Dieser Artikel zur Geschichte der Schwarzen Löcher befasst sich mit der wissenschaftlichen Historie, der Entdeckung und dem Verständnis der Schwarzen Löcher.
Die Geschichte der Schwarzen Löcher steht in direktem Zusammenhang mit der Frage, ob Licht Masse hat bzw. ob Licht wie ein Materieteilchen durch die Schwerkraft beeinflusst werden kann. Im 17. Jahrhundert war die Natur des Lichts umstritten. 1676 zeigte der dänische Astronom Ole Rømer dann erstmals, dass sich Licht mit einer endlichen Geschwindigkeit ausbreitet.
Die Verknüpfung der von Ole Rømer festgestellten endlichen Lichtgeschwindigkeit wie auch das bereits bekannte Konzept der Fluchtgeschwindigkeit eröffneten zusammen die Überlegungen zu einem Körper, der so massiv ist, dass die Fluchtgeschwindigkeit höher ist als die Lichtgeschwindigkeit. Diese Hypothese würde nur auf Isaac Newtons Vorstellung, dass das Licht teilchenartig und mit Masse sei, während der Astronom Christiaan Huygens Licht als wellenförmig und massenlos ansah. In diesem Zusammenhang können Schwarze Löcher als typisches Beispiel für ein Paradoxon angesehen werden, bei dem eine Theorie an ihre Grenzen stößt.
1728 wurde die Abhandlung über "das System der Welt" in London, was die englische Ausgabe der Principia von Isaac Newton ist; in der zum ersten Mal das als Newton-Kanone bekannte Gedankenexperiment erscheint, in dem die Geschwindigkeitsgrenzen hervorgehoben werden, die heute als minimale Umlaufgeschwindigkeit und Fluchtgeschwindigkeit bekannt sind.
1783 erklärte der englische Kleriker, Geologe und Amateurastronom John Michell im Rahmen der Korpuskulartheorie in einem der Royal Society übersandten Artikel das Konzept eines Körpers, der so massiv ist, dass selbst Licht nicht entweichen kann. Dazu schreibt er in seinem Artikel:
Damit gab er den ersten Hinweis eines Newtonschen Schwarzen Lochs (unter Verwendung der Newtonschen Gravitationsgesetze). Michells Intervention im Jahr 1784 vor dem Publikum der Royal Society of Cambridge, war abstrakt und sehr theoretisch, blieb jedoch unbeantwortet. Er erklärte, dass diese Körper, obwohl sie unsichtbar sind, nachweisbare Gravitationseffekte hervorrufen müssen:
Michells sehr abstrakte These erhielt erst einmal keinen Widerhall.
Erst 1796 griff der Mathematiker, Philosoph und Astronom Marquis Pierre-Simon de Laplace während seiner Arbeiten zur Himmelsmechanik und Gravitation diese Idee wieder auf. In seinem Buch Exposition du System du Monde schrieb er:
Er präsentierte seine Dissertation dem Publikum der Akademie der Wissenschaften, aber die Physiker blieben skeptisch, was die Existenz eines solchen Objekts anbelangt. Darüber hinaus haben die Experimente von Young und Fresnel die Physiker veranlasst, die Teilchennatur des Lichts in der ersten Hälfte des 19. Jahrhunderts abzulehnen. Er schlägt so unabhängig von Michell den Begriff des dunklen Sterns vor, der in den ersten beiden Ausgaben seiner Exposition du System du Monde vorkommt, bevor Laplace diesen Begriff des Schwarzen Lochs in der dritten Ausgabe seines Buches Exposition du system du Monde wieder entfernt. In der Folge beschäftigt sich die physikalische Gemeinschaft vorerst nicht weiter wesentlich mit der Idee.
