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Physik-Nobelpreis 2020 Das Schwarze Loch im Zentrum der Milchstraße

Der diesjährige Physik-Nobelpreis geht an das supermassereiche Schwarze Loch im Zentrum unserer Milchstraße – oder zumindest an die Forscher, die die theoretischen Grundlagen entwickelt und es entdeckt haben. Darunter der Deutsche Reinhard Genzel.

Von: Franziska Konitzer

Stand: 06.10.2020 | Archiv

Nobelpreis für Physik | Bild: picture-alliance/dpa/dpa-Bildfunk

Man stelle sich unsere Milchstraße vor: eine Balkenspiralgalaxie voller leuchtender Sterne. Natürlich gibt es dort noch viele andere Dinge, Gas und Staub zum Beispiel, dunkle Wolken, leuchtende Materiewolken, aber ganz im Zentrum versteckt sich einer der wohl nach wie vor mysteriösesten Himmelskörper, die das All uns Menschen zu bieten hat: ein supermassereiches Schwarzes Loch. Sagittarius A* heißt es.

Der diesjährige Nobelpreis für Physik geht an drei Forscher, die seine Existenz einerseits zunächst theoretisch beschrieben haben und die andererseits nachgewiesen haben, dass dieses exotische Konstrukt tatsächlich existiert: an den Briten Roger Penrose, Reinhard Genzel aus Deutschland und an die US-Amerikanerin Andrea Ghez.

Genzel: "Hab's nicht erwartet"

Genzel, Direktor des Max-Planck-Instituts für extraterrestrische Physik in Garching, erfuhr durch einen Anruf aus Stockholm von der Ehrung. "Ich hab's wirklich nicht erwartet", sagte er bei einer Pressekonferenz. Er habe 2012 von der schwedischen Akademie bereits den Crafoord-Preis erhalten. "Normalerweise ist man raus aus dem Geschäft", erläuterte der 68-Jährige. Er sei für den Nobelpreis "wahnsinnig dankbar".

Für ihn sei die Auszeichnung so schön, weil es auch eine Ehre für die Max-Planck-Gesellschaft sei, "die uns so viel zur Verfügung gestellt hat". Und es sei eine Ehre für das ganze Team, das 30 Jahre geschuftet habe, "um uns immer besser zu machen".

Hochkompakte Raumzeit und die Allgemeine Relativitätstheorie

Albert Einstein hat die Allgemeine Relativitätstheorie entwickelt – eine Theorie, wie unser Universum aufgebaut ist. Es ist eine Theorie von Raum und Zeit, in der diese beiden Dimensionen untrennbar zur vierdimensionalen Raumzeit verbunden werden, in der massebehaftete Körper unmittelbar Auswirkungen auf diese Raumzeit haben. Es ist auch eine Theorie, für die Einstein selbst keinen Physik-Nobelpreis erhalten hat. Den bekam er für die Beschreibung des photoelektrischen Effekts.

Was aber passiert nun, wenn man Masse, also Materie, immer weiter zusammendrückt und quetscht? Wenn zum Beispiel ein Stern am Ende seiner Entwicklung all seinen Brennstoff verbraucht hat, unter seiner eigenen Schwerkraft kollabiert und immer weiter kollabiert?

Roger Penrose und das Schwarze Loch der Allgemeinen Relativitätstheorie

Schwarzes Loch (Illustration)

Wenn man so will, hört dieser Kollaps nie auf. Es entsteht eine sogenannte Singularität, ein Objekt, an dessen Grenzen die Anziehungskraft aufgrund der Schwerkraft unendlich groß wird und in dessen Inneren Raum und Zeit aufhören, zu existieren. Das klingt dramatisch, bedeutet aber in der Praxis einfach: Fällt man einmal hinein, kommt man nie wieder hinaus. Man müsste unendlich viel Energie aufbringen, um den Ereignishorizont – also die Grenze – eines Schwarzen Loches wieder zu überqueren.

Das klingt exotisch und das ist es auch. Es war der britische Physiker Roger Penrose, der gezeigt hat, dass die Allgemeine Relativitätstheorie tatsächlich die Entstehung von Schwarzen Löchern "erlaubt".

