"War Oppenheimer, der Vater der Atombombe, auch der Vater der Schwarzen Löcher? Der theoretische Physiker erforschte Schwarze Löcher bereits vor ihrer Entdeckung.
Bevor er „Vater der Atombombe“ wurde, leistete J. Robert Oppenheimer einen bedeutenden Beitrag zur Wissenschaft der Schwarzen Löcher.
Oppenheimer wird für immer, im Guten wie im Schlechten, mit der unglaublichen Zerstörungskraft der Atombombe und dem Bild des Atompilzes, einem nahezu biblischen Symbol der Zerstörung, in Verbindung gebracht werden. Mit der heutigen Veröffentlichung von „Oppenheimer“, Christopher Nolans mit Spannung erwartetem Biopic über den Physiker, wird diese Assoziation in der Öffentlichkeit nur noch stärker.
Doch bevor er 1942 nach Los Alamos, New Mexico, reiste, um an der Entwicklung der Atombombe mitzuwirken, war Oppenheimer ein theoretischer Physiker mit Schwerpunkt auf Quantenphysik.
Im Jahr 1939 veröffentlichten er und sein Kollege Hartland S. Snyder von der University of California, Berkeley eine bahnbrechende Arbeit mit dem Titel „On Continued Gravitational Contraction“, in der die Gleichungen von Albert Einsteins Gravitationstheorie und der Allgemeinen Relativitätstheorie verwendet wurden, um zu zeigen, wie Schwarze Löcher entstehen könnten.
„Oppenheimer schlug das allererste Kollapsmodell vor, um zu beschreiben, wie ein Stern in ein Schwarzes Loch kollabieren könnte“, sagte Xavier Calmet, Professor für Physik an der University of Sussex in England, gegenüber Space.com. „Dieses Modell erklärt die Entstehung von Schwarzen Löchern als einen dynamischen astrophysikalischen Prozess, das letzte Stadium der Entwicklung von ausreichend schweren Sternen. Dieses Modell wird noch heute verwendet.“
Calmet sagte, dass er das Modell kürzlich selbst in einer Arbeit verwendet habe, in der er den Kollaps von Schwarzen Löchern unter Berücksichtigung der Quantengravitation beschrieb.
„Dieses Modell ist sehr bedeutsam, weil es analytisch lösbar ist – das Lösen der Gleichungen kann mit Stift und Papier erfolgen und erfordert keine numerische Arbeit. Die gesamte Physik ist somit leicht nachvollziehbar“, sagte er. „Aber trotz seiner Einfachheit und vielleicht sogar Grobheit ist es komplex genug, um viele Merkmale eines kollabierenden Sterns zu beschreiben.“
Ironischerweise schloss der Vater dieser Theorie, Albert Einstein, während Oppenheimer und Snyder an dem Papier arbeiteten, das so stark von der Allgemeinen Relativitätstheorie von 1915 abhing, selbst Forschungen ab, die zeigen sollten, dass Schwarze Löcher nicht existieren könnten.
Die Geschichte sollte zeigen, dass Oppenheimer in Bezug auf Schwarze Löcher Recht hatte.
Acht Jahre vor Oppenheimers Theorie über den Zusammenbruch von Sternen und die Entstehung von Schwarzen Löchern dachte ein anderer theoretischer Physiker darüber nach, was passiert, wenn Sternen der Treibstoff für die Kernfusion ausgeht.
Wenn dieser Treibstoff erschöpft ist, kann sich ein Stern nicht mehr gegen einen Gravitationskollaps behaupten. Während sich die äußeren Schichten des Sterns ablösen, zieht sich sein Kern schnell zusammen und hinterlässt einen exotischen Sternrest. Die Art des Überrestes hängt von der Masse des Sternkerns ab.
Der indisch-amerikanische Physiker Subrahmanyan Chandrasekhar erkannte, dass bei Sternkernen mit einer Masse von weniger als dem 1,4-fachen der Sonnenmasse der Gravitationskollaps aufgrund von Quanteneffekten zum Stillstand kommen würde, die verhindern, dass Teilchen zu nahe beieinander „zusammengequetscht“ werden.
Dies ist als Chandrasekhar-Grenze bekannt geworden, und jeder Stern darunter – es sei denn, er hat einen stellaren Begleiter, der ihn mit Material versorgt – ist dazu verdammt, seine Existenz als schwelender Sternrest namens Weißer Zwerg zu beenden. Das wird das Schicksal unseres Sterns, der Sonne, sein, nachdem in etwa 5 Milliarden Jahren der Wasserstoff in seinem Kern erschöpft ist.
Für Sternkerne, die mindestens 1,4-mal massereicher als die Sonne sind, wird beim Gravitationskollaps genügend Druck und damit Wärme erzeugt, dass weitere Phasen der Kernfusion ausgelöst werden können, wobei das durch die Fusion von Wasserstoff selbst erzeugte Helium schwerere Elemente wie Stickstoff, Sauerstoff und Kohlenstoff schmiedet.
Die massereichsten Sterne durchlaufen eine Reihe solcher Kollaps- und Kernfusionsphasen. Doch Oppenheimer und seine Studenten wollten wissen, wohin dieser Gravitationskollaps führt und wie der Endzustand der größten Sterne des Universums ist.
Diese Antwort hatte bereits 1916 ein deutscher Physiker geliefert. Oppenheimer musste nur noch herausfinden, wie er dorthin gelangt.
