Schwarze Löcher sind extrem massereiche Himmelsobjekte, so massereich, dass selbst Licht nicht mehr entweichen kann – sie lassen sich somit niemals direkt beobachten. Vorhergesagt wurden sie erstmals im Jahr 1939 von J. R. Oppenheimer und H. Snyder [1].
Laut der Definition der Allgemeinen Relativitätstheorie ist ein Schwarzes Loch eine spezielle Raumzeit, deren Krümmung von außen nach innen zunimmt und im Zentrum unendlich groß, also singulär, wird. Sie gelten als singuläre Lösung der Einsteinschen Feldgleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie. Da auch Licht in einer gekrümmten Raumzeit gekrümmten Bahnen folgt, bewegt es sich in dem singulären Bereich in unendlicher Krümmung und kommt somit nicht mehr aus diesem heraus, wodurch die Schwarzen Löcher als „schwarz“ gelten. Eine weitere Eigenschaft Schwarzer Löcher ist, dass keinerlei Information über Vorgänge im Inneren nach außen übermittelt wird, da das Gravitationspotential an der Oberfläche der Masse M so groß ist, dass die Frequenz der emittierten Strahlung (gravitationsbedingt) auf null rotverschoben wird. Die Frequenz wird null, sobald der Radius der Masse, der sogenannte Schwarzschildradius, in diesem Fall des schwarzen Lochs, den kritischen Wert erreicht [2], [3], [4].
In den vergangenen Jahren wurden zahlreiche schwarze Löcher gefunden und identifiziert, eins davon im Zentrum der Milchstraße in der Nähe der Radioquelle Sagittarius A*. Dieses schwarze Loch hat eine Masse von rund drei Millionen Sonnenmassen, wobei eine Sonnenmasse 1,99 * 1030 kg entspricht. Ein schwarzes Loch mit einer Sonnenmasse hätte, falls so eines existierte, einen Durchmesser von ungefähr 3 km. Das uns am nächsten liegende Schwarze Loch befindet sich im Röntgendoppelstern XTE J1118+480 im Sternbild Ursa Major (Großer Bär) und hat eine Entfernung von 5870 Lichtjahren. Es wiegt etwa acht Sonnenmassen [3], [4].
Es existieren zum einen rotierende und zum anderen nicht rotierende Schwarze Löcher. Allen ist gemein, dass sie sowohl Teilchen als auch Strahlung (vermutlich) unwiederbringlich „verschlucken“ – sie wachsen durch die Massen und Drehimpulse der einfallenden Objekte. Geschehen kann das, sobald diese Objekte nah genug an den sogenannten Ereignishorizont, also den äußeren Rand, herankommen. Dieser Horizont ist keine feste Oberfläche, sondern eine mathematisch definierte Grenzfläche, an der die Entweichgeschwindigkeit gleich der Vakuumgeschwindigkeit wird [2].
Klassifiziert werden schwarze Löcher außerdem anhand einer Massenskala, da so die Unterscheidung der verschiedenen Typen mit ihrem jeweiligen Entstehungsmechanismus und ihren durchlaufenden Entwicklungen möglich ist. So werden sie aufgeteilt in Schwarze Mini-Löcher, Primordiale Schwarze Löcher, Stellare Schwarze Löcher, Mittelschwere Schwarze Löcher, Supermassereiche und massereiche oder superschwere Schwarze Löcher mit Massen von der, eines Elementarteilchens bis 1010 Sonnenmassen [2].
Im Laufe der Jahre wurden verschiedene Methoden zur Entdeckung Schwarzer Löcher entwickelt. Generell ist diese Entdeckung nur aufgrund ihrer Auswirkungen auf die Umgebung möglich. Methoden sind unter anderem die kinematische Verifikation, die eruptive Verifikation, die akkretive Verifikation, die spektro-relativistische Verifikation und die obskurative Verifikation [2].
[1] Oppenheimer, J. R.; Snyder, H.: On Continued Gravitational Contraction; Phys. Rev. 56, 455; 11.09.1939 [2] Lexikon der Astronomie: Schwarzes Loch; (Link: https://www.spektrum.de/lexikon/astronomie/schwarzes-loch/429), aufgerufen am 22.06.2020 [3] Stöcker et. At: Taschenbuch der Physik, 2018, Europa Lehrmittel Verlag [4] Tipler, Llewellyn: Moderne Physik, 2010, Oldenbourg VerlagWeiterführende Literatur:
[5] Hawking, A. W.: Gravitational Radiation in an Expanding Universe; Journal of Mathematical Physics 9, 598; 1968 [6] Hawking, S. W.: Gravitational Radiation from Colliding Black Holes; Phys. Rev. Lett. 26, 1344; 24.05.1971 [7] Robinson, Sean P.; Wilczek, Frank: Relationship between Hawking Radiation and Gravitational Anomalies; Phys. Rev. Lett. 95, 011303; 30.06.2005 [8] Zhang, Jingyi; Zhao, Zheng: Hawking radiation of charged particles via tunneling from the Reissner-Nordström black hole; Journal of High Energy Physics, Volume 2005; 19.10.2005 [9] Page, Don N.: Hawking radiation and black hole thermodynamics; New Journal of Physics, Volume 7; 29.09.2005 [10] Giddings, Steven B.: The black hole information paradox; 28.08.1995 [11] Hawking, S. W.: The Information Paradox for Black Holes; Talk given on 28.08.2015 at Hawking Radiation, conference held at KTH Royal Institute of Technology, Stockholm [12] Mathur, Samir D.: A Proposal to resolve the black hole information paradox; International Journal of Modern Physics D, Vol 11, No. 10, 2002