Einführung in die Astronomie
Stellt euch vor, ihr seid Astronomen oder Astronominnen. Ihr habt Anfang 2022 ein neues Weltraumteleskop in seine Umlaufbahn geschossen und dann guckt ihr auf die ersten Bilder. Da seht ihr einen Sternnebel, dort eine Galaxie und da hinten noch einen Asteroidengürtel. Aber auch winzige, leuchtend rote Punkte, die ihr euch nicht erklären könnt. So geht es den WissenschaftlerInnen, die die Bilder des James-Webb-Teleskops auswerten. Bis jetzt. Denn es wurde ein Paper vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) veröffentlicht, das diese roten Punkte erklärt. Was diese roten Punkte mit schwarzen Löchern zu tun haben, darum geht es in dieser Folge. Mein Name ist Wieland Mikulajczyk. Wie gut, dass ihr zuhört. Das Forschungsquartett – Wissenschaft bei detektor.fm.
Schwarze Löcher und Black Hole Stars
Schwarze Löcher. Kaum etwas klingt nach mehr Science-Fiction. Doch MIT in Cambridge meint, dass es noch etwas mehr Science-Fiction sein darf und hat eine völlig neue Gattung astrophysikalischer Objekte entdeckt: die Black Hole Stars, auf Deutsch Schwarzlochsterne. Das ist ein schwarzes Loch, umhüllt von einer Wolke aus kaltem Gas, die so groß wie unser gesamtes Sonnensystem ist und dabei auch noch 100 Milliarden Mal mehr Energie abgibt als jede normale Sonne. Klingt unfassbar? Finde ich auch. Und deshalb habe ich mir eine Person eingeladen, die mir und euch das erklären kann.
Dr. Viktoria Grinberg ist Astrophysikerin und arbeitet als Projektwissenschaftlerin bei der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) in den Niederlanden. Außerdem hat sie das Buch „Schwarze Löcher – Schwere Kost leicht verdauert“ geschrieben und illustriert, indem sie das Phänomen der schwarzen Löcher einfach erklärt. Frau Dr. Grinberg, herzlich willkommen im Forschungsquartett! Ich freue mich sehr, da zu sein. Tolles Thema!
Die Entdeckung der Black Hole Stars
Das finde ich auch. Frau Dr. Grinberg, wie überrascht waren Sie eigentlich, als Sie von den Black Hole Stars das erste Mal gehört haben? Von dem Namen ziemlich. Weil erst mal war so der Gedanke: „Hey, was ist denn das?“ Als ich das Paper aber gelesen habe, nö, das ist schon irgendwas, was wir erwartet haben. Vielleicht nicht unbedingt unter dieser Bezeichnung, aber es gab tatsächlich Vermutungen, dass es so etwas geben könnte.
Fangen wir vielleicht mal ganz vorne an und vermeintlich einfach noch dazu. Können Sie mir erklären, was ein schwarzes Loch überhaupt ist? Wie gesagt, im Science-Fiction tauchen die ständig auf, aber so richtig verstehen, das muss man ja auch erst mal.
Was ist ein schwarzes Loch?
Schwarze Löcher sind tatsächlich eine Vorhersage der Relativitätstheorie, also genau der von Einstein. Aber lange haben die Physiker und Physikerinnen geglaubt, dass es die überhaupt nicht gibt. Weil die Idee ist: Man nehme irgendwas und drücke das so ab, zusammen, dass die ganze Masse, alles, was drin ist, auf einen Punkt zusammengedrückt ist. Ein schwarzes Loch mit der Masse der gesamten Erde hätte den Radius von unter einem Zentimeter. Das wäre so eine kleine Glaskugel. Man nehme sich halt die ganze Erde mit einem zusammen und drücke zusammen auf die Größe.
Und das Besondere an diesen Objekten ist, dass weil sie so kompakt sind, also weil die Masse auf so einem kleinen Raum zusammengedrückt ist, denen nichts entfliehen kann. Und zwar ist es nicht nur so, dass, wenn man selber in einem schwarzen Loch ist, man dem nicht entkommen kann. Aus dem schwarzen Loch kommt auch keine Information raus, weil da kein Licht oder keine anderen Wellen da rauskommen. Um die wirklich voll zu durchdringen, muss man aber tatsächlich sich hinsetzen und die Mathe hinter der Relativitätstheorie machen. Das erwartet man eigentlich von niemandem.
