Schwarze Löcher, Weiße Löcher und Wurmlöcher

  • Wie entsteht ein schwarzes Loch?
  • Was ist ein weißes Loch?
  • Warum kann man schwarze Löcher nicht sehen?
  • und was haben Albert Einstein und Stephen Hawking damit zu tun?

Einstein’s allgemeine Relativitätstheorie

Bob: Hey Alice, was ist ein schwarzes Loch?

Alice: Interessante Frage. 1915 hat unser Freund Albert Einstein seine Einstein’schen Feldgleichungen aufgestellt, welche Gravitation als eine Krümmung der Raum-Zeit beschreibt. Das war die Geburt der allgemeinen Relativitätstheorie, ohne deren Einsichten unser GPS nicht funktionieren würde. Dann kam ein Mann namens Karl Schwarzschild um die Ecke und meinte:

„Hey Einstein, ich habe da eine Lösung für deine Gleichungen gefunden, die keinen Sinn ergibt. Nach deinen Gleichungen müsste es Objekte geben, in deren Zentrum eine Singularität herrscht. Das bedeutet, dass die Krümmung der Raumzeit dort unendlich groß wäre.“

Damals dachten die meisten Physiker, okay das ergibt wirklich keinen Sinn, die Gleichungen müssen falsch sein. Niemand wusste damals, dass diese Lösung ein schwarzes Loch beschreibt und dass diese tatsächlich existieren. Erst viele Jahre später gelang der experimentelle Nachweis von schwarzen Löchern. Diese Geschichte ist eines von vielen Beispielen, die zeigt wie theoretische Physik uns hilft das Universum zu verstehen. Ein weiteres bekanntes Beispiel dafür sind Gravitationswellen.

Bob: Das ist super interessant, aber du hast meine Frage nicht beantwortet.

Was ist ein schwarzes Loch?

Alice: Stimmt. Also ein schwarzes Loch ist ein Objekt, dessen Gravitation so stark ist, dass nicht einmal Licht entweichen kann! Daher sieht es für uns schwarz aus. Noch interessanter als die Singularität im Zentrum eines Schwarzen Loches, ist sein sogenannter Ereignishorizont. Den Ereignishorizont kannst du dir als Kugeloberfläche vorstellen. Alles, auch Licht, welches den Ereignishorizont übertritt, wird für immer und ewig vom schwarzen Loch verschluckt. Es kann nie wieder entkommen. Bei nicht rotierenden schwarzen Löchern nennt man den Radius des Ereignishorizonts auch den Schwarzschild-Radius und den nehmen wir her um über die „Größe“ eines schwarzen Lochs zu sprechen.

Bob: Ganz schön gruselig. Eins versteh ich aber nicht. Man kann schwarze Löcher also nicht sehen. Woher wissen wir dann, dass es sie wirklich gibt?

Alice: Durch ihre unglaublich hohe Masse krümmen schwarze Löcher die Raum-Zeit auch in ihrer näheren Umgebung. Das heißt, dass Licht welches in der Nähe eines schwarzen Lochs vorbeifliegt, stark verbogen wird. Man kann also Objekte sehen, die sich hinter einem schwarzen Loch befinden. Diese wirken aber verzerrt und unscharf. Das schwarze Loch wirkt daher wie eine Linse und dieser sogenannte Gravitationslinseneffekt ist eine von vielen Möglichkeiten schwarze Löcher indirekt nachzuweisen

Bob: Macht Sinn. Und woher kommen diese schwarzen Löcher?

Woher kommen schwarze Löcher?

Alice:  Das wissen wir nur bei ein paar von ihnen. Zum Beispiel befindet sich im Zentrum der Milchstraße ein supermassereiches schwarzes Loch. Das Ding ist schwerer als 4 Millionen Sonnen aber nur ca. 16-mal so groß. Es wirkt wie der Abfluss deiner nichtexistierenden Badewanne. Es saugt alles um sich herum ein. Aber niemand weiß genau wie es entstanden ist.

Bob: Verrückt.

Alice: Ja. Aber die meisten schwarzen Löcher die wir kennen sind wesentlich kleiner und leichter. Sie haben „nur“ um die zehn Sonnenmassen und entstehen durch Supernovae Explosionen. Sterne die mehr als 15 Sonnenmassen haben werden irgendwann alle zu schwarzen Löchern. Unter drei Sonnenmassen enden Sterne als weiße Zwerge oder Neutronensternen. Mit Hilfe unserer Theorien der Quantenphysik und der allgemeinen Relativitätstheorie können wir genau sagen wann und warum das passiert.

