Theoretische Physik

Der Flug ums Schwarze Loch

Raymond Angélil untersucht die Gravitation mit Hilfe von Schwarzen Löchern. Keine einfache Aufgabe, denn neue Teleskope werden erst in zehn Jahren die dazu nötigen Daten liefern. Angélil berechnet schon heute die Flugbahnen der Sterne um das Schwarze Loch im Zentrum unserer Galaxie. Unterstützt wird der Doktorand am Institut für Theoretische Physik vom Forschungskredit der UZH.

Petra Bättig

Raymond Angélil untersucht die seltsamen Geschehnisse rund um das Schwarze Loch im Zentrum der Milchstrasse.  (Bild: Petra Bättig)

Um halb neun ist es noch ruhig im Grossraumbüro der theoretischen Physiker. Die Computer sind ausgeschaltet, nur vollgeschriebene Wandtafeln deuten auf komplizierte Berechnungen hin. «Ich arbeite eigentlich nur mit dem Computer. Ab und zu berechne ich etwas auf Papier», entschuldigt Raymond Angélil seinen unspektakulären Arbeitsplatz.

Experimente sind in seinem Forschungsgebiet auf der Erde kaum möglich, weil die Gravitation hier viel zu schwach ist. Wahrscheinlich ist die Schwerkraft deshalb noch wenig erforscht.

Einsteins Theorie

Bereits vor hundert Jahren hat Einstein in der Allgemeinen Relativitätstheorie die Gravitation mit der  Krümmung der vierdimensionalen Raumzeit verknüpft. Aus seiner Unterrichtserfahrung weiss Angélil, dass sich Einsteins Theorie nicht so leicht erklären lässt. Obwohl ganze Bücher zum Thema existieren, gebe es noch immer nur sehr wenige Belege für Einsteins Theorie. Als richtigen Prüfstein bräuchte man Messungen aus der Nähe eines Schwarzen Lochs, denn dort sei die Schwerkraft sehr viel stärker.

Das Schwarzes Loch im Zentrum

Schwarze Löcher kennt man erst seit zwanzig Jahren und bis heute gibt es nur indirekte Beweise, dass sie tatsächlich existieren. Ein Schwarzes Loch ist ein Stern, welcher am Ende seiner Entwicklung in sich selber zusammengefallen ist. Dabei wird die gesamte noch vorhandene Materie zusammengedrückt, bis nur ein sehr kompakter, schwerer Kern übrigbleibt, dessen Schwerkraft so stark ist, dass ihm selbst Licht nicht mehr entkommen kann.

Das Schwarze Loch, welches sich im Zentrum unserer Galaxie befindet, ist ein sogenanntes supermassereiches Schwarzes Loch. Es hat eine geschätzten Masse von vier Millionen Mal die Masse der Sonne. Nur Sterne, welche sich sehr schnell bewegen, können der starken Anziehung widerstehen – mit einer Geschwindigkeit von rund 12‘000 km pro Sekunde. Im Vergleich dazu «kriecht» die Erde mit lediglich 30 km pro Sekunde um die Sonne.

Von den bis jetzt beobachteten Sternen kreist der Schnellste in 16 Jahren einmal um das Schwarze Loch. «Es gibt aber sicher Sterne, welche in engeren Bahnen kreisen, nur können wir diese heute noch nicht beobachten», erklärt Angélil.

Merkurs Flugbahn

Nahe beim Schwarzen Loch werde man seltsame Dinge beobachten können, prophezeit der Physiker. Bereits bei der Beobachtung von Merkurs Flugbahn sei nämlich klar geworden, dass Newtons Gesetze zur Planetenbewegung nicht ganz stimmen.

Merkur ist der innerste Planet und kreist somit in einer sehr engen Ellipse um die Sonne. Doch bei jeder Umkreisung dreht sich die Flugbahn etwas. So entsteht ein regelmässiges Muster von gegeneinander verschobenen Ellipsen, welche um denselben Brennpunkt kreisen – die Sonne.

«Dieses Phänomen kann man mit Einsteins Gleichungen beschreiben, wenn man die Gravitation der Sonne mit einrechnet», erklärt Angélil, «doch ob diese Theorie auch bei starker Schwerkraft stimmt, weiss man noch nicht.»

Denn nahe bei einem Schwarzen Loch gibt es weitere seltsame Effekte. Hier bewegen sich die Sterne nicht mehr in einer Ebene, sondern in «taumelnden Ellipsen» um das Schwarze Loch. Zusätzlich erschwert wird die Beobachtung dieser ungewöhnlichen Bahnen, weil selbst das Licht bei starker Gravitation abgelenkt wird und sich nicht mehr auf einer Geraden, sondern in einem Bogen bewegt.

Warten auf die Daten

Soweit die Theorie, denn die Messungen dazu können erst in zehn Jahren stattfinden. Doch womit hat der junge Physiker nun all die Jahre gerechnet? «Ich habe aufgrund von Einsteins Relativitätstheorie berechnet, wie die Flugbahnen der Sterne aussehen müssten», erklärt er. Dank seinen Berechnungen wisse man in zehn Jahren, wonach zu suchen sei.

So lange dauert es noch, bis zwei grosse, neue Teleskope in Betrieb genommen werden: das European Extremely Large Telescope (E-ELT) und das Square Kilometer Array (SKA). Damit lassen sich Sterne beobachten, welche sehr nahe um das Schwarze Loch kreisen.

Falls Astronomen dann beobachten, dass sich die Sterne auf den von Angélil berechneten Flugbahnen bewegen, würde das die Allgemeine Relativitätstheorie bestätigen. «Aber eigentlich wäre es fast spannender, wenn dies nicht so wäre», meint Angélil verschmitzt. Damit wäre nämlich Einstein widerlegt.

Einen direkten praktischen Nutzen seiner Arbeit sieht der theoretische Physiker nicht. Das scheint ihm nicht wichtig zu sein, denn die Kombination von Physik und komplexer Mathematik sei «absolut faszinierend». Und vielleicht trage er ja dazu bei, das Naturphänomen Gravitation besser zu verstehen. Als Motivation genügt ihm das vollkommen.

Petra Bättig war Mitarbeiterin von Life Science Zurich von UZH/ETHZ und ist jetzt Dozentin an
der Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften in Wädenswil.

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