Das heißt, diese Vorstellung: viel Masse auf kleinem Raum, um dem kann nichts entfliehen, das ist das Wichtigste eigentlich über ein schwarzes Loch.
Der Übergang zu Black Hole Stars
Okay, wir gehen jetzt nicht zu sehr in die Mathe hinein. Das ist bei Podcasts immer so eine leichte Schwierigkeit. Wir wollen ja eigentlich auf den schwarzen Lochstern zurück oder auf die schwarzen Lochsterne. Wie wird jetzt ein schwarzes Loch zu einem schwarzen Lochstern? Was haben die miteinander zu tun?
Also, erstmal müssen wir uns darüber Gedanken machen, welche schwarzen Löcher gibt es denn überhaupt im Universum. Und da gibt es kleine und sehr große. Kleine sind ein bisschen relativ. In der Astrophysik haben die Masse von ein paar Sonnen und die entstehen, wenn ein massereicher Stern stirbt. Die sind für uns hier, für die schwarzen Lochsterne, aber überhaupt nicht interessant, trotz dem Namen.
Die anderen schwarzen Löcher, die es gibt, sind supermassereiche schwarze Löcher in Zentren von Galaxien. Die sind Hunderttausende bis Billionen Sonnenmassen schwer, also wirklich supermassereich. Und bei diesen schwarzen Löchern wissen wir nicht ganz genau, wie genau die entstehen. Und dafür werden die schwarzen Lochsterne noch sehr wichtig.
Sichtbarkeit von schwarzen Löchern
Beide Arten von schwarzen Löchern, die kleinen und die großen, wenn die einfach nur da sitzen, sehen wir die gar nicht. Weil die sind klein, tragen kein Licht aus und sind sehr weit weg. Das heißt, wenn die einfach nur so irgendwo im Weltraum rumschwirren, sieht man die nicht. Also man stelle sich halt irgendeinen kleinen schwarzen Punkt in einer sehr dunklen Nacht vor, sieht man nicht.
Was man sieht, ist, wenn Material auf ein schwarzes Loch fällt. Dabei heizt sich dieses Material auf und strahlt Strahlung aus. Und diese Strahlung können wir dann beobachten. Und das ist etwas, was wir als aktive galaktische Kerne zum Beispiel beschreiben. Das sind supermassereiche schwarze Löcher in Zentren von Galaxien, auf die ein bisschen Material drauf fällt. Die können wir dann sehen.
Und das führt uns jetzt zu einem Schwarzlochstern. Ein Schwarzlochstern ist so ein supermassereiches schwarzes Loch, auf das Material drauf fällt. Das sehen wir aber nicht direkt. Es ist von ganz, ganz viel Gas umgeben. Und dadurch, dass dieses Gas da ist, sehen wir halt nicht direkt drauf.
Vergleich mit der Sonne
Das ist ein bisschen wie bei unserer Sonne. Da passiert im Zentrum ja gern Fusion. Dadurch entsteht die Energie, die uns hier auf der Erde schön warm hält. Wir sehen aber nicht direkt die Strahlung, die bei der Kernfusion entsteht, sondern sie geht durch die ganzen vielen Schichten der Sonne durch. Und das, was wir sehen, ist eigentlich eine ganz andere Strahlung.
Und so ähnlich ist es auch bei einem Schwarzlochstern. In der Mitte, statt der Kernfusion, haben wir Zeug, das auf ein schwarzes Loch drauf fällt. Das strahlt Energie raus. Das geht dann durch die vielen Gasschichten durch. Und wir sehen sozusagen erst das, was aus diesen Gasschichten rauskommt.
