Der diesjährige Nobelpreis für Physik wurde an drei Wissenschaftler für ihre Arbeiten über Schwarze Löcher verliehen. Der britische Kosmologe Roger Penrose erhält die Hälfte des Preises, die andere Hälfte teilen sich der deutsche Astrophysiker Reinhard Genzel und die amerikanische Astrophysikerin Andrea Ghez. Ghez ist erst die vierte Frau in der Geschichte, die den ehrwürdigen Physikpreis erhält.
„Beim diesjährigen Preis geht es um die dunkelsten Geheimnisse des Universums“, sagte Göran K. Hansson, Generalsekretär der Königlich Schwedischen Akademie der Wissenschaften, auf einer Presseveranstaltung. Die Akademie würdigte Penrose für seine „Entdeckung, dass die Entstehung schwarzer Löcher eine robuste Vorhersage der allgemeinen Relativitätstheorie ist“, fügte Hansson hinzu, während Ghez und Genzel „für die Entdeckung eines supermassereichen kompakten Objekts im Zentrum unserer Galaxie“ ausgezeichnet wurden.
Schwarze Löcher sind Regionen des Weltraums, in denen die Schwerkraft so stark ist, dass nicht einmal Licht entkommen kann. Um eines zu erzeugen, so Ulf Danielsson, Physiker im Nobelkomitee für Physik, auf der Veranstaltung, „müsste man die Sonne auf einen Bereich von nur wenigen Kilometern Durchmesser komprimieren – oder die Erde auf die Größe einer Erbse zusammenpressen.“ Im Herzen eines jeden Schwarzen Lochs befände sich eine „Singularität“, ein Punkt, an dem die Schwerkraft die Materie auf eine unendliche Dichte zusammendrückt, umhüllt von einem „Ereignishorizont“, hinter dem alles, was hineinfällt, nicht mehr in das weitere Universum zurückkehren kann. Obwohl Wissenschaftler jahrhundertelang über ihre Existenz spekuliert hatten, war unklar, ob solche extremen Objekte in der Realität vorkommen könnten. Selbst Albert Einstein, dessen allgemeine Relativitätstheorie die moderne Grundlage für das Verständnis von Schwarzen Löchern bildet, bezweifelte ihre Existenz.
Doch 1965 zeigte Penrose, ein Physiker, der mit Stephen Hawking zusammenarbeitete und heute emeritierter Professor an der Universität Oxford ist, mathematisch, dass Schwarze Löcher tatsächlich existieren und sich in einem stabilen und robusten Prozess bilden könnten“, der mit Einsteins Theorien übereinstimmt, so David Haviland, Physiker an der Königlichen Technischen Hochschule in Schweden und Vorsitzender des Komitees für den Physikpreis, gegenüber Reportern.
„Penrose und Hawking haben bewiesen, dass Schwarze Löcher für Sterne eines bestimmten Typs ein ziemlich unvermeidliches Ergebnis des stellaren Kollapses sind“, sagt Sabine Hossenfelder, theoretische Physikerin am Frankfurter Institut für Höhere Studien in Deutschland. „Vor dieser bahnbrechenden Arbeit dachten die meisten Physiker, dass Schwarze Löcher lediglich mathematische Kuriositäten sind, die in der allgemeinen Relativitätstheorie vorkommen, aber in der Realität nicht existieren. Stattdessen stellte sich heraus, dass schwarze Löcher beim Kollaps von Sternen kaum zu vermeiden sind und dass das Universum voll von ihnen sein sollte…. Die Geschichte der Entdeckung schwarzer Löcher zeigt anschaulich, wie mächtig die reine Mathematik bei der Suche nach dem Verständnis der Natur sein kann.“
Penroses Arbeit über schwarze Löcher beschränkte sich nicht auf den Nachweis ihrer Möglichkeit im Rahmen der allgemeinen Relativitätstheorie, bemerkt Avi Loeb, Astrophysiker an der Harvard University und Leiter der Black Hole Initiative. Penrose zeigte auch, wie man Energie aus sich drehenden Schwarzen Löchern gewinnen kann – der so genannte Penrose-Prozess, der eine wichtige Rolle bei der Energieversorgung von Quasaren spielen könnte, den ultraleuchtenden Objekten, die mit gefräßigen Schwarzen Löchern in den Kernen entfernter alter Galaxien in Verbindung stehen. Und Penroses „kosmische Zensurhypothese“, so Loeb, „bewahrt unsere Fähigkeit, die Zukunft im gesamten Universum vorherzusagen, vor der Pathologie der Singularitäten, die mit schwarzen Löchern verbunden sind, wo Einsteins Theorie zusammenbricht…. Wie in Las Vegas gilt: ‚Was immer innerhalb des Ereignishorizonts passiert, bleibt auch innerhalb des Ereignishorizonts'“
Während Penrose, Hawking und andere Theoretiker die physikalischen Grundlagen von Schwarzen Löchern festlegten, suchten und untersuchten beobachtende Astronomen diese exotischen Objekte immer genauer.
