Nobelpreisträgertagung Lindau

Der Zauber eines Waldspaziergangs

Von Sibylle Anderl
03.07.2021
, 19:50
Die zentrale Region der Milchstraße, wo sich das Schwarze Loch Sagittarius A* befindet. Die Falschfarbenaufnahme ist eine Kombination von Beobachtungsdaten des Röntgensatelliten Chandra (grün und blau) und des Radioteleskops MeerKAT in Südafrika (rot).
Reinhard Genzel, Physik-Nobelpreisträger 2020, lud in Lindau zu einer kosmischen Reise durch Raum und Zeit. Das Ziel war das Schwarze Loch im Zentrum der Milchstraße.
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Reinhard Genzel, Physik-Nobelpreisträger von 2020 und Direktor des Max-Planck-Instituts für extraterrestrische Physik in Garching, begann seine Vorlesung am Sonntagnachmittag (27.Juni 2021) mit einer kleinen Geschichte. Die Astronomie sei in vielerlei Hinsicht wie eine Reise durch das Universum mit seinen wunderschönen Besonderheiten. Es sei, als würde man einen Wald betreten: bezaubernde Bäume, Blumen, eine enorme Komplexität, die der Kosmos hervorgebracht habe. In seltenen Fällen komme es dann vor, dass man in der Schönheit Ordnung zu sehen beginne. Blaue Blumen etwa, die nur rechts vom Weg wachsen. Dann sei das Physikerhirn gefragt, die Frage nach dem „Warum“ zu beantworten. Seinen eigenen Weg durch den kosmischen Wald, der ihn in einem Zeitraum von vierzig Jahren – von ersten Hypothesen über die Natur des extremen Objekts im Zentrum unserer Galaxie anhand immer präziserer Beobachtungen – zu der Überzeugung brachte, dass es sich dabei um ein supermassereiches schwarzes Loch handelt, ließ er daraufhin noch einmal Revue passieren.

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Die Schwarzen Löcher, so hätte Genzel seine Waldallegorie vielleicht fortsetzen können, waren zunächst so etwas wie unsichtbare Waldgeister. Albert Einstein hatte 1915 in seiner allgemeinen Relativitätstheorie beschrieben, wie Masse und Energie die Raumzeit verbiegen. Überaus extreme und merkwürdige Objekte, in denen eine kompakte Masse die Raumzeit so stark krümmt, dass nicht einmal Licht entkommen kann, waren eine Konsequenz dieser Theorie. Ob es diese Objekte wirklich gab, blieb aber lange zweifelhaft. Ferne Galaxien mit ungeheurer Leuchtkraft, deren Erzeugung kaum anders als durch etwas so Extremes wie ein Schwarzes Loch erklärbar schien, waren in den Sechzigerjahren ein erster Hinweis auf deren tatsächliche Existenz: Wenn gigantische Schwarze Löcher im Zentrum von Galaxien Materie schlucken, wird Gravitationsenergie in gewaltigen Mengen in Wärme und Strahlung umgewandelt. Doch es zeigte sich, dass auch kleinere und nähere schwarze Löcher beobachtbare Spuren hinterließen. Mit der 1964 entdeckten starken Röntgenquelle Cygnus X-1 wurde zum ersten Mal indirekt ein stellares Schwarzes Loch nachgewiesen, das seinem Partnerstern Materie entreißt, die im Zuge dessen hochenergetische Strahlung aussendet.

Verbesserte Beobachtungstechnik bestätigt frühere Schätzung

Der Beleg, dass sich im Zentrum unserer Galaxie ein supermassereiches Schwarzes Loch befindet, war sehr viel schwieriger und erforderte eine jahrzehntelange stetige Verbesserung der Beobachtungstechnologien. Die grundsätzliche Idee der Beweisführung ist relativ einfach: Aus der Bewegung von Sternen und Gas um das mysteriöse massereiche Objekt am Ort der Radioquelle Sagittarius A* ist zunächst dessen Masse ableitbar. Gemessen worden war das bereits in den Siebziger- und Achtzigerjahren, unter anderem durch Reinhard Genzels Mentor und Nobelpreisträger Charles Towns. Das Ergebnis war eine Massenabschätzung von einigen Millionen Sonnenmassen.

