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Der britische Wissenschaftler Roger Penrose, sowie der Deutsche Reinhard Genzel und die Amerikanerin Andrea Ghez teilen sich den diesjährigen Nobelpreis für Physik für ihre Arbeiten über Schwarze Löcher.

Roger Penrose wird für die Erforschung von Schwarzen Löchern und für seine Beiträge zur Allgemeinen Relativitätstheorie ausgezeichnet und erhält eine Hälfte des Preisgelds. Reinhard Genzel, Direktor des Max-Planck-Instituts für extraterrestrische Physik in Garching, und Andrea Ghez (USA) erhalten je ein Viertel des Preises für die Entdeckung eines supermassiven Objekts im Zentrum unserer Galaxie.

Den Nobelpreis für Physik 2020 teilt sich der der Brite Roger Penrose mit dem Deutschen Reinhard Genzel und Andrea Ghez aus den USA für ihre Forschung zu Schwarzen Löchern. (Foto: Pressestelle, Noebelprize.org)
Den Nobelpreis für Physik 2020 teilt sich der der Brite Roger Penrose mit dem Deutschen Reinhard Genzel und Andrea Ghez aus den USA für ihre Forschung zu Schwarzen Löchern. Pressestelle Noebelprize.org

Schwarzes Loch im Zentrum der Milchstraße

“Wir wissen nicht, was in einem Schwarzen Loch passiert”, sagt Andrea Ghez per Telefon zugeschaltet - kurz nach der Bekanntgabe der Preisträger in Stockholm. Aber was in der Nähe, eines Schwarzen Lochs passiert, das wurde durch ihre Forschung so genau wie nie zuvor dokumentiert.

Über viele Jahre hinweg beobachteten die Teams von Ghez und Genzel unabhängig voneinander die Umlaufbahnen von Sternen, die ums Zentrum unserer Milchstraße kreisen. Die Form der Bahn und die hohe Geschwindigkeit, mit der die Sterne unterwegs sind ließen schließlich keinen anderen Schluss zu: Die einzig mögliche Erklärung für dieses seltsame Objekt im Zentrum der Milchstraße ist ein supermassives Schwarzes Loch.

Die Abbildung zeigt ein supermassereiches Schwarzes Loch mit der millionen- bis milliardenfachen Masse unserer Sonne. Hier ist das supermassereiche Schwarze Loch in der Mitte von Materie umgeben, die in einer sogenannten Akkretionsscheibe auf das Schwarze Loch fließt. Diese Scheibe bildet sich, wenn Staub und Gas in der Galaxie auf das Loch fallen und von seiner Schwerkraft angezogen werden. (Foto: Image credit: NASA/JPL-Caltech)
Die Abbildung zeigt ein supermassereiches Schwarzes Loch mit der millionen- bis milliardenfachen Masse unserer Sonne. Hier ist das supermassereiche Schwarze Loch in der Mitte von Materie umgeben, die in einer sogenannten Akkretionsscheibe auf das Schwarze Loch fließt. Diese Scheibe bildet sich, wenn Staub und Gas in der Galaxie auf das Loch fallen und von seiner Schwerkraft angezogen werden. Image credit: NASA/JPL-Caltech

Nicht einmal Einstein glaubte an Schwarze Löcher

Der bekannteste unter den Preisträgern ist der der Brite Sir Roger Penrose. Er hat zahlreiche populärwissenschaftliche Bücher über Fragen der Quantenphysik und der Relativitätstheorie veröffentlicht. Mit von ihm entwickelten, völlig neuen mathematischen Methoden erbrachte er den rechnerischen Beweis, dass Schwarze Löcher eine genauso natürliche Konsequenz aus Albert Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie sind wie beispielsweise gekrümmte Lichtstrahlen oder die Änderung des Laufs der Zeit unter dem Einfluss von Gravitationsfeldern.

Dass die Zeit an der Oberfläche, oder besser gesagt Außengrenze, eines Schwarzen Lochs stillsteht und in seinem Innern sogar schon die von außen nicht zugängliche Zukunft existiert, ist eine derart absonderliche Vorstellung, dass nicht einmal Einstein selbst an die Existenz von Schwarzen Löchern glaubte. Möglicherweise hätte ihn Roger Penrose mit seinen Berechnungen überzeugt – aber er vollendete und veröffentlichte seine Arbeit erst im Januar 1965 und damit zehn Jahre nach Einsteins Tod.

Penrose erbrachte im Anschluss an Albert Einsteins Relativitätstheorie den Nachweis, dass schwarze Löcher existieren können. (Foto: Imago, imago images / UIG)
Penrose erbrachte im Anschluss an Albert Einsteins Relativitätstheorie den Nachweis, dass schwarze Löcher existieren können. Imago imago images / UIG

Rätselhafte Schwarze Löcher

Schwarze Löcher sind Objekte, bei denen extrem viel Masse auf kleinstem Raum zusammengequetscht wird, wodurch ein so starkes Gravitationsfeld entsteht, dass in der Umgebung der gequetschten Masse nicht einmal Licht dieser Anziehung zu entkommen vermag. Das Raumgebiet, aus dem keine Materie und kein Licht mehr entkommen kann, erscheint von außen betrachtet wie eine schwarze Kugel im All.

Ein Schwarzes Loch mit der Masse der Erde hätte einen Durchmesser von ungefähr einem Zentimeter. Das Schwarze Loch, das beim Kollaps eines Sterns entsteht, ist typischerweise mehrere zehn Kilometer groß. Das Schwarze Loch im Zentrum unserer Milchstraße ist allerdings so groß wie unser Sonnensystem und enthält 4.3 Millionen Sonnenmassen. Ein wahres Massemonster.

2019 wurde diese Abbildung eines schwarzen Loches berühmt. Ein internationales Forscherteam unter deutscher Leitung hatte es mit dem "Event Horizon Teleskope" gemacht. Das virtuelle "Event Horizon Teleskop" besteht aus acht Radio-Teleskopen, deren Standorte weltweit verteilt sind. Damit schauten die Radio-Astronomen dann in Richtung der Galaxie M87, rund 50 Millionen Lichtjahre von uns entfernt.   (Foto: Event Horizon Telescope Collaboration - Event Horizon Telescope Collaboration)
2019 wurde diese Abbildung eines schwarzen Loches berühmt. Ein internationales Forscherteam unter deutscher Leitung hatte es mit dem "Event Horizon Teleskope" gemacht. Das virtuelle "Event Horizon Teleskop" besteht aus acht Radio-Teleskopen, deren Standorte weltweit verteilt sind. Damit schauten die Radio-Astronomen dann in Richtung der Galaxie M87, rund 50 Millionen Lichtjahre von uns entfernt. Event Horizon Telescope Collaboration - Event Horizon Telescope Collaboration