1915 veröffentlichte Albert Einstein mit der allgemeinen Relativitätstheorie eine neue Gravitationstheorie. In dieser Theorie wird die Gravitation mit Eigenschaften des Raumes identifiziert, dessen Struktur durch die Anwesenheit von Materie verändert wird. Die Komplexität der Gleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie war so hoch, dass Einstein selbst skeptisch war, analytische Lösungen zu finden. Wenige Monate nach Veröffentlichung seiner Theorie fand der deutsche Physiker Karl Schwarzschild jedoch eine Lösung für diese Gleichung, die das äußere Gravitationsfeld einer kugelsymmetrischen Massenverteilung beschreibt. Diese Lösung kann jedoch auch in Abwesenheit von Materie zumindest formal erweitert werden. Es ergibt sich ein Gravitationsfeld, das sich ähnlich wie das der Newtonschen Gravitation verhält. Im Zentrum der Materieverteilung befindet sich eine sogenannte Gravitationssingularität, in der das Gravitationsfeld unendlich wird. Diese Konfiguration, von der jetzt bekannt ist, dass sie ein Schwarzes Loch beschreibt, wurde von Einstein als nicht physikalisch angesehen. Die Raumzeitkoordinaten werden innerhalb des Schwarzschild-Radiuses um das schwarze Loch herum physikalisch inkohärent, also nicht vernünftig definiert. 1921 haben die Physiker Paul Painlevé und Allvar Gullstrand unabhängig voneinander eine neue Interpretation dieser Region angegeben, der sogenannten Painlevé-Gullstrand-Metrik: „es ist ein Ereignishorizont, von dem aus es nicht möglich ist, das Innere zu verlassen, sobald wir es betreten haben.“
In den späten 1920er Jahren zeigte der indische Physiker Subrahmanyan Chandrasekhar, dass jenseits einer bestimmten Masse (seither Chandrasekhar-Grenze genannt) ein astrophysikalisches Objekt, in dem jegliche Kernreaktionen erloschen ist (ein weißer Zwerg), unter seiner eigenen Schwerkraft kollabiert, weil keine Kraft der Wirkung der eigenen Schwerkraft mehr entgegenwirken kann. Das Ergebnis dieses Zusammenbruchs entspräche einem Schwarzen Loch, auch wenn es von Chandrasekhar nicht so benannt wird. Arthur Eddington, widersprach Chandrasekhar und behauptete, dass irgendetwas diesen Zusammenbruch unweigerlich aufhalten müsse. Tatsächlich entsteht in einer Supernova vom Typ Ia ein Neutronenstern.
Nachdem Fritz Zwicky die Existenz von Neutronensternen vorhergesagt hatte, errechnen Robert Oppenheimer und Hartland Snyder 1939, dass es eine maximale Masse von Neutronensternen gibt, ab der sie unter dem Einfluss ihrer eigenen Schwerkraft kollabieren. Im selben Jahr veröffentlichte Albert Einstein einen Artikel, in dem er zum Ausdruck brachte, dass die „Schwarzschild-Singularität“ für ihn keine physikalische Bedeutung hatte. Er schrieb: „Das wesentliche Ergebnis dieses Artikels ist ein klares Verständnis dafür, warum “Schwarzschild-Singularitäten„ in der physischen Realität nicht existieren.“ Diese Überlegungen wurden Ende der 1960er Jahre unter anderem durch Stephen Hawking und Roger Penrose in Form des Singularitätentheorems widerlegt.
Das Interesse an Schwarzen Löchern nahm Ende der 1950er Jahre während des sogenannten goldenen Zeitalters der allgemeinen Relativitätstheorie wieder zu.
Die physikalische Bedeutung des Schwarzschild-Radius und der inneren Zone konnte mit der Entdeckung anderer exakter Lösungen von Einsteins Gleichungen erhärtet werden, aber es war David Finkelstein, der 1958 die Physikalität dieses Gebiets mit der Eddington-Finkelstein-Metrik erklärte.
Der neuseeländische Mathematiker Roy Kerr fand 1963 eine Lösung, die ein rotierendes Schwarzes Loch (bekannt als Kerr-Metrik) beschreibt, dessen Effekt darin besteht, den umgebenden Raum mitrotieren zu lassen.
Die Entdeckung von Pulsaren (beobachtbare Form von Neutronensternen) im Jahr 1967 und der erste Kandidat für ein Schwarzes Loch (Cygnus X-1) im Jahr 1971 brachten schwarze Löcher in die Astronomie. Der Begriff „Schwarzes Loch“ wurde 1967 von John Wheeler vorgeschlagen. Der Begriff „Schwarzer Stern“ (verwendet in einer der ersten Folgen der Star-Trek-Serie) wurde zu dieser Zeit ebenfalls verwendet. In einigen Ländern setzt sich der Begriff nur langsam durch.
Seit dem Ende des 20. Jahrhunderts haben sich Beobachtungen astrophysikalischer Systeme angesammelt, bei denen angenommen wird, dass sie ein Schwarzes Loch enthalten. In der Milchstraße wurden mehrere Mikroquasare entdeckt wie SS 433, GRS 1915 + 105, GRO J1655-40, 1A 0620-00 entdeckt. Es sind mindestens 20 binäre Systeme bekannt, die ein stellares Schwarzes Loch enthalten. Ihre Existenz wird hauptsächlich dank der Möglichkeit abgeleitet, in einem Doppelstern die Massen der beiden Komponenten zu bestimmen. Überschreitet eine dieser Massen die Tolman-Oppenheimer-Volkoff-Grenze, die die maximale Masse eines Neutronensterns festlegt, während das Objekt unsichtbar ist, wird dieses als Schwarzes Loch betrachtet.
Mit den LIGO- und Virgo-Detektoren wurden erstmals 2015 Gravitationswellen beobachtet. Die beobachteten Signale stimmen mit Berechnungen überein, die von Computern aus Einsteins Feldgleichungen für Fälle von binären Schwarzen Löchern durchgeführt wurden.
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