Eine Entdeckungsreise zu den schwarzen Löchern
Die unwiderstehliche Anziehung der Schwerkraft ist ein Buch von Luciano Rezzolla, das die faszinierende Welt der Gravitationsphysik erforscht und ihre entscheidende Rolle im Universum erklärt. Es bietet einen fesselnden Einblick in die fundamentalen Kräfte, die unsere Welt zusammenhalten.
Nach einem im wahrsten Sinne des Wortes raketenhaften Start gleiten wir angenehm schwerelos durchs All dem Mond entgegen. Während du die Erde durchs Fenster immer kleiner werden siehst, fällt dir auf, dass du dich irgendwie leichter fühlst. Das ist keine Einbildung! Würde ich dich kurz auf dem Mond absetzen und du würdest dich auf eine Waage stellen, würde sie tatsächlich nur noch einen Bruchteil deines normalen Gewichts anzeigen. Eine 70 kg schwere Person würde auf dem Mond bloß noch 12 kg wiegen. Zauberei oder die effektivste Diät der Welt? Weder noch – es hat mit der Schwerkraft zu tun.
Die Schwerkraft fasziniert uns schon seit Menschengedenken. Kein Wunder, dass sich die klügsten Köpfe daran gemacht haben, sie zu erforschen. Einer dieser „Väter der Gravitation“ war Isaac Newton.
In seiner Gravitationstheorie aus dem Jahr 1687 beschreibt Newton die Schwerkraft als eine Anziehungskraft zwischen zwei Objekten, die über Masse verfügen. Wie stark diese Anziehung ist, hängt von ihrer Masse und ihrem Abstand zueinander ab. Einfach gesagt: Je massereicher die Objekte und je näher sie sich sind, desto stärker ist die Schwerkraft.
Über 200 Jahre lang galt diese Theorie als unangefochtenes Universalgesetz. Dann entdeckten Astronomen eine Abweichung in der Umlaufbahn Merkurs um die Sonne – und Newtons Gravitationstheorie geriet ins Wanken. Denn ihm zufolge müsste Merkur die Sonne in einer geschlossenen Bahn umkreisen und nach jeder Runde wieder genau am Ausgangspunkt ankommen. Die Astronomen beobachteten jedoch, dass sich dieser sonnennächste Punkt in Merkurs Bahn, das sogenannte Perihel, mit jeder Umrundung ein klein wenig verschiebt.
Die Wissenschaft riss sich fast ein Bein aus, um die Periheldrehung des Merkur zu erklären. Man stellte verschiedene Hypothesen auf, einige von ihnen schienen sogar aufzugehen. Aber erst die mathematischen Gleichungen eines gewissen Albert Einstein lieferten schließlich eine Erklärung.
Einsteins Vorstellung von der Gravitation, die er 1915 in seiner Allgemeinen Relativitätstheorie darlegte, war bahnbrechend und geradezu absurd. Einstein verstand Gravitation als eine „Manifestation der Krümmung der Raumzeit”. Das klingt jetzt erst mal ziemlich abstrakt, aber keine Sorge, gleich wird es klarer. Beginnen wir mit dem Konzept der Raumzeit.
Simpel ausgedrückt ist die Raumzeit eine mathematische Struktur, die Raum und Zeit zusammen umfasst. Stell dir eine riesige Sammelbox vor, in der sich unzählige Elemente – sogenannte „Ereignisse“ – befinden. Jedes dieser Elemente hat vier Dimensionen: eine Zeit- und drei Raumdimensionen. Der Fall der Berliner Mauer, dein Frühstück heute Morgen, aber auch ein Baum, der scheinbar unbewegt im Wald steht – all diesen Ereignissen lässt sich ein genauer Ort und eine genaue Zeit zuordnen, sie sind also vierdimensional. Noch dazu sind in der Raumzeit alle, aber auch wirklich alle Ereignisse vorhanden, also alles, was war, was ist und was noch sein wird.
Das Spannende an Einsteins Konzept ist, dass er Raum und Zeit nicht als voneinander unabhängige Entitäten betrachtet. Nach dem Motto: Die Zeit läuft wie ein Film immer gleich schnell voran, unabhängig vom Ort; und ein Ort ist ein fixer Punkt im Raum, der nicht von der Zeit beeinflusst wird. Für Einstein sind beide mathematisch gesehen gleichbedeutend. Es ist also einerlei, ob du dich räumlich von A nach B oder in der Zeit vor- oder zurückbewegst. Kurz gesagt: Raum und Zeit lassen sich nicht getrennt voneinander betrachten. Sie sind relativ.
