Wie Schwarze Löcher entstehen

Wie der Kern eines Riesensterns in sich zusammenstürzt und sich vom Universum abschließt

Schritt für Schritt

Ein todgeweihter Riese

Sterne mit mehr als etwa der 20-fachen Sonnenmasse beenden ihr Leben mit Kernen, die so groß und dicht sind, dass die übliche Supernova kaum in Gang kommt. Computermodelle legen nahe, dass ein guter Teil von ihnen überhaupt nicht explodiert.

Dieser ist N6946-BH1 nachempfunden, einem Roten Überriesen von etwa 25 Sonnenmassen in der Galaxie NGC 6946, 22 Millionen Lichtjahre entfernt. Astronomen, die Tausende solcher Sterne auf ein Verschwinden hin beobachteten, ertappten ihn 2009.

Von außen sieht er aus wie jeder andere aufgeblähte, kühle Überriese: Nichts kündigt an, was sein Kern gleich tun wird.

Der Kern gibt nach

Wie bei einer Supernova kollabiert der Eisenkern in einer Viertelsekunde und prallt zurück; ein Neutronenstern von etwa 30 km Durchmesser entsteht. Eine Stoßwelle bricht auf und bleibt stecken.

Alles beginnt wie bei einer gewöhnlichen Supernova: Der Eisenkern, zu schwer, als dass seine Elektronen ihn halten könnten, stürzt in sich zusammen und wird steif, wenn er die Dichte eines Atomkerns erreicht. Der neue Neutronenstern ist noch aufgebläht und heiß und strahlt Neutrinos in Massen ab.

Die Stoßwelle des Rückpralls verliert innerhalb weniger Hundertstelsekunden ihre Energie und bleibt etwa 150 km vom Zentrum stehen, wie bei jedem solchen Kollaps. Was danach geschieht, entscheidet, ob der Stern explodiert.

Zu viel zu tragen

Hier können die Neutrinos die Stoßwelle nicht wiederbeleben. Gas regnet weiter auf den Neutronenstern, der in etwa einer Sekunde von der 1,8- auf die 2,3-fache Sonnenmasse anwächst.

In den dichtesten Kernen fällt das Gas so schnell, dass die Heizung durch Neutrinos die Stoßwelle nicht wieder hinaustreiben kann. Die Stoßwelle sinkt zurück, und die inneren Schichten des Sterns stürzen mit fast halber Lichtgeschwindigkeit auf den Neutronenstern.

Ein Neutronenstern wird vom Druck seiner Neutronen getragen, die so dicht gepackt sind wie die Kerne von Atomen. Dieser Druck hat eine Grenze: Der schwerste bekannte Neutronenstern, PSR J0952-0607, hat die 2,35-fache Sonnenmasse, und keiner dürfte viel schwerer sein.

Jede Zehntelsekunde bringt mehr Masse. Dem Neutronenstern läuft die Zeit davon.

Jenseits der Grenze

Keine Kraft kann ihn mehr halten: Er stürzt in etwa einer Zehntausendstelsekunde zusammen. In seinem Zentrum erscheint ein Horizont, der nach außen wächst und die fallende Oberfläche genau dann einholt, wenn diese die endgültige Größe des Horizonts erreicht.

Das ist der einfachste Kollaps, den die Allgemeine Relativitätstheorie exakt beschreibt, berechnet von Robert Oppenheimer und Hartland Snyder im Jahr 1939. Der Horizont ist nichts, was die Materie des Sterns an seiner Oberfläche bildet: Er ist die Grenze des Bereichs, aus dem kein Licht mehr herauskommt, und beginnt als Punkt im Zentrum.

Sobald die Oberfläche innen ist, kann nichts mehr vom Stern je gesehen werden. Seine Materie fällt weiter zum Zentrum, wo die Allgemeine Relativitätstheorie eine Singularität vorhersagt: einen Punkt, an dem unsere heutigen Gesetze der Physik versagen.

Bei einem Neutronenstern von 2,3 Sonnenmassen misst der Horizont am Ende etwa 14 km.

Erstarrt, gerötet, verschwunden

Aus der Ferne gesehen scheint die Oberfläche langsamer zu werden, je näher sie dem Horizont kommt, und ihn nie ganz zu erreichen. Ihr Licht wird röter und schwächer, und nach einer Tausendstelsekunde ist nichts mehr zu sehen.

Nahe am Horizont dehnt sich die Zeit, von fern betrachtet, ohne Grenze, und herauskletterndes Licht verliert immer mehr Energie. Ein ferner Beobachter sieht den Kollaps daher fast zum Stillstand kommen, den Stern erstarrt knapp außerhalb seines Horizonts. Doch der erstarrte Stern ist unsichtbar: Sein Licht wird alle sechzig Millionstelsekunden etwa dreimal schwächer.

Das ist die Wahrheit hinter einer verbreiteten Behauptung, wer in ein Schwarzes Loch falle, sehe die ganze Zukunft des Universums vorbeirasen. Das stimmt nicht: Ein fallender Reisender überquert den Horizont in einem Augenblick seiner eigenen Zeit und bemerkt dort nichts Besonderes. Nur ferne Beobachter sehen ihn nie hinübergehen.

