Physik-Nobelpreis 2020

Die Grenzorte des Verstehens

Von Sibylle Anderl
Aktualisiert am 06.10.2020
 - 18:19
Auf dem Boden der Tatsachen staunt es sich immer noch am großartigsten: Die Astrophysik spekuliert von erstaunlichen Fundamenten aus. Ungetrübter Blick auf das Zentrum der Milchstraße im Nationalpark Grasslands in der kanadischen Provinz Saskatchewan.zur Bildergalerie
Der diesjährige Nobelpreis für Physik würdigt die theoretische Erforschung Schwarzer Löcher und den Nachweis eines solchen Giganten im Zentrum der Milchstraße.

Das Universum ist voll von merkwürdigen, wunderschönen, gewaltigen und atemraubenden Phänomenen. Und doch gibt es darunter wohl keines, das die menschliche Phantasie so anzuregen und herauszufordern vermag wie Schwarze Löcher – diese unseren Geist in seine Schranken weisenden irrwitzigen Raumzeitobjekte, deren theoretischer Ursprung in Einsteins 1915 veröffentlichter Allgemeiner Relativitätstheorie liegt. Wir nähern uns ihnen mit Sätzen wie „so kompakt, dass der von ihnen erzeugten Raumkrümmung nicht einmal Licht entkommt“ oder „je näher wir ihnen kommen, desto langsamer vergeht die Zeit“ oder „unsere Erde wäre eines, wenn wir sie auf eine Kugel zusammenpressten, deren Radius etwa dem einer Zwei-Cent-Münze entspricht“. Und doch bleibt unsere Anschauung höchst unvollständig, werfen Schwarze Löcher weit mehr Fragen auf, als wir derzeit zu beantworten in der Lage sind.

Das Stockholmer Nobelpreiskomitee würdigt die Erforschung dieser extremen kosmischen Objekte in diesem Jahr mit dem Physik-Nobelpreis. Zur einen Hälfte geht er an den britischen Theoretiker Roger Penrose von der Universität Oxford, zur anderen Hälfte an den deutschen Astrophysiker Reinhard Genzel, Direktor des Max-Planck-Instituts für Extraterrestrische Physik in Garching und Professor an der Universität Berkeley, sowie die amerikanische Astrophysikerin Andrea Ghez von der University of California. Die Auszeichnung lenkt damit wie bereits im vergangenen Jahr, als es um die Entwicklung des Kosmos und die Entdeckung ferner Planeten ging, den Blick auf die ganz großen kosmischen Fragen – Fragen also, die sich weniger durch unmittelbaren Alltagsnutzen auszeichnen, als vielmehr zu philosophischen Grundsatzüberlegungen und einer Rückbesinnung auf die Erfolge und auch mögliche Grenzen menschlicher Neugier und Erkenntnisfreude einladen.

Die gekrümmte Raumzeit

Die Geschichte der Erforschung Schwarzer Löcher liefert dabei eine wunderbare wissenschaftstheoretische Illustration dessen, wie der Mensch es schaffen kann, im Zuge wissenschaftlicher Forschung die Grenzen seiner Vorstellungskraft weit hinter sich zu lassen. Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie bereitete dafür vor mehr als hundert Jahren den theoretischen Rahmen. Mit seinen Feldgleichungen erschütterte Einstein die Vorstellung, Raum und Zeit seien so etwas wie die unbeeinflussbare Bühne, auf der sich alles in der Welt abspielt – eine Vorstellung, die Immanuel Kant noch dazu veranlasst hatte, in seiner Kritik der reinen Vernunft Raum und Zeit den Status von Formen menschlicher Anschauung zu geben, da unser anschauungsgeleitetes Denken sich ihnen in ihrer klassischen Form so unvermeidlich zu fügen scheint. Einstein beschrieb nun, wie Raum und Zeit einerseits untrennbar als vierdimensionale Raumzeit zusammengehören und andererseits durch das beeinflusst werden, was sich in ihnen abspielt. Massen und auch Energien krümmen die Raumzeit. Gravitation heißt, dass andere Massen dieser Krümmung folgen. Illustriert wird dieses Phänomen oftmals durch ein zweidimensionales Gummituch, auf dem Kugeln liegen. Die offenbaren Grenzen dieser niederdimensionalen Veranschaulichung einer vierdimensionalen Raumzeit verdeutlichen, dass unsere Anschauung hier tatsächlich nicht recht weiter kommt, und letztlich nur mathematische Anschauung im Rechnen mit den zehn gekoppelten partiellen Differentialgleichungen der Feldgleichungen weiterhilft.

Die mathematische Erkundung der Konsequenzen der Einstein’schen Theorie war entsprechend zunächst vor allem mit der Frage konfrontiert, welche ihrer Eigenschaften tatsächlich die Merkwürdigkeiten der Raumzeit wiedergeben und welche auf notwendige Annahmen und Vereinfachungen im menschlichen Umgang mit ihr zurückzuführen sind. Das prominenteste Beispiel für dieses Problem ist die Lösung der Feldgleichungen, die der deutsche Astronom Karl Schwarzschild 1916 kurz nach der Veröffentlichung der Allgemeinen Relativitätstheorie veröffentlichte. Diese Lösung beschreibt eine Raumzeitstruktur, die gemäß Einsteins Theorie von einer kugelsymmetrischen, nicht rotierenden Masse erzeugt wird. Diese Lösung zeigt aber eine mathematische Merkwürdigkeit: Bei einem bestimmten Radius divergiert sie, wird unendlich. Im Bild des Gummituchs würde es an dieser Stelle zerreißen. Normalerweise ist solch ein Verhalten, beschrieben als das Auftreten von Singularitäten, Anzeichen dafür, dass etwas mit der mathematischen Beschreibung nicht stimmt. Heute wissen wir, dass der Radius, an dem diese mathematische Ungeheuerlichkeit auftaucht, wenn die beschriebene Masse nur kompakt genug ist, den Horizont eines Schwarzen Lochs beschreibt: den sogenannten Schwarzschildradius, ab dem sich nichts mehr der Gravitation der extrem kompakten Masse entgegensetzen, ab dem also nichts mehr von innen nach außen dringen kann.