Zwischen Theorie und Existenz der Schwarzen Löcher

Aber nur, weil eine Theorie prinzipiell die Existenz von Schwarzen Löchern beschreibt, heißt das noch lange nicht, dass dies tatsächlich auch der Fall ist. Schließlich könnte es sein, dass die Theorie einige Mängel aufweist – obwohl das bei der Allgemeinen Relativitätstheorie derzeit nicht der Fall zu sein scheint, sie wird immer wieder aus Neue bestätigt.

Ein Objekt, das inzwischen mal mehr, mal weniger liebevoll als "Massenstaubsauger", "Massenmonster", etc., tituliert wird und in dessen Zentrum eine mathematische Singularität – sozusagen die Null im Nenner – lauert – kann es das wirklich geben?

Schwarze Löcher sind unsichtbar

Erschwerend kommt noch hinzu, dass ein Schwarzes Loch seinem Namen alle Ehre macht. Noch nicht einmal Licht kann dem Einfluss seiner Schwerkraft entkommen. Das heißt aber auch: Ein Schwarzes Loch selbst ist komplett unsichtbar, und zwar in allen Wellenlängenbereichen, die das elektromagnetische Spektrum zu bieten hat.

Wie also könnte man nachweisen, dass es existiert?

Auf der Jagd nach Sagittarius A*

Hier kommen nun Reinhard Genzel und Andrea Ghez ins Spiel. Sie und ihre Teams richteten ihre Teleskope auf das Zentrum unserer Milchstraße, wo etwas Seltsames vor sich ging. Irgendetwas mit sehr viel Masse sollte sich dort im Zentrum verstecken.

Könnte es sich dabei um ein supermassereiches Schwarzes Loch handeln?

Vielleicht könnte sich dies über seinen Einfluss auf seine Umgebung bemerkbar machen – auf das Gas und auf den Staub, auf die Wolken und auf die Sterne, die in der Nähe um das Schwarze Loch kreisen. Indem man diese Himmelskörper genauer untersucht, könnte man vielleicht einen indirekten Hinweis auf das Schwarze Loch erhalten.

Ein Blick in das Zentrum der Milchstraße

Doch auch ein Blick ins Zentrum der Milchstraße ist nicht so einfach. Wenn wir hier auf der Erde mit bloßem Auge in das Zentrum schauen – es ist übrigens im Sternbild Schütze – würden wir zwar einen hellen Teil des Bandes der Milchstraße sehen, weil sich dort besonders viele Sterne befinden. Dort befindet sich aber auch viel Gas und Staub, die den Astronomen im optischen Wellenlängenbereich die Sicht unmöglich machen. Gas und Staub absorbieren das Licht des galaktischen Zentrums, lange, bevor es irdische Teleskope erreicht.

Die Astronomen nutzten somit Infrarotteleskope – also Teleskope, die letztendlich die Wärmestrahlung von Himmelskörpern aufzeichnen können. Dabei stießen sie auf Sterne, die im Zentrum der Milchstraße um ein supermassereiches Objekt zu kreisen schienen. Dabei waren die Umlaufbahnen extrem eng: Ein Stern brauchte beispielsweise für eine Umrundung lediglich 16 Jahre.

Das supermassereiche Schwarze Loch ist gefunden: Sagittarius A*

Aus den Messungen der Bahnen kann auf die Masse des Objekts im Zentrum geschlossen werden: Es versammelt rund 4 Millionen Sonnenmassen in sich und ist dabei kaum größer als unser Sonnensystem. Die Allgemeine Relativitätstheorie lässt somit keinen anderen Schluss zu: Das muss ein supermassereiches Schwarzes Loch sein.

Da es sich von uns betrachtet im Sternbild Schütze befindet, heißt es Sagittarius A*. Dank der Forschung der diesjährigen Nobelpreisträger wissen wir nun, was sich im Zentrum der Galaxie befindet – auch wenn wir es nicht direkt sehen können.

Der Nobelpreisträger erklärt es selbst

Nobelpreisträger Reinhard Genzel erklärt selbst seine Forschung und die Jagd nach dem Schwarzen Loch unter anderem hier in einem Vortrag der Bayerischen Akademie der Wissenschaften aus dem Jahr 2017.