Im Jahr 1915, als er im Ersten Weltkrieg an der Front der deutschen Armee diente, bekam der Astronom Karl Schwarzschild eine Kopie von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie in die Hände. Erstaunlicherweise und zum Schock Einsteins gelang es Schwarzschild unter diesen unglaublich harten Bedingungen, eine exakte mathematische Lösung für die Feldgleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie zu berechnen.
In diesen Lösungen lauerten zwei beunruhigende Dinge – Orte, die als „Singularitäten“ bekannt sind und an denen die Physik, wie wir sie kennen, völlig zusammenbricht. Diese Singularitäten deuteten auf die Existenz von Objekten hin, deren Schwerkraft so stark war, dass sie Licht „schlucken“ konnten.
Eine der Singularitäten wurde als Koordinatensingularität angesehen, die mit ein wenig geschickter mathematischer Manipulation entfernt werden konnte. Diese Koordinatensingularität wurde als Schwarzschildradius bekannt – der Punkt, an dem die Schwerkraft eines Körpers so groß wird, dass die Geschwindigkeit, die erforderlich ist, um seinen Fängen zu entkommen, größer als die Lichtgeschwindigkeit ist.
Diese einseitig lichteinfangende Oberfläche wird „Ereignishorizont“ genannt und stellt die äußere Grenze des Schwarzen Lochs dar.
Die andere Singularität, die wahre oder Gravitationssingularität, konnte mathematisch nicht behandelt werden. Nichts konnte es entfernen, also war und ist es der Punkt, an dem die Physik völlig zusammenbricht – das Herz des Schwarzen Lochs.
Das war die theoretische Geburtsstunde des Schwarzen-Loch-Konzepts, aber es sagte nichts über die Entstehung dieser kosmischen Titanen aus – nur, dass sie existieren können.
Während Einstein 1939 daran arbeitete, diese Gravitationssingularität und damit das Konzept des Schwarzen Lochs zu zerstören, beschäftigte sich Oppenheimer mit der Frage, wie solche Objekte entstehen könnten.
Oppenheimer arbeitete mit einfachen Annahmen, die Quanteneffekte vernachlässigen und die Rotation nicht berücksichtigen, und setzte Snyder an die Arbeit. Und das zahlte sich aus, als der letztgenannte Forscher herausfand, dass das, was mit einem kollabierenden Stern zu geschehen scheint, vom Standpunkt eines Beobachters abhängt.
Snyder stellte die Theorie auf, dass die Wellenlänge des Lichts von einer Quelle in der Nähe des Ereignishorizonts in einiger Entfernung vom kollabierenden Stern durch die Schwerkraft gedehnt würde, ein Prozess namens Rotverschiebung, wodurch es immer roter würde.
Gleichzeitig verringert sich aus Sicht des Betrachters die Frequenz dieses Lichts. Diese Frequenzreduzierung setzt sich fort, bis das Licht für den entfernten Beobachter praktisch „eingefroren“ ist.
Oppenheimer und seine Mitarbeiter erkannten, dass die Geschichte für einen Beobachter, der das Pech hat, auf die Oberfläche des kollabierten Stern zufallen, ganz anders ist. Ein Beobachter in dieser Position würde durch den Ereignishorizont hindurchfallen, "ohne was zu bemerken".
Natürlich würde ein Beobachter in Wirklichkeit durch die starken Gezeitenkräfte, die durch die unterschiedlichen Anziehungskräfte auf seinen Ober- und Unterkörpers wirken zerrissen werden. Das würde ihn töten, bevor er den Ereignishorizont erreicht, zumindest bei kleineren Schwarzen Löchern, bei denen der Schwarzschild-Radius nahe an der Gravitationssingularität liegt.
Dieses Konzept wurde ursprünglich als „gefrorener Stern“ bezeichnet, da das Licht am Ereignishorizont scheinbar einfriert. Den bekannteren und prägnanteren Namen erhielt es erst 1967, als der Physiker John Wheeler von der Princeton University während einer Vorlesung den Begriff „Schwarzes Loch“ prägte.
Oppenheimer und Kollegen haben vielleicht einen anderen Weg eingeschlagen als Schwarzschild, aber dennoch kamen die beiden Physikerteams zum gleichen Ziel: dem Konzept eines Sternkörpers, der so massereich ist, dass seine Schwerkraft Licht einfängt und eine unendliche Rotverschiebung verursacht. Schwarzschild hatte die Theorie, aber Oppenheimer und Kollegen waren die ersten Wissenschaftler, die die physische Geburt eines Schwarzen Lochs wirklich verstanden haben.
Drei Jahre später reiste Oppenheimer nach Los Alamos und festigte seinen Platz in der Geschichte und in der Wahrnehmung der Öffentlichkeit. Aber viele, insbesondere Wissenschaftler, erinnern sich an ihn als den Vater der Schwarzen Löcher.
„Oppenheimer hat sehr bedeutende Beiträge zur Physik Schwarzer Löcher und zur Physik insgesamt geleistet“, schloss Calmet. „Während die breite Öffentlichkeit seinen Namen möglicherweise mit der Bombe und dem Manhattan-Projekt in Verbindung bringt, werden seine Beiträge zur Physik und Astrophysik von der wissenschaftlichen Gemeinschaft sehr geschätzt.
„Er war zu seinen Lebzeiten einer der führenden Physiker und äußerst einflussreich, und seine bahnbrechende Arbeit ist auch heute noch relevant.“
