Ein Ereignishorizont hat nichts, das man berühren könnte, keine Farbe, keine Dicke – und dennoch ist er die absoluteste Grenze im Universum. Überschreitet man ihn, kann nicht einmal ein Lichtstrahl, der geradewegs in die Richtung zurückgesendet wird, aus der man kam, entkommen. Nichts markiert die Stelle außer der Mathematik, die sie beschreibt.
Diese Kombination – eine Grenze, die zugleich überall und nirgends ist und dabei absolut endgültig – unterscheidet ein Schwarzes Loch von jedem anderen Objekt in der Astronomie. Planeten und Sterne haben Oberflächen, auf denen man im Prinzip stehen könnte. Ein Ereignishorizont ist eine Grenze in der Raumzeit selbst, und auf beiden Seiten gelten nicht dieselben Regeln.
Die Geschichte, wie Physiker diese Grenze verstehen lernten, reicht von einem Brief aus dem 18. Jahrhundert bis zu einem Foto aus dem Jahr 2019 – und sie bringt immer wieder Ideen hervor, die noch seltsamer sind als das Schwarze Loch selbst.
Eine Grenze, vorhergesagt, bevor es ein Wort dafür gab
Die erste Skizze dieser Idee entstand 1784, als der englische Geistliche und Astronom John Michell vorschlug, dass die Schwerkraft in der Nähe eines ausreichend massereichen, kompakten Objekts so stark sein könnte, dass selbst Licht ihm nicht entkommen kann. Es gab noch keine allgemeine Relativitätstheorie, keinen Namen für die Grenze, die Michell beschrieben hatte – nur die Rechnung einer Fluchtgeschwindigkeit, die schneller war als das Licht selbst.
Der Name kam Generationen später, mitten im Jahrhundert, fast beiläufig. Der Physiker Wolfgang Rindler prägte den Begriff „Ereignishorizont" in den 1950er-Jahren und entlehnte dabei das Wort „Horizont" für etwas, das Ereignisse verbirgt statt Land. Eine strengere Definition folgte 1958, als David Finkelstein mithilfe der allgemeinen Relativitätstheorie den Horizont als eine Grenze beschrieb, jenseits derer nichts, was geschieht, jemals einen Beobachter außerhalb beeinflussen kann. Diese Formulierung verwenden Physiker bis heute: Der Ereignishorizont wird nicht dadurch definiert, was sich in ihm befindet, sondern dadurch, was niemals herauskommen kann.
Ein Radius, den man auf einem Bierdeckel berechnen kann
So abstrakt die Definition auch klingt, die Größe eines Ereignishorizonts gehört zu den einfachsten Zahlen, die sich in der Physik berechnen lassen, sobald man die Masse eines Objekts kennt. Dies ist der Schwarzschild-Radius, benannt nach dem deutschen Astronomen Karl Schwarzschild, der die Lösung 1916 fand – wenige Monate, nachdem Einstein die allgemeine Relativitätstheorie selbst veröffentlicht hatte.
Setzt man eine beliebige Masse ein, ergibt sich sofort der Radius, was einige anschauliche Vergleiche ermöglicht. Würde man die Sonne auf ihren Schwarzschild-Radius komprimieren, müsste sie in eine Kugel mit etwa 3,0 km (1,9 mi) Durchmesser passen. Macht man dasselbe mit der Erde, schrumpft die Kugel auf etwa 9 mm (0,35 in) – kleiner als eine Murmel. Beim Mond wären es etwa 0,1 mm (0,004 in), eine Grenze, die auf einer Fingerkuppe verloren gehen könnte. Keiner dieser Himmelskörper ist auch nur annähernd dicht genug, um tatsächlich einen Horizont zu bilden; die Zahl beschreibt nur, wie weit sie davon entfernt sind.
Am anderen Ende der Skala liegt der Schwarzschild-Radius des supermassereichen Schwarzen Lochs im Zentrum der Milchstraße bei etwa 12 Millionen Kilometern – eine Grenze, die die Umlaufbahn des Merkur mühelos verschlingen würde.
Mehr Wasser als jeder Ozean, kurz bevor es kollabiert
Die Formel für den Schwarzschild-Radius birgt eine wirklich seltsame Konsequenz: Da er mit der Masse skaliert, während die physische Größe eines Objekts mit der Kubikwurzel seines Volumens skaliert, kann Material geringer Dichte seine eigene Horizontgrenze überschreiten, wenn nur genug davon vorhanden ist. Berechnet man, wie viel gewöhnliches Wasser man ansammeln könnte, bevor die gesamte Masse unter ihrer eigenen Schwerkraft kollabiert, ergibt sich eine Kugel mit einem Radius von etwa 400920754 km, rund 2,67 AE – weiter als die Entfernung von der Sonne bis zum Asteroidengürtel.
Aus demselben Grund sind die allergrößten Schwarzen Löcher im Durchschnitt weniger extrem als die kleinen. Das Volumen innerhalb des Ereignishorizonts der massereichsten Schwarzen Löcher hat im Schnitt eine geringere Dichte als gewöhnliche Hauptreihensterne. Ein Horizont markiert, wo ein Entkommen unmöglich wird, nicht, wo Materie bis an ihre Grenze verdichtet ist – und bei einem ausreichend großen Objekt können „unmöglich zu entkommen" und „dünn wie ein Stern" denselben Ort beschreiben.