Singularitäten sind reale Eigenschaften

Bis sich diese Deutung durchsetzen konnte, dauerte es aber viele Jahre. Auch Einstein zweifelte, zu extrem erschienen ihre Konsequenzen. In den frühen sechziger Jahren gab es aber erste Hinweise, dass es im Kosmos tatsächlich Objekte geben könnte, die dieser theoretischen Beschreibung entsprechen. Bestimmte ferne Galaxien, sogenannte Quasare, strahlen in ihrem Zentrum rund tausendmal so hell wie unsere gesamte Milchstraße. Eine Beobachtung, die nur durch eine extreme Massenkonzentration erklärt werden konnte. Diese Beobachtung gab den Theoretikern neuen Aufwind.

Zusammen mit anderen gelang es schließlich Roger Penrose zu zeigen, dass das Auftreten der Singularitäten nicht der Einführung bestimmter mathematischer Annahmen geschuldet war, sondern eine reale Eigenschaft der Raumzeit darstellt. Dafür nutzte er die mathematischen Werkzeuge der Topologie, mit denen er beschreiben konnte, wie jede geschlossene zweidimensionale Fläche innerhalb des Schwarzschildradius exotische raumzeitliche Eigenschaften ausbildet: Raum und Zeit vertauschen dort ihre Rollen. So wenig wie man sich in der Zeit rückwärts bewegen kann, ist es möglich, aus einem Schwarzen Loch zu entkommen. Mit Hilfe der von Penrose in den sechziger Jahren entwickelten Konzepte wurde jeder Zweifel ausgeräumt: Wenn ein Stern oder eine Materiewolke genügend großer Masse kollabieren, entsteht eine raumzeitliche Singularität, ein Schwarzes Loch.

Sagittarius A*, der massenreiche Schwerkraftgigant

Schwarze Löcher konnten daraufhin zum Verständnis der Quasare dienen. Die Materie, die sich in großen Scheiben in das Zentrum dieser Galaxien und in das sich dort befindende Schwarze Loch hineinbewegt, wird aufgeheizt und erzeugt so eine gigantische Leuchtkraft.

Ein empirischer Beweis für die Existenz Schwarzer Löcher im Zentrum von Galaxien war dies allerdings noch nicht. Den konnten erst um die Jahrtausendwende Reinhard Genzel und Andrea Ghez zusammen mit ihren jeweiligen Mitarbeitern liefern. Dafür richteten sie ihre Teleskope auf das Zentrum der Milchstraße – eine dicht von Sternen, Gas- und Staubwolken besiedelte und damit sehr unübersichtliche Region unserer Heimatgalaxie, deren zentrale Radioquelle als Sagittarius A* bezeichnet wird. Die Idee: Aus der Bewegung von Sternen um das Galaktische Zentrum kann die dortige Massenverteilung abgeleitet werden und damit die Frage beantwortet werden, welche Art von Objekt sich dort befindet. Diese Strategie erfordert für die Wiedergabe der Sternbewegungen lange Beobachtungszeiten und höchste Präzision. Möglich wurde dies nur durch die Nutzung adaptiver Optik, die aktive, durch Anpassungen des Sekundärspiegels im Teleskop erzielte Korrektur derjenigen Bildfehler, die durch den Einfluss der Erdatmosphäre hervorgerufen werden.

Ghez und ihre Mitarbeiter nutzten dafür das Keck-Observatorium auf Hawaii, Genzels Team beobachtete die Sterne mit chilenischen Teleskopen der Europäischen Südsternwarte. Die Ergebnisse beider Gruppen stimmten schließlich überein. Insbesondere die extreme Bewegung eines Sterns, genannt S2, der in weniger als 16 Jahren das Zentrum der Milchstraße umkreist, lieferte den Nachweis, dass sich dort ein Schwarzes Loch mit einer Masse befindet, die der von rund vier Millionen Sonnen entspricht. Dieses Resultat wurde seitdem vielfach bestätigt.

Im Überblick
Nobelpreisträger von 1901 bis 2020

Die Realität Schwarzer Löcher ist heute unbezweifelt – der Versuch, sie vollständig zu verstehen, ist dennoch nach wie vor sehr lückenhaft. Auf die Frage, was sich im Inneren eines Schwarzen Lochs befindet, antwortete Andrea Ghez am Dienstag nach Bekanntgabe ihrer Ehrung: „Wir wissen es nicht. Sie repräsentieren die Grenze unseres physikalischen Verständnisses.“ Eine Eigenschaft, die sicherlich einen Teil ihrer Faszination ausmacht.

Quelle: F.A.Z.
Autorenbild/ Sybille Anderl
Sibylle Anderl
Redakteurin im Feuilleton.
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