Eine bahnbrechende Entdeckung zeichnete sich in den 1990er Jahren ab. Genzel, Direktor für Infrarotastronomie am Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik in Garching, und Ghez, Professor an der University of California in Los Angeles, leiteten jeweils ein unabhängiges Forschungsteam, das mit leistungsstarken Infrarot-Teleskopen und adaptiver Optik in das staubbedeckte Herz der Milchstraße blickte. Dort beobachteten beide Teams Sterne, die sich um eine mysteriöse zentrale dunkle Quelle scharten, ein unsichtbares Objekt, das nach den Bewegungen der Sterne die Masse von vier Millionen Sonnen enthalten muss. „Es gibt keine andere Erklärung als ein supermassereiches schwarzes Loch“, sagte Danielsson.
Spätere Beobachtungen, vor allem mit dem Hubble-Weltraumteleskop, haben gezeigt, dass solche massereichen schwarzen Löcher in den Zentren fast aller großen Galaxien des beobachtbaren Universums lauern. Diese Beobachtung deutet darauf hin, dass diese Objekte weit davon entfernt sind, bloßes astrophysikalisches Arkanum zu sein, sondern vielleicht die wichtigsten Bausteine des Universums für großräumige kosmische Strukturen sind.
„Die Wissenschaft ist so wichtig, und die Darstellung der Realität unserer physikalischen Welt ist für uns als Menschen von entscheidender Bedeutung“, sagte Ghez in einem Interview mit Reportern, nachdem sie von ihrer Auszeichnung erfahren hatte. „Wir haben keine Ahnung, was in schwarzen Löchern…. ist. Sie repräsentieren wirklich den Zusammenbruch unseres Verständnisses der physikalischen Gesetze. Das ist ein Teil der Faszination – wir wissen es immer noch nicht.“
Genzels und Ghez‘ Teams machen weiterhin neue Entdeckungen über das zentrale supermassereiche Schwarze Loch der Milchstraße, das den Namen Sagittarius A* trägt, wie z. B. Knoten aus überhitztem Gas, die aufflackern, während sie sich in die Vergessenheit schrauben. Neue Einrichtungen wie das Laser-Interferometer-Gravitationswellen-Observatorium (LIGO) und das Virgo-Interferometer untersuchen verschmelzende Paare von Schwarzen Löchern, indem sie die von ihnen ausgehenden Wellen in der Raumzeit, die so genannten Gravitationswellen, aufspüren. Und laufende Radiobeobachtungen von Sagittarius A* sowie solche Untersuchungen eines anderen supermassereichen Objekts in der nahen Galaxie M87 durch das weltumspannende Event Horizon Telescope (EHT) liefern revolutionäre Nahaufnahmen dieser kosmischen Monster.
„All diese bahnbrechenden Techniken bringen uns näher als je zuvor an den Rand des Unbekannten und bieten neue Möglichkeiten, die geheimnisvollsten Objekte im Kosmos zu untersuchen und unsere grundlegendsten Theorien zu testen“, sagt Sheperd Doeleman, Gründungsdirektor des EHT. „Die Ergebnisse der letzten Jahre haben es uns ermöglicht, Fragen zu stellen, die wir vorher nie hätten formulieren können. Aber noch wichtiger ist, dass sie uns erlauben, von großen Dingen zu träumen. Die Arbeit, die heute mit den Nobelpreisen gewürdigt wird, ist transformativ, und die Zukunft für Schwarze Löcher ist, wie man so schön sagt, hell!“
„Dies ist nicht nur ein altes Abenteuer, das zu seinem triumphalen Abschluss kommt“, sagte Danielsson. „Es ist der Beginn eines neuen Abenteuers. Wenn wir uns den Horizonten der Schwarzen Löcher immer weiter nähern, könnte die Natur neue Überraschungen auf Lager haben.“