Mit seinem KSK-Dialog nahm Dr. sc. ETH Mathias Bosshardt das Publikum am 16. März mit ins Weltall. Ziel: Herauszufinden, was das wohl berühmteste Bild – das erste Foto – eines schwarzen Lochs genau zeigt. Es war eine bildgewaltige Reise, die mit Alltagsbeispielen, Mathematik und Physik die wesentlichen Eigenschaften der schwarzen Löcher aufzeigte.
Corina Tobler
Willkommen im Universum: Beim Betreten der Aula begrüssen die über 70 Anwesenden Wolfgang Marschalls eindrucksvolle Astrofotografien, zu denen er im Bodensee Planetarium Kreuzlingen regelmässig referiert. Musik aus dem Film «Interstellar» und eine Darstellung des schwarzen Lochs aus demselben Film stimmen auf den Vortrag ein. Anna Kisters, die durch den Abend führt, stellt sowohl Wolfgang Marschall als auch den Referenten Mathias Bosshardt vor. Letzterer ist an der KSK Physik- und Mathematiklehrer, beschäftigt sich aber schon seit Jahrzehnten mit Astronomie und hat dazu einen beliebten Freikurs aufgebaut.
Bosshardts Leidenschaft für die Phänomene des Weltraums ist im Vortrag «Schwarze Löcher – vom Leben und Sterben der Sterne» vom ersten Moment an spürbar. Gleich zu Beginn bezieht er das Publikum mit ein, bevor er das weltbekannte Foto eines schwarzen Loches im Himmelsobjekt M87 einblendet. 2019 veröffentlicht, beweist die Aufnahme, dass die theoretischen Vermutungen über das Aussehen schwarzer Löcher der Realität entsprechen. Doch was genau zeigt das Foto eigentlich? Diese Leitfrage beantwortet Mathias Bosshardt nach einer Verortung unserer Position im Universum in seinem Vortrag in drei Schritten, gespickt mit alltagsnahen Vergleichen.
Frage 1: Warum ist das Loch schwarz?
Der Weg zur Antwort auf diese Frage führt zurück in der Zeit und über die Frage «Könnte ich einen Tennisball so schnell hochwerfen, dass er nie wieder runterfallen, sondern ins All entweichen würde?» Diese Frage, so Bosshardt, habe sich der englische Pfarrer John Michell bereits 1750 gestellt und damit nach der sogenannten Fluchtgeschwindigkeit gefragt. «Jetzt kommt’s: Ganz ohne Mathematik kommen wir bei unserem Thema nicht aus. Wir müssen jetzt ein bisschen rechnen», kündigt Bosshardt an. Gesagt, getan – und bald steht die Fluchtgeschwindigkeit von ungefähr 11 km/s an der Tafel. Spannend dabei: Ob man einen Tennisball hochwerfen oder eine (viel schwerere) Rakete ins All entsenden will, spielt keine Rolle. Die Fluchtgeschwindigkeit ist massenunabhängig.
Was hat das nun mit dem schwarzen Loch zu tun? «Michell dachte weiter. Was, wenn ein Körper irgendwo eine Fluchtgeschwindigkeit hätte, die höher ist als die Lichtgeschwindigkeit? Dann würde man den Körper nicht mehr sehen», sagt Bosshardt. Damit die Erde eine Fluchtgeschwindigkeit gleich der Lichtgeschwindigkeit hätte, müsste man sie laut Michell enorm zusammendrücken, auf einen Radius von 8 Millimetern. «Denken Sie sich den Nagel Ihres Daumens.» Karl Schwarzschild, der 1916 den heute nach ihm benannten Radius auf Basis von Albert Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie berechnete, kam auf denselben Wert.
Im Universum ist eine derart extreme Kompression dann möglich, wenn sehr massereiche Sterne – deutlich schwerer als unsere Sonne – am Ende ihres Lebens unter ihrem Gewicht kollabieren, weil die auswärts gerichtete, stabilisierende Kraft, die vorher durch Kernfusion erzeugt werden konnte, wegfällt. «In diesem Fall kommt es zur Supernova; die äusserste Hülle des Materials wird abgestossen, die grosse Masse in einem schwarzen Loch komprimiert», so Bosshardt.