Ein Stern verschwindet

Der Rest des Kerns fällt binnen einer Stunde hinein, und das Loch wächst auf etwa zehn Sonnenmassen. Die lose gebundenen äußeren Schichten des Sterns treiben davon und glimmen monatelang schwach; dann ist nichts mehr zu sehen.

Die Neutrinos tragen so viel Energie fort, dass der Stern plötzlich um einige Zehntel Sonnenmassen leichter ist. Seine äußeren Schichten, kaum von der Schwerkraft gehalten, spüren, wie der Zug nachlässt, und treiben schwach leuchtend davon: das einzige Zeichen von außen, dass etwas geschehen ist.

Genau das sahen Astronomen 2009: N6946-BH1 leuchtete einige Monate lang so hell wie etwa eine Million Sonnen und verblasste dann. 2015 konnte Hubble im sichtbaren Licht nichts mehr finden, wo ein Stern von 25 Sonnenmassen gewesen war. Nur ein schwaches Infrarotglühen von warmem Staub ist geblieben.

Es ist der bislang beste Fall eines Sterns, der direkt zu einem Schwarzen Loch kollabiert, auch wenn Astronomen noch prüfen, ob nichts anderes es erklären könnte.

Ein Schwarzes Loch

Die schwarze Scheibe ist sein Schatten, etwa zweieinhalbmal breiter als der Horizont, weil Licht, das zu nahe kommt, eingefangen wird. Direkt daneben wird das Licht der Sterne dahinter zu Ringen gebogen; der dünne helle Ring am Rand des Schattens ist Licht, das das Loch umrundet hat, bevor es entkam.

Vom Stern bleiben nur seine Masse, sein Drehimpuls und eine etwaige elektrische Ladung: Ein Schwarzes Loch hat keine Oberfläche und nichts sonst, was es unterscheidet. Zwei Schwarze Löcher mit gleicher Masse und gleichem Drehimpuls sind völlig gleich.

Unsere Galaxie dürfte etwa hundert Millionen Schwarze Löcher enthalten, die so entstanden sind. Die meisten sind allein und dunkel und fast unmöglich zu finden.

Von einem Nachbarn zehren

Ein Schwarzes Loch mit einem nahen Begleiter kann ihm Gas entreißen und es in eine Scheibe ziehen. Auf Millionen Grad erhitzt, leuchtet die Scheibe im Röntgenlicht: So verriet sich Cygnus X-1, das erste entdeckte Schwarze Loch.

Cygnus X-1 ist ein Schwarzes Loch von 21 Sonnenmassen, das einen Blauen Überriesen von etwa 41 Sonnenmassen umkreist, 7.200 Lichtjahre entfernt. Seine Röntgenstrahlung wurde 1964 entdeckt, und Anfang der 1970er-Jahre zeigte die Bahn des Begleiters, dass der unsichtbare Partner zu schwer war, um etwas anderes als ein Schwarzes Loch zu sein.

Einwärts spiralendes Gas heizt sich durch Reibung an sich selbst auf und bewegt sich nahe am Loch mit einem guten Bruchteil der Lichtgeschwindigkeit. Die Seite der Scheibe, die auf uns zukommt, wirkt heller als die, die sich entfernt, und die Schwerkraft des Lochs biegt die Rückseite der Scheibe in den Blick.

2024 fand die Raumsonde Gaia Gaia BH3, ein Schwarzes Loch von 33 Sonnenmassen nur 1.926 Lichtjahre entfernt, an der Art, wie es seinen Begleitstern herumschwingt. Es frisst nichts und ist dunkel.

Von Städten zu Riesen

Von Sternen geschaffene Schwarze Löcher wiegen einige bis einige Dutzend Sonnenmassen. In den Zentren von Galaxien sitzen Riesen: Sagittarius A* hat vier Millionen Sonnenmassen, M87* sechseinhalb Milliarden, mit einem Horizont, der breiter ist als unser Planetensystem.

Ein Horizont wächst im Gleichschritt mit der Masse: etwa 6 km Durchmesser pro Sonnenmasse. Der von Sagittarius A* misst etwa 25 Millionen km, der von M87* etwa 38 Milliarden km, ein Mehrfaches der Neptunbahn.

Alles, was klein genug zusammengepresst wird, würde zu einem Schwarzen Loch. Die Sonne müsste dazu auf eine Kugel von 6 km Durchmesser schrumpfen, die Erde auf nur 18 mm, so groß wie eine Murmel.

Wie die Riesen so groß wurden, wird noch erforscht. Sie wachsen, indem sie Gas verschlucken und miteinander verschmelzen, doch das James-Webb-Weltraumteleskop hat Schwarze Löcher von Millionen Sonnenmassen weniger als 500 Millionen Jahre nach dem Urknall gefunden, die vielleicht schon groß geboren wurden: aus kollabierenden Gaswolken, ganz ohne Stern.

Wenn zwei Schwarze Löcher verschmelzen, erschüttern sie den Raum selbst und senden Gravitationswellen aus. Seit 2015 haben Detektoren auf der Erde Hunderte solcher Verschmelzungen aufgefangen.