Nobelpreis für Physik 2020

Der Nobelpreis für Physik wird dieses Jahr zur Hälfte an Roger Penrose verliehen „für die Entdeckung, dass die Bildung von Schwarzen Löchern eine robuste Vorhersage der Allgemeinen Relativitätstheorie ist“, die andere Hälfte gemeinsam an Reinhard Genzel und Andrea Ghez „für die Entdeckung eines supermassereichen, kompakten Objekts im Zentrum der Milchstraße“.

Der Mittelpunkt unserer Galaxis liegt rund 26 000 Lichtjahre von uns entfernt im Sternbild Schütze. Auf der Strecke zwischen dem galaktischen Zentrum und unserem Planeten befinden sich unzählige Sterne – und riesige Wolken aus interstellarem Gas und Staub. Diese Materie schluckt alles sichtbare Licht aus den zentralen Bereichen der Milchstraße. Um dennoch einen Blick zu erhaschen, greifen Astronomen auf Radio- und Infrarotteleskope zurück. Denn diese Bereiche des elektromagnetischen Spektrums können durch die interstellaren Wolken dringen.

Um einen zentralen Punkt winden sich ineinander verschobene Ellipsen, sodass eine Rosettenform entsteht.
Rosettenbahn des Sterns S2

Zwei Forschergruppen um Reinhard Genzel vom Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik in Garching sowie der University of California in Berkeley und Andrea Ghez von der University of California in Los Angeles machen sich diese Eigenschaft seit Anfang der 1990er-Jahre zunutze, um das Zentrum der Milchstraße zu erforschen. Im Lauf der Zeit entwickelten die Astronomen spezielle Instrumente und Methoden, die immer präzisere Einblicke in diese Region erlaubten. So ließ sich beispielsweise die Position der hellsten Sterne dort verfolgen. Offenbar bewegen sich die Gestirne auf stabilen, aber extrem elliptischen Umlaufbahnen um das Zentrum – und das mit einem hohen Tempo.

Beide Teams stellten übereinstimmend fest, dass sich die jahrelangen Beobachtungen nur durch ein äußerst massereiches, unsichtbares Objekt im galaktischen Zentrum erklären lassen, das die Sterne durch seine enorme Gravitation an sich bindet: Rund vier Millionen Sonnenmassen sind in einer Region versammelt, die nicht größer ist als unser Sonnensystem. Die Pionierarbeiten von Genzel und Ghez lieferten den bisher überzeugendsten Beweis für ein supermassereiches Schwarzes Loch im Zentrum der Milchstraße, so die Königlich Schwedische Akademie der Wissenschaften.

Seit mehr als fünfzig Jahren vermuten Physiker, dass die meisten großen Galaxien ein Schwarzes Loch – mit Millionen bis Milliarden Sonnenmassen – in ihrem Zentrum beherbergen. Sagittarius A*, so der Name des kompakten Objekts inmitten der Milchstraße, passt damit ins Bild. Neben den supermassereichen Schwarzen Löchern dürfte es auch Exemplare mit deutlich geringerer Masse und anderer Entstehungsgeschichte geben. So enden massereiche Sterne in gewaltigen kosmischen Explosionen, wobei sie ihre Hülle abstoßen und ihr Kern unter der starken Gravitation zu einem Schwarzen Loch mit bis zu einigen zehn Sonnenmassen kollabiert. Als weitere Kategorie vermuten Forscher „mittelschwere” Schwarze Löcher, die eine Masse von mehreren Hundert bis einigen Tausend Sonnenmassen besitzen sollen.

Allen Schwarzen Löchern ist gemein, dass sie den Raum um sich herum durch ihre starke Gravitation krümmen. Daher verlaufen Lichtstrahlen in ihrer Nähe nicht mehr geradlinig, sondern werden gebogen. Je größer die Anziehungskraft eines Objekts, desto größer auch der Ablenkeffekt – bis die Lichtstrahlen bei einem Schwarzen Loch auf eine Kreisbahn gezwungen werden und dieses nicht mehr verlassen können. Die gesamte Masse eines Schwarzen Lochs konzentriert sich in einem einzigen Punkt mit unendlich hoher Dichte und unendlich starkem Gravitationsfeld, einer sogenannten Singularität. Dennoch lässt sich diesen Objekten eine Größe zuordnen – Ereignishorizont genannt. Jenseits dieser Grenze kann weder Licht noch Materie dem Schwarzen Loch entkommen.

Im Zentrum einer Galaxie mit zahlreichen bunten Sternen und Himmelskörpern befindet sich ein kreisrundes Schwarzes Loch: Die Farbe stellt den Ereignishorizont dar, den keinerlei Materie oder Licht wieder überqueren kann, sobald sie ihn passiert haben. Zusätzlich erscheinen die Himmelskörper in der Nähe des Schwarzen Lochs verzerrt, da die große Schwerkraft des Schwarzen Lochs die Raumzeit krümmt.
Simulation des Ereignishorizonts eines Schwarzen Lochs

Beschreiben lassen sich die exotischen Objekte mit der Allgemeine Relativitätstheorie von Albert Einstein. Die Gravitation spielt hierin nicht mehr die Rolle einer klassischen Kraft – wie bei Newton –, sondern wird als geometrische Eigenschaft der sogenannten Raumzeit aufgefasst. Masse und Energie krümmen die Raumzeit, verformen sie also, und sorgen so dafür, dass sich die Bahnen anderer Objekte ändern. Die Erde kreist gemäß diesem Bild um die Sonne, weil dieser massereiche Himmelskörper die Raumzeit stark eindellt und die Erde dieser Krümmung folgt. Die Krümmung von Raum und Zeit kann so stark werden, dass selbst Lichtstrahlen auf eine Kreisbahn gezwungen werden und diese nicht mehr verlassen können. Genau das passiert bei einem Schwarzen Loch.

Zwar ließ sich mithilfe von Einsteins Gleichungen zeigen, dass sich Schwarze Löcher formen. Doch die Eigenschaften dieser theoretischen Objekte, etwa eine perfekte Symmetrie, schienen in der Praxis schwer zu erfüllen. Roger Penrose von der University of Oxford suchte nach einer realitätsnäheren Alternative und entwickelte dafür neue mathematische Methoden. Im Januar 1965 konnte Penrose schließlich im Rahmen der Allgemeine Relativitätstheorie nachweisen, dass sich Singularitäten auch unter realistischen Bedingungen bilden können – etwa durch den Gravitationskollaps eines massereichen Sterns: Stürzt dieser unter seiner eigenen Schwerkraft zusammen und unterschreitet einen bestimmten Radius, wird er aufgrund des starken Gravitationsfeldes unweigerlich zu einem Schwarzen Loch.

Die von Penrose entwickelten mathematischen Werkzeuge trugen erheblich dazu bei, die Eigenschaften der gekrümmten Raumzeit mithilfe der Allgemeinen Relativitätstheorie zu erforschen. Die Entdeckungen der diesjährigen Preisträger haben damit neue Wege bei der Erforschung kompakter und supermassereicher Objekte beschritten, so das Nobelkomitee. Dennoch würden diese exotischen Objekte noch viele Fragen aufwerfen, die nach Antworten verlangen und die zukünftige Forschung motivieren.