Also wir haben Glück, dass die Materie auf das schwarze Loch drauf fällt und dass dieses Material nicht ganz verschluckt wird. Verstehe ich das richtig? Das wird am Ende schon verschluckt. Also das, was reinfällt, wird verschluckt. Bevor es verschluckt wird, wird es nicht draufgefallen. Vielleicht fällt es später drauf. Eine Ahnung?
Die Natur der Black Hole Stars
Okay. Also, soweit ich das weiß, ein Stern erzeugt eigentlich Licht, während ein schwarzes Loch, haben wir gerade gehört, Materie und Licht verschlingt. Wie passt denn das jetzt zusammen? Ist ein Schwarzer Lochstern überhaupt ein Stern oder wie passt das zusammen?
Nee, und deswegen, das ist da, wo mir die Bezeichnung tatsächlich nicht gefällt. Wenn wir uns angucken, wie ein Stern eigentlich definiert ist in der Astrophysik, ist ein Stern ein Gasball, der von der eigenen Schwerkraft zusammengehalten wird und der in seiner Mitte Kernfusion macht. Ein Schwarzer Lochstern macht eben in der Mitte keine Kernfusion.
Die Energiequelle von einem Schwarzen Lochstern ist die Energie, die frei wird, wenn Materie auf das schwarze Loch drauf fällt, sozusagen bevor es ins schwarze Loch reinkommt. Weil wenn es drin ist, kann nichts mehr rauskommen. Wo aber die Ähnlichkeit zwischen den beiden ist, ist, dass beide letztendlich große Gasbälle sind und beide haben bestimmte Eigenschaften in dem Licht, das sie aussenden, dass einander ein bisschen ähnlich aussieht.
Und deswegen eben diese Bezeichnung „Schwarzer Loch Stern“, die aber spannenderweise in dem Paper, also in dem Wissen der wissenschaftlichen Veröffentlichung, tatsächlich nicht vorkommt. Die wissenschaftliche Veröffentlichung heißt nämlich „Ein vom Gas umgebener und vom Gas geröteter Schwarzer Loch am Anfang des Universums“. Da kommt gar nichts mit Sternen vor. Die Wissenschaftler sind da ein bisschen vorsichtiger bei dem, wie sie die Sachen bezeichnen.
PR-Trick oder wissenschaftliche Entdeckung?
Also ist das Ganze ein PR-Trick? Ein bisschen, ja. Ein kleines bisschen. Sie hatten ja schon gesagt, es gab die Vermutung, dass es sowas geben kann. Das James-Webb-Teleskop hatte diese roten Punkte gezeigt. Da gab es dann auch die Theorie, es könnte vielleicht eine von Staub verhüllte Galaxie sein.
Wie konnten die Forschenden denn jetzt nachweisen, dass es sich hierbei eben nicht um so eine von Staub verhüllte Galaxie oder einen gewöhnlichen Stern handelt? Das ist ja jetzt wirklich ewig weit entfernt und wir haben bisher nur diese roten Punkte als Aufnahme. Genau. Also da muss man tatsächlich ein bisschen auf gewisse Weise ein bisschen technischer werden, weil es das James-Webb-Teleskop macht.
Also die Wissenschaftler haben ein bestimmtes Instrument beim James-Webb-Teleskop verwendet, nämlich das NIRSPEC-Instrument. Und als Europäerin muss ich auch sagen, das ist das Instrument, das in Europa gebaut wurde. Also man darf nicht vergessen, James Webb ist auch ein europäisches Teleskop. Das ist eine Zusammenarbeit zwischen der NASA, der ESA und der CSA, der Canadian Space Agency.
Analyse der Spektren
Also die Wissenschaftler haben dieses ein Instrument verwendet, um das Spektrum dieser Quelle anzuschauen. Das heißt, nicht nur so ein kleines rotes Punkt zu sehen, sondern zu schauen, in welche Farben können wir genau dieses Rot zerlegen. Und dabei sehen sie Linien von bestimmten Elementen. Und die können sagen: Also das, was wir da gerade sehen, besteht eigentlich fast nur aus Wasserstoff und aus Helium und zwar aus Gas, nicht aus Molekülen.