Deutsche Physik-Nobelpreisträger

Chronik: Physik-Preisträger der vergangenen Jahre

  • 2019: James Peebles (Kanada) für seine Kosmologie-Theorien und Michel Mayor und Didier Queloz (Schweiz) für die erste Entdeckung eines Exoplaneten
  • 2018:Arthur Ashkin (USA), Donna Strickland (Kanada) und Gérard Mourou (Frankreich) für ihre Entwicklungen in der Laserphysik
  • 2017: Rainer Weiss, Barry Barish und Kip Thorne (alle USA) für den ersten direkten Nachweis im All entstehender Gravitationswellen
  • 2016: David Thouless, Duncan Haldane und Michael Kosterlitz (Großbritannien) für ihre Arbeiten zu seltsamen und ungewöhnlichen Zustände von Materie.
  • 2015: Takaaki Kajita (Japan) und Arthur B. McDonald (Kanada) für die Entdeckung, dass auch Neutrinos Masse besitzen
  • 2014: Isamu Akasaki, Hiroshi Amano and Shuji Nakamura aus Japan für ihre Erfindung der LED als einer neuen energiesparenden und umweltfreundlichen Lichtquelle
  • 2013: Der Belgier François Englert und der Brite Peter Higgs für ihre Entdeckung des Elementarteilchens Higgs-Boson
  • 2012: Der Franzose Serge Haroche und der Amerikaner David J. Wineland für die von ihnen entwickelten Methoden Quantenteilchen zu messen, ohne dass diese kleinsten Teilchen der Materie Schaden nehmen.
  • 2011: Die US-Amerikaner Saul Perlmutter, Brian P. Schmidt, Adam G. Riess erhalten die Auszeichnung, weil sie durch das Beobachten von Supernovae beweisen konnten, dass sich das Universum beschleunigt ausdehnt.
  • 2010: Die Briten Andre Geim und Konstantin Novoselov für die Entwicklung von Graphem, dem dünnsten und stärksten Material aus Kohlenstoff.
  • 2009: Charles Kuen Kao, Willard Sterling Boyle und George Elwood Smith für ihre Forschung mit Lichtimpulsen und Lichtsensoren im Einsatz moderner Kommunikationsmittel.
  • 2008: Der US-Amerikaner japanischer Herkunft Yoichiro Nambu und seine japanischen Kollegen Makoto Kobayashi und Toshihide Maskawa erhalten die Auszeichnung für ihre Erkenntnisse in der Teilchenphysik.
  • 2007: Der Deutsche Peter Grünberg vom Forschungszentrum Jülich der Helmholtz-Gemeinschaft zusammen mit dem Franzosen Albert Fert für ihre Beiträge zur Erforschung des Riesen-Magnet-Widerstands, der für den Lesevorgang bei Computer-Festplatten verwendet wird.
  • 2006: John C. Mather und George F. Smoot (beide USA) für den Nachweis winziger Temperaturschwankungen in der sogenannten kosmischen Hintergrundstrahlung, dem "Echo des Urknalls".
  • 2005: Roy J. Glauber (USA) für Grundlagen der Quantenoptik sowie John L. Hall (USA) und Theodor W. Hänsch (Deutschland) für die Entwicklung einer Laser-basierten Präzisionsmesstechnik für Lichtfrequenzen.
  • 2004: David J. Gross, H. David Politzer und Frank Wilczek (alle USA) für Erkenntnisse zur Kraft zwischen den kleinsten Materieteilchen im Atomkern, den Quarks.
  • 2003: Alexej Abrikosow (USA und Russland), Vitali Ginsburg (Russland) und Anthony Leggett (USA und Großbritannien) für bahnbrechende Arbeiten zu Supraleitern und Supraflüssigleiten.
  • 2002: Raymond Davis (USA), Masatoshi Koshiba (Japan) und Riccardo Giacconi (USA) für die Entdeckung kosmischer Röntgenstrahlen und Neutrinos.
  • 2001: Wolfgang Ketterle (Deutschland), Eric A. Cornell (USA) und Carl E. Wieman (USA) für die Erschaffung des Bose-Einstein- Kondensats, der fünften Erscheinungsform der Materie neben fest, flüssig, gasförmig und dem Plasma.

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