Frage 2: Woher kommt der Lichtring ums schwarze Loch?
Diese Frage bringt das Publikum definitiv weg von Newtons Universum und hinein in Einsteins Kosmos. «Laut Einstein verformt Masse die Raumzeit und beeinflusst damit auch das Licht, weil es sich durch den Raum ausbreitet», erklärt Bosshardt und leitet über zum sogenannten Gravitationslinseneffekt. Aufgrund der Krümmung des Raumes entsteht der Eindruck, dass beispielsweise ein von uns aus sichtbarer Stern seitlich hinter einem schweren Himmelsobjekt wie der Sonne positioniert sei. Tatsächlich kann dieser Stern aber genau hinter der Sonne liegen – sichtbar wird er, weil die Krümmung des Raumes das Licht des Sterns an der Sonne vorbeiführt, so dass es uns trotz der geometrisch verdeckten Lage erreicht.
Auch hier greift Bosshardt zum alltäglichen Vergleich, schiebt den unteren Teil eines Weinglases über eine gelbe Murmel – die rund ums Zentrum des Glases als gelber Ring verzerrt abgebildet wird. «Der Lichtring rund um ein schwarzes Loch entsteht also durch den Gravitationslinseneffekt. Das schwarze Loch leitet Licht um sich herum», fasst er zusammen.
Frage 3: Welchen Ursprung hat der Lichtring?
Diese letzte sei eigentlich eine Detailfrage, sagt Mathias Bosshardt und erklärt, dass ein schwarzes Loch eine sogenannte Akkretionsscheibe habe (Material, das rund ums Loch rotiert). Dann zeigt er auf, was mit Lichtteilchen, sogenannten Photonen, geschieht, die auf das schwarze Loch zusteuern. Dabei zeigt sich: Die Photonen können zwar näher an das schwarze Loch als Materie, stürzen aber ab einem gewissen Punkt ausserhalb des Schwarzschildradius doch ins Loch.
Mit anderen Worten: Ein schwarzes Loch hat einen Schattenwurf. «Man sieht daher auf dem Bild oben den hinteren Teil der Akkretionsscheibe, vorne den unteren Teil. Letzterer ist heller, weil sich jenes Licht auf uns zu bewegt. Man spricht vom relativistischen Dopplereffekt, dem gleichen Effekt also, den man in der sich verändernden Tonhöhe eines erst sich nähernden und dann sich entfernenden Autos beobachten kann», erklärt Bosshardt und veranschaulicht auch dies mit einem Experiment.
Einmal Universum zum Mitnehmen
Der Blick auf das schwarze Loch Sagittarius A* in unserer eigenen Galaxie, nahe des Zentrums, schliesst den Vortrag ab. Dann ist der Dialog eröffnet. Die vielen Fragen zu Themen wie der Anzahl schwarzer Löcher in der Milchstrasse, dem Fall eines Menschen in ein schwarzes Loch, Wurmlöchern, Kernfusion und Magnetfeldern liefern weitere Denkanstösse und zeugen von der Faszination für den Themenbereich. Am Ende bleibt nur eine offene Frage: Wieso fanden eigentlich zu Beginn alle Zuhörenden ein Tütchen Salz auf ihrem Stuhl? «Darin befinden sich rund 2·1022 Atome, also etwa so viele wie die geschätzte Anzahl Sterne im Universum. Denken Sie beim nächsten Frühstücksei daran, welche Wunder das All bereithält», ist Mathias Bosshardts abschliessende Botschaft.
Der nächste KSK-Dialog findet am Dienstag, 26. Mai um 18.30 Uhr statt. Dr. phil. Anna Kisters spricht zum Thema «Zwischen Wirklichkeit und Ablehnung: Die Poesie der Bilder im Kino der Sowjetunion».
