Dann hatten Sie mit Corona ja riesiges Glück …
Aber wirklich. Wenn man sich vorstellt, der Stern wäre erst zwei Jahre später am Schwarzen Loch vorbeigeflogen, dann hätten wir ganz schön in die Röhre geguckt. Denn in diesem Jahr ging nichts mehr. Das Observatorium ist geschlossen.
Die ESO versucht es jetzt langsam wieder hochzufahren, aber wir sind alle sehr skeptisch. In Chile ist jetzt Sommer und man kann mit an Sicherheit grenzender Wahrscheinlichkeit fürchten, dass die ihre zweite Corona-Welle auch kriegen. Und das bedeutet, dass es auch 2021 nur mit grösster Schwierigkeit zu Messungen kommen wird - eine Riesen-Katastrophe.
Bleiben wir kurz bei Corona. Sie haben Ihren Nobelpreis deswegen ja nicht wie üblich in Stockholm, sondern in München überreicht bekommen. Hat sich das für Sie anders angefühlt oder hat Ihnen da etwas gefehlt? Es ist ja doch ein anderer Rahmen …
Ja klar, natürlich. Man denkt schon an die Bilder, die man kennt und gesehen hat, an die Geschichten, die man von anderen Nobelpreisträgern erzählt bekommen hat, was bei diesem tollen Bankett mit dem König alles passiert. Es ist sicherlich eine ganz andere Sache.
Aber ich bin der Sache nicht gram. Ich sage immer: Ich tanze nicht, insofern macht mir dieser Teil gar nix aus. Und die Veranstaltung in der Staatskanzlei war wirklich sehr, sehr schön, muss ich sagen.
Ausserdem habe ich ja noch Glück gehabt, denn wenn die Veranstaltung etwas später im Dezember gewesen wäre, dann wären wir schon im Lockdown gewesen und sie wäre ausgefallen.
Der Lockdown macht also auch vor einem Nobelpreisträger nicht halt ...
(lacht) Nein, natürlich nicht. Und die anderen Nobelpreisträger dieses Jahres haben ihre Nobelpreise teilweise in ihrem Garten bekommen. Das war dann weniger schön, muss man sagen.
"Ich bin eher einer der kleineren Nobelpreisträger"
Sie stehen mit dem Gewinn des Nobelpreises nun in einer Reihe mit Albert Einstein. Sehen sie sich selbst als einen Erben von Einstein oder nicht?
Sicherlich besteht durch die Allgemeine Relativitätstheorie eine sehr enge Beziehung. Auch wenn er dafür nicht den Nobelpreis bekommen hat …
… sondern für die Entdeckung des Gesetzes des photoelektrischen Effekts.
Genau. Er ist natürlich trotzdem einer der ganz grossen Nobelpreisträger. Ich bin da, denke ich, eher einer der kleineren. Aber auch der Einstein war nicht unfehlbar. Er hat auch an vielen Punkten Fehler gemacht.
Zum Beispiel: Ein anderer Aspekt der Allgemeinen Relativitätstheorie ist die Expansion des Universums als Ganzes. Diese Expansion war durch die Messdaten der Rotverschiebung von entfernten Galaxien bereits Ende der 1920er-Jahre deutlich sichtbar. Doch Einstein hat das so nicht akzeptieren können. Das heisst, er hat nach Lösungen seiner Gleichungen gesucht, die ein stationäres Weltbild erlauben. Man kann diese auch finden, die Ergebnisse haben dann aber nichts mit der Realität zu tun.
Es ist eine Sache, eine Theorie zu finden. Die andere ist, durch Beobachtungen auch wirklich zu verstehen, welche Lösungen der Theorie tatsächlich die richtigen sind.
Sie haben in einem Interview einmal gesagt: "Ich bin, was Schwarze Löcher angeht, noch immer ein Anfänger." Hat sich mit dem Nobelpreis daran etwas geändert?
Nö, überhaupt nicht, weil wir sind alle Anfänger. Das liegt daran, dass die Gravitation in gewissem Sinne die am schlechtesten verstandene Naturkraft ist, die wir kennen.
Die anderen drei Kräfte - Elektromagnetische Wechselwirkung, starke und schwache Wechselwirkung - kennen wir sehr gut. Aber die Gravitation kennen wir eigentlich überhaupt nicht, weil wir noch nicht auf der kleinsten Skala messen können, wo sie von der Einstein'schen Theorie sicherlich abweichen muss. Denn die Quantentheorie der Gravitation gibt’s im Moment noch nicht - doch sie ist leider gekoppelt an den Begriff "Schwarzes Loch".
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"Die Singularität: Da sagen alle Physiker, das muss Unsinn sein"
Weil Sie es gerade angesprochen haben - Gravitation und Quantenphysik: Das eine beschäftigt sich ja mit dem ganz Grossen, das andere mit dem extrem Kleinen - und Schwarze Löcher sind sozusagen der Punkt, wo diese beiden Welten aufeinandertreffen. Habe ich das so richtig verstanden?
Ja. Aber die Vorhersage der Allgemeinen Relativitätstheorie, über die wir noch nicht gesprochen haben, ist: Nehmen wir an, Sie fliegen mit einem Raumschiff in ein Schwarzes Loch. Dann könnten sie zwar durch den Ereignishorizont nach aussen gucken, aber es gibt keinen Weg zurück.
Sie werden in ihrem Referenz-Zeit-System in endlicher Zeit im Zentrum ankommen. Und so geschieht es allem, was hineinfliegt. Das heisst, alles fliegt in einen Punkt. Und dieser Punkt bedeutet dann, dass dort in der Theorie alle Masse in einem unendlich kleinen Volumen vereinigt sein müsste - und das ist eine Singularität. Da sagen alle Physiker, dass muss Unsinn sein. Das kann nicht sein. Doch da will man gerne mathematisch hin - oder auch gerne mit einem Raumschiff: Aber wenn Sie das tun, dann werden Sie ihre Messergebnisse nicht nach aussen kommunizieren können. Da haben wir ein Dilemma.
Wenn ich also in ein Schwarzes Loch reisen und meine Messungen vornehmen würde, könnte diese Information ob der Natur des Schwarzen Loches nie nach aussen dringen?
Genau. Und dann kriegen Sie auch keinen Nobelpreis dafür (lacht). Das ist natürlich das Schlimmste.
Das wäre wirklich schlimm. Letzte Frage: Was wünschen Sie sich für 2021?
Dass die Pandemie endlich zum Ende kommt und die Impfungen funktionieren. Für uns hier am Institut wünsche ich mir, dass wir wieder nach Chile reisen und weitermachen können, denn es gibt so viel Tolles zu tun.
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