Der Astrophysiker Reinhard Genzel am Sonntag, den 27. Juni, bei seinem Vortrag in Lindau
Der Astrophysiker Reinhard Genzel am Sonntag, den 27. Juni, bei seinem Vortrag in Lindau Bild: Christian Flemming

Für den Nachweis, dass es sich um ein Schwarzes Loch handelt, reichte diese Schätzung der Masse allein allerdings nicht. Die Massenverteilung muss schließlich so kompakt sein – sich auf so kleinem Raum innerhalb des sogenannten Schwarzschildradius befinden –, dass nach Einstein die raumzeitlichen Bedingungen für ein Schwarzes Loch gegeben sind. Die ersten Beobachtungen hatten für die Ausdehnung der Masse ergeben, dass sie höchstens das Millionenfache der für ein Schwarzes Loch erforderlichen Größe betrug – nicht ausreichend für eine sichere Identifikation der Natur der Quelle.

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Die Beobachtungen mussten also noch näher an das Objekt herankommen, eine höhere Auflösung musste her. Diese höhere Auflösung wurde schließlich durch die Entwicklung adaptiver Optik möglich, mit der auf Seiten des Teleskpops aktiv Störungen der Erdatmosphäre ausgeglichen werden. Genzel nutzte diese Technologie, genau wie eine amerikanische Gruppe um die Astronomin Andrea Ghez, die im vergangenen Jahr zusammen mit Genzel mit dem Nobelpreis ausgezeichnet wurde. Diese verbesserte Beobachtungstechnologie bestätigte in den Neunzigerjahren die frühere Massenabschätzung.

Dann aber habe unerwartet die Natur geholfen, indem sie Sterne in extremer Nähe, auf Skalen, die denen unseres Sonnensystems entsprechen, um das potentielle Schwarze Loch herum kreisen lässt, so Genzel. Der Stern S2 kam Sagittarius A* im Jahr 2002 bis auf den nur vierfachen Radius des Neptunorbits, das entspricht 17 Lichtstunden, nahe. Auch die Analyse dieser Bewegung bestätigte die Massenschätzung von drei bis vier Millionen Sonnenmassen. Entscheidend verbessert wurde durch diese Beobachtungen aber die Größenabschätzung: Der Radius des kompakten Objekts konnte demnach nicht größer sein als der hundert- bis tausendfache Radius eines schwarzen Lochs. Für die meisten war es nun plausibel genug, anzunehmen, dass sich im Zentrum unserer Milchstraße tatsächlich ein schwarzes Loch befindet.

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Ein kosmischer Wald voller Rätsel

Genzel und seine Kollegen führten die Beobachtungen fort, nun aber mit umgedrehter Argumentationsrichtung: „Für alle praktischen Belange konnten wir nun davon ausgehen, dass wir ein Schwarzes Loch vor uns haben. Nun konnten wir die allgemeine Relativitätstheorie auf die Probe stellen.“ Die abermalige größte Annäherung von S2 an das Schwarze Loch im Jahr 2018 nutzten sie für weitere Präzisionsmessungen aus – nun mit der Frage, ob Einsteins Theorie auch noch unter den extremen Bedingungen gilt, wie sie im Zentrum unserer Galaxie herrschen. Die Bewegung von S2 lieferte auf diese Frage in zweifacher Hinsicht eine klare Bestätigung: Sein Orbit drehte sich von Umlauf zu Umlauf auf genau die von Albert Einstein vorhergesagte Weise, und seinem Licht wurde durch die enorme Gravitation genau die Menge von Energie entzogen, wie nach der allgemeinen Relativitätstheorie zu erwarten war.

Dass der Wald, in dem Reinhard Genzel nun seit rund vierzig Jahren unterwegs ist, noch immer voller Rätsel und Wunder steckt, bestätigte sich auch in der anschließenden Diskussion, in der einige der offenen Fragen angesprochen wurden, bei deren Beantwortung Genzel als gewissenhaft auf Empirie bedachter Beobachter immer wieder auf die Theoretiker verweisen musste: Was soll es heißen, dass im Inneren des Schwarzen Lochs die Dichte unendlich wird? Wird diese Singularität durch Quanteneffekte verschmiert? Und wenn ja: Wie kann man sich das überhaupt vorstellen? Könnte man anhand quantenmechanischer Verschränkung vielleicht doch Informationen aus einem Schwarzen Loch herausbekommen? Wenn man zehn Theoretiker zu alldem befragen würde, bekäme man vermutlich zehn verschiedene Antworten, gab Genzel zu bedenken. Und wer stattdessen lieber auf weiterführende empirische Anhaltspunkte warten will, so könnte man ergänzen, hat immer auch die Option, bis dahin einfach die Schönheit des unergründlichen Waldes zu genießen.

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