Im Jahr 1915 veröffentlichte Einstein seine Allgemeine Relativitätstheorie. Und obwohl er es nicht wusste, sagten diese Gleichungen die Existenz von extrem dichten, enorm massiven Objekten voraus, deren Gravitation so stark ist, dass nicht einmal Licht entkommen kann. Sie wissen schon, schwarze Löcher. Aber selbst Einstein, der unsere Vorstellung von Raum und Zeit völlig neu erfunden hat, hätte nie gedacht, dass ein solch extremes Objekt physikalisch möglich ist. Es brauchte Jahrzehnte der theoretischen und beobachtenden Forschung, um zu zeigen, dass dieses Phänomen nicht nur möglich, sondern auch üblich ist. Und in diesem Jahr wurde der Nobelpreis für Physik 2020 an drei Wissenschaftler verliehen, die uns geholfen haben, Schwarze Löcher und die massive Rolle, die sie in unserem Universum spielen, zu verstehen. Die eine Hälfte des Preises ging an den Physiker Sir Roger Penrose, der mit seiner theoretischen Arbeit bewiesen hat, dass Schwarze Löcher eine natürliche Konsequenz der Einsteinschen Theorie sind.
Sehen Sie, Einsteins allgemeine Relativitätstheorie vereinte Raum und Zeit in einem einzigen Gewebe namens Raumzeit, das durch Masse verformt wird. Und was wir als Gravitation kennen, ist nur eine Manifestation dieser Verformung. Zum Beispiel zieht die Sonne nicht an der Erde – die Erde bewegt sich einfach auf natürliche Weise entlang der Kurven, die die Schwerkraft der Sonne in der Raumzeit erzeugt. Das war die Grundlage von Einsteins Arbeit. Aber schon bald begannen andere Physiker zu erkennen, dass seine Gleichungen einige seltsame Konsequenzen hatten. Zum Beispiel implizierten sie, dass ein Objekt, das dicht genug ist, die Raumzeit so stark deformieren würde, dass alles, was sich in einer bestimmten Entfernung befindet, schneller als die Lichtgeschwindigkeit reisen müsste, um sich zu entfernen. Und da sich nichts schneller als mit Lichtgeschwindigkeit fortbewegen kann, bedeutete das, dass nichts wieder herauskommen könnte. Mit anderen Worten, die Region würde wie ein dreidimensionales Loch aus Schwärze im Raum aussehen.
Doch Einstein und andere Physiker gingen davon aus, dass dieses extreme Phänomen nur in einer mathematisch idealen Situation auftreten könnte, in der es eine perfekt glatte, symmetrische Kugel aus Materie gibt. Sie rechneten also nicht damit, diese Dinge tatsächlich im Weltraum zu finden. An dieser Stelle kam Penrose ins Spiel. Mitte der 1960er Jahre zeigte er mit einem mathematischen Beweis, dass sich Schwarze Löcher tatsächlich in einem unvollkommenen Universum bilden können. Um dies zu demonstrieren, erfand er ein Prinzip, das er „trapped surface“ nannte. Es ist wie eine Blase in der Raumzeit, in der das Gewebe durch die Schwerkraft so verformt ist, dass Raum und Zeit im Wesentlichen die Rollen tauschen. Infolgedessen wird es genauso unmöglich, sich rückwärts im Raum zu bewegen, um der Anziehungskraft der Schwerkraft zu entkommen, wie es für Sie oder mich unmöglich wäre, in der Zeit rückwärts zu gehen. Stattdessen bewegt sich alles, was in die Oberfläche eindringt, unweigerlich auf einen zentralen Punkt in ihr zu. Schließlich verdichtet sich die gesamte Materie und sogar das Licht im Inneren zu einem einzigen Punkt von unendlicher Dichte, in dem alle Naturgesetze, wie wir sie verstehen, zusammenbrechen.
Und Penrose fand heraus, dass man keine idealen Umstände braucht, um eine gefangene Oberfläche zu erhalten: Sobald man genügend Materie in einem gegebenen Volumen eingeschlossen hat, wird es unweigerlich kollabieren, wenn nicht genügend Druck vorhanden ist, um der Schwerkraft entgegenzuwirken. In der Tat war dies das allgemeine Ergebnis von Einsteins Gleichungen. Also waren schwarze Löcher fast sicher da draußen. Es war nur eine Frage der Suche nach ihnen. Und bald darauf begannen die Astronomen, genau das zu tun. Der zweite Teil des Nobelpreises wurde zwischen den Astronomen Andrea Ghez und Reinhard Genzel aufgeteilt, die die Teams leiteten, die das Schwarze Loch im Zentrum der Milchstraße entdeckten. Der erste Hinweis kam weniger als ein Jahrzehnt nach Penroses Beweis, als Astronomen ein seltsames Radiosignal zu einer winzigen Region im Zentrum unserer Galaxie zurückverfolgten, die sie Sagittarius A* nannten.
Astronomen hatten vor kurzem begonnen zu vermuten, dass sich im Zentrum unserer Galaxie ein supermassives Schwarzes Loch befinden könnte, und die Forscher dachten, dass dieses Signal von Material stammen könnte, das in dieses Loch fällt. Aber sie mussten noch ein wenig warten, bis die Teleskoptechnologie weit genug fortgeschritten war, um diesen Bereich im Detail zu untersuchen. Schließlich bildeten Ghez und Genzel in den 1990er Jahren getrennte Teams, um durch 26.000 Lichtjahre Staub und Gas zwischen uns und dem Zentrum der Milchstraße zu blicken. Genzels Gruppe verwendete zunächst das New Technology Telescope in Chile, wechselte aber später zum leistungsfähigeren Very Large Telescope auf einem nahe gelegenen Berg. Währenddessen nutzten Ghez und ihr Team das Keck-Observatorium in Hawaiʻi. Aber keiner von beiden schaute mehr direkt auf das Radiosignal. Sie interessierten sich mehr für ein paar Dutzend Sterne, die sie um das Signal herumschwirren sahen und die sie im Infraroten untersuchten. Im Gegensatz zu unserer Sonne, die über 200 Millionen Jahre braucht, um das Zentrum der Galaxie zu umrunden, war die Bewegung dieser Sterne in der Größenordnung eines Menschenlebens spürbar – und das machte sie zu großartigen Zielen.
Indem sie die Bahnen dieser Sterne über Jahrzehnte hinweg aufzeichneten, konnten die beiden Astronomenteams auf die Masse des mysteriösen Objekts schließen, das sie umkreisten. Und da bestimmte Sterne dieser Radioquelle sehr nahe kamen, konnten sie auch abschätzen, auf welch kleinem Raum diese Masse untergebracht sein musste. Am Ende kamen beide Teams zu ziemlich ähnlichen Ergebnissen. Sie schlossen beide, dass Sagittarius A* eine Masse von vier