Bob: Und was passiert mit Sternen die zwischen 3 und 15 Sonnenmassen haben?

Alice: Je nachdem was der Supernova Explosion so passiert können sie Neutronensterne oder schwarze Löcher werden.

Bob: Also wird irgendwann alles von schwarzen Löchern verschluckt? Und die existieren dann ewig?

Existieren schwarze Löcher ewig?

Alice: Nein. Dank der Quantenphysik können schwarze Löcher Strahlung abgeben und werden dadurch immer leichter und kleiner, wenn sie nichts zum Verschlucken finden.

Bob: Vorhin hast du gesagt, dass nichts den Ereignishorizont überschreiten kann. Wie können dann schwarze Löcher Masse verlieren?

Alice: Gute Frage. In der Nähe des Ereignishorizonts können Teilchen und Anti-Teilchen Paare entstehen. Eines von diesen Teilchen verschwindet im schwarzen Loch, aber das andere kann dem Ereignishorizont entkommen. Die Energie für das entkommende Teilchen kommt aus der Masse vom schwarzen Loch. Auf diese Weise kann ein schwarzes Loch Masse verlieren ohne das jemals etwas den Ereignishorizont nach außen überschreitet. Diese dadurch erzeugte Strahlung nennt man auch Hawking-Strahlung. Benannt nach Steven Hawking.

Bob: Also gibt es irgendwann nur noch Hawking-Strahlung?

Alice: Möglicherweise. Der direkte experimentelle Nachweis dieser Strahlung steht noch aus, weil sie sehr wenig Energie besitzt.

Bob: Okay. Wir wissen also weder was innerhalb eines schwarzen Lochs passiert und wir wissen auch nicht genau wie zu Zukunft der schwarzen Löcher aussieht?

Weiße Löcher und Wurmlöcher

Alice: So ist es. Aber genau das macht sie so interessant. Hast du schonmal was von einem weißen Loch gehört?

Bob: Nein. Was ist das?

Alice: Ein weißes Loch ist genau wie ein schwarzes Loch eine Lösung der Einstein’schen Feldgleichungen. Genau wie ein schwarzes Loch besitzt es eine Singularität im Zentrum und einen Ereignishorizont. Aber entgegen zu einem schwarzen Loch kann nichts in ein weißes Loch hineinfliegen. Nur heraus. Der Ereignishorizont kann nur von innen nach außen überschritten werden. Man kann also in ein weißes Loch hineinschauen. Allerdings haben wir noch nie ein weißes Loch irgendwo gesehen. Wir wissen nicht, ob sie wirklich existieren. Aber wenn sie existieren, können ein schwarzes und ein weißes Loch zusammen ein Wurmloch bilden. Ein Wurmloch verbindet verschiedene Raum-Zeit Regionen miteinander. Etwas was in einer Galaxie in ein schwarzes Loch hineingesagt wird, könnte in einer anderen Galaxie, und zu einer anderen Zeit, aus einem weißen Loch ausgespuckt werden. Diese Wurmlöcher wurden erstmal 1935 von Albert Einstein und Nathan Rosen beschrieben.

Bob: Das ist absolut verrückt. Glaubst du, dass es solche Wurmlöcher wirklich gibt?

Alice: Diese Wurmlöcher sind zwar wirklich Lösungen der Einstein’schen Feldgleichungen, allerdings sagen diese Gleichungen auch, dass so ein Wurmloch extrem instabil ist. Es könnte nur mit negativer Energie, welche anti-gravitativ wirkt, stabil gehalten werden und wir haben solche negative Energie noch nirgends gefunden. Also ich bin da skeptisch.

Bob: Tja. Skeptisch war man bei den schwarzen Löchern auch.

Alice: Auch wieder wahr.

 

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Was sind schwarze Löcher?

Ein schwarzes Loch ist ein Objekt welches die Raum-Zeit so stark verkrümmt, dass nichtmal Licht aus seiner Umgebung entkommen kann. Deshalb ist es schwarz.

Leben schwarze Löcher ewig?

Nein. Sie strahlen langsam Hawking-Strahlung ab und werden dadurch immer kleiner. Je kleiner das scharze Loch, desto mehr strahlt es ab.

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