Und sie können aus den Beobachtungen auch sagen, dass das Objekt ziemlich klein sein muss. Also sie können tatsächlich nicht das Objekt auflösen, weil so ein Sonnensystem ist zwar sehr groß, aber auf dem Abstand zu dieser Galaxie erscheint es noch sehr klein. Aber sie können sagen, es ist auf jeden Fall kleiner als eine Galaxie sein würde. Das heißt, man kann sagen, irgendwas ist kleiner als eine Galaxie und eigentlich nur aus reinem Gas besteht. Gasball ist so das Beste, was man sich als nächstes vorstellen kann.
Und dann machen sie auch Simulationen, bei denen sie sich überlegen, wie würde denn so etwas aussehen, wenn in der Mitte ein schwarzes Loch ist, das akkretiert und diese Strahlung durch viele Schichten von Gas sich nach außen bewegt. Und sie können in einer Simulation genau das reproduzieren, was sie tatsächlich sehen. Das ist auch ein weiterer Hinweis, dass deren Interpretation korrekt ist.
Wissenschaftlicher Diskurs
Ich kann aber auch schon sagen, es sitzen sicherlich irgendwo Kollegen und machen sich Gedanken darüber, was könnte es denn sonst sein. Es kann auch sein, dass die Autoren irgendwo einen Fehler gemacht haben. So funktioniert Wissenschaft. Jemand hat eine Idee und die Idee ist vielleicht super, aber alle anderen versuchen dann, die Idee zu falsifizieren, zu sagen: Stimmt das oder stimmt es nicht?
Wenn ich jetzt das Ganze höre, das ist ja quasi nur ein Anfang, wo man weiterdenken kann. Welche Fragen stellen Sie sich jetzt als Astrophysikerin, wenn Sie das gehört haben? Ja, es gibt da ein neues Objekt. Also zum einen natürlich die Frage, die ich gerade erwähnt habe, das heißt: Stimmt das denn überhaupt? Ich glaube, gerade haben wir einiges an Hinweisen, dass es stimmt. Wetten würde ich aber trotzdem noch nicht. Das ist die eine Frage, die ich mir immer wieder frage.
Implikationen der Entdeckung
Was für mich aber auch wichtig ist, sind die Implikationen, die diese Entdeckung hat für schwarze Löcher insgesamt. Ich hatte ja erwähnt, dass es diese supermassereichen schwarzen Löcher gibt und wir wissen, wie groß die heute sind. Wir haben ein paar Ideen dazu, wie die am Anfang des Universums klein entstanden sein könnten und dann gewachsen sein könnten. Aber so ganz genau wissen wir das nicht.
Und diese Schwarzlochsterne sind ein ganz entscheidender Teil dieses großen Puzzles, bei dem wir uns überlegen, wie entstehen die supermassereichen schwarzen Löcher? Wenn jedes supermassereiche schwarze Loch in seiner Kindheit ein Schwarzlochstern gewesen ist, dann könnten wir tatsächlich plötzlich erklären, warum die heute so groß sind. Und das ist natürlich spannend.
Und dann ist meine nächste Frage natürlich: Hat jedes supermassereiche schwarze Loch so eine Phase in seinem Leben oder haben es nur manche? Also können wir das wirklich verwenden und es erklären? So entwickeln sich alle schwarzen Löcher oder machen es nur ein paar davon so?
Abschluss
Das sagt Dr. Viktoria Grinberg, Astrophysikerin und Wissenschaftlerin bei der Europäischen Raumfahrtorganisation ESA. Frau Dr. Grinberg, herzlichen Dank für Ihre Zeit und das spannende Gespräch. Danke schön, hat mir Spaß gemacht.
Das war es mit dem Forschungsquartett für diese Woche. Immer donnerstags erscheint eine neue Episode. Wir freuen uns, wenn ihr wieder reinhört und wenn ihr einem wissenschaftsbegeisterten Menschen vom Podcast erzählt. Mein Name ist Wieland Mikulajczyk. Vielen Dank fürs Zuhören, bleibt neugierig und bis zum nächsten Mal. Das Forschungsquartett – Wissenschaft bei detektor.fm.
Foto: ESA