Man würde nie sehen, wie jemand tatsächlich hineinfällt
Hier kommt der Teil, der selbst aufmerksame Leser stolpern lässt: Ein Ereignishorizont lässt sich nur in eine Richtung überschreiten, aber von außen bekommt niemand jemals mit, wie dieses Überschreiten geschieht. Objekte, die auf einen Ereignishorizont zusteuern, scheinen ihn aus der Sicht eines entfernten Beobachters nie wirklich zu erreichen, weil das Licht, das dieses letzte Bild trägt, den Beobachter niemals erreicht. Das fallende Objekt scheint sich dem Horizont für immer nur verlangsamt, verdunkelt und verblassend zu nähern, ohne jemals sichtbar anzukommen.
Ob der Fall selbst überlebbar wäre, hängt vollständig von der Größenordnung ab. Ein menschlicher Astronaut würde einen Fall durch einen Ereignishorizont nur in einem Schwarzen Loch mit einer Masse von etwa 10.000 Sonnenmassen oder mehr überleben – bei allem Kleineren richten die Gezeitenkräfte in der Nähe der Grenze bereits Schaden an, lange bevor der Horizont selbst erreicht wird.
Der Punkt ohne Wiederkehr, bis zum Äußersten gedehnt
Dieser Schaden hat einen Namen: Spaghettifizierung. In der Nähe eines Schwarzen Lochs wird der Unterschied in der Schwerkraft zwischen der nahen und der fernen Seite eines Objekts so extrem, dass nichts der Dehnung entlang der Fallrichtung widerstehen kann. Ein kleines Schwarzes Loch tut dies weit außerhalb seines Horizonts, weshalb ein massearmes Schwarzes Loch tödlich ist, lange bevor ein Astronaut überhaupt in die Nähe der Grenze selbst gelangt.
Vergrößert man das Schwarze Loch jedoch, ändert sich die Geografie. Bei einem supermassereichen Schwarzen Loch liegt der Punkt, an dem die Spaghettifizierung einsetzen würde, innerhalb des Ereignishorizonts selbst, sodass ein Astronaut die Grenze überschreiten könnte, ohne überhaupt eine Dehnung zu bemerken – auch wenn der anschließende Fall in Richtung Zentrum unausweichlich bleibt. Es ist mit anderen Worten möglich, den Punkt ohne Wiederkehr zu passieren und sich dabei eine Weile völlig wohl zu fühlen.
Die Aufnahme einer Silhouette, die niemand sehen kann
Ein Ereignishorizont sendet kein eigenes Licht aus, sodass kein Teleskop ihn direkt abbilden kann – was Astronomen einfangen können, ist seine Silhouette vor dem glühenden, überhitzten Gas, das knapp außerhalb wirbelt. Genau diese Silhouette wollte das Event Horizon Telescope einfangen, ein globales Netzwerk aus Radioteleskopen, das als ein einziges Instrument arbeitet. Das allererste Bild eines Schwarzen Lochs, im Zentrum der Galaxie Messier 87, wurde am 10. April 2019 von der Event Horizon Telescope Collaboration veröffentlicht, verteilt auf gleich sechs wissenschaftliche Publikationen.
Schon die Zahlen hinter diesem Bild sind für sich genommen verblüffend. Das Teleskop maß die Masse dieses Schwarzen Lochs auf 6,5±0,7 Milliarden Sonnenmassen und den Durchmesser seines Ereignishorizonts auf etwa 40 Milliarden Kilometer (270 AE) – etwa 2,5-mal kleiner als der leuchtende Schatten, den das Bild tatsächlich zeigt, denn der Schatten wird dadurch vergrößert, dass sich das Licht auf dem Weg zur Erde um den Horizont herum krümmt. Am 12. Mai 2022 stellte dieselbe Kollaboration ein zweites Porträt vor: das supermassereiche Schwarze Loch im Zentrum unserer eigenen Milchstraße, Sagittarius A*.
Beide Bilder waren auf eine bislang beispiellose Auflösung angewiesen. Seit 2018 nimmt das Event Horizon Telescope bei einer Wellenlänge von 870 Mikrometern (345 GHz) auf und erreicht dabei eine Winkelauflösung von 19 Mikrobogensekunden – die schärfste aller bodengestützten Teleskope, vergleichbar mit dem, was nötig wäre, um von der Erde aus die Schlagzeile einer Zeitung auf der Mondoberfläche zu lesen.
Ein schwaches Leuchten am äußersten Rand
Selbst die absoluteste Grenze der Physik hat sich, zumindest theoretisch, als lückenhaft erwiesen. Die Hawking-Strahlung wird knapp außerhalb des Ereignishorizonts eines Schwarzen Lochs freigesetzt, gemäß einem Modell von Quanteneffekten, das Stephen Hawking 1974 entwickelte. Der Horizont selbst lässt nach wie vor nichts zurück nach draußen – die Strahlung ist ein eigenständiger Quantenprozess, der genau an seiner Schwelle stattfindet, kein Licht, das hinter der Grenze entkommt.
Das erinnert daran, dass der Ereignishorizont bei aller Endgültigkeit nicht das letzte Wort darüber hat, was ein Schwarzes Loch tut. Er ist einfach die Linie, jenseits derer das Universum aufhört, einen auf dem Laufenden zu halten.