Die Raumzeit hat aber noch eine weitere bedeutende Eigenheit: ihre Krümmung. Sie ist kein starres Objekt, sondern ein elastisches Gewebe! Um zu verstehen, was das mit der Gravitation zu tun hat, vergiss mal kurz die Sammelbox und stell dir die Raumzeit als ein glatt gezogenes Bettlaken vor.
Solange nichts darauf liegt, ist es glatt und eben – leere Raumzeit. Legst du nun eine Bowlingkugel auf das Laken, entsteht eine Delle und das Laken krümmt sich. Die Krümmung ist logischerweise dort am stärksten, wo die Kugel aufliegt, und nimmt zum Rand des Lakens hin ab. Legst du nun einen kleineren und leichteren Gegenstand dazu – sagen wir, eine Murmel –, rollt sie wie von selbst zur Bowlingkugel, oder physikalisch ausgedrückt: zum Zentrum der Krümmung. Ob Bowlingkugel, Staubkorn oder Planet – jedes physikalische Objekt erzeugt eine Krümmung in der Raumzeit. Wie stark diese ist, hängt davon ab, wie viel Masse – und damit Energie – das Objekt besitzt.
So, und jetzt lass dir noch einmal Einsteins Definition auf der Zunge zergehen: Die Gravitation ist die Manifestation der Krümmung der Raumzeit. Geht dir ein Licht auf? Richtig: Masse krümmt die Raumzeit, und durch die Krümmung bewegt sich die umgebende Masse oder Energie, sie wirkt also in Form von Gravitation. Ist die Raumzeit leer, bleibt sie flach und ohne Gravitation, und die Objekte verharren im Ruhezustand oder bewegen sich auf einer geraden Bahn. Um bei unserem Bild zu bleiben: Ohne die Bowlingkugel würde die Murmel einfach an Ort und Stelle liegen bleiben oder sich auf gerader Linie in die Richtung bewegen, in die wir sie anschubsen.
Einstein warf aber noch eine andere newtonsche Annahme über Bord, nämlich die, dass die Gravitation nur auf Objekte mit Masse wirke. Das hieße im Umkehrschluss, dass masselose Objekte wie beispielsweise Photonen, die reine Energie sind, von der Gravitation unberührt blieben. Unsere eigene Beobachtung scheint das zu bestätigen: Sicher hast du noch nie gesehen, dass der Lichtstrahl einer Taschenlampe zu Boden fällt. Einsteins Theorie besagt, dass eine ausreichend starke Raumzeit-Krümmung auch die Dynamik masseloser Objekte beeinflusst. Wie eben Licht. Den Beweis für diese tollkühne Idee erbrachte der britische Astrophysiker Arthur Eddington bei einer Sonnenfinsternis im Jahr 1919.
Lichtstrahlen suchen sich normalerweise den kürzesten Weg durch den Raum, sie verlaufen also gerade. Normalerweise … denn Eddington wies nach, dass die massereiche Sonne eine so starke Krümmung in der Raumzeit erzeugt, dass sie Photonen ablenken und sogar verstärken kann. Das führt zu einem verrückten Phänomen: Wegen der Ablenkung oder Verstärkung des Lichts können wir von der Erde aus auch Objekte sehen, zum Beispiel Sterne, die sich teilweise hinter der Sonne befinden oder nur sehr schwach leuchten. Aber warum brauchte es eine Sonnenfinsternis, um das zu beweisen? Ganz einfach: Die Sonne überstrahlt sonst alles in ihrer Umgebung – die Ablenkung einzelner Lichtstrahlen geht da schlichtweg unter und bleibt für uns unsichtbar.
Während der ganzen Erklärungen hat unser Raumschiff den Mond passiert und nähert sich jetzt der Sonne. Stell dich auf eine rapide Gewichtszunahme ein! Auf der Sonne bringst du nämlich satte 2000 kg auf die Waage. Und nun ahnst du auch, warum: Bei einem nur 100-fach größeren Radius hat die Sonne die 3000-fache Masse der Erde – ihr Gravitationsfeld ist 28-mal stärker als das der Erde!
Wie ist es möglich, ein Foto von einem Millionen Lichtjahre entfernten Objekt zu erstellen, das noch dazu schwarz ist und per Definition alles Licht verschluckt? Im Blink zu Die unwiderstehliche Anziehung der Schwerkraft (2021) erfährst du es! Nebenbei erklären wir, was es mit astrophysikalischen Phänomenen wie Gravitation, Krümmung der Raumzeit und Neutronensternen auf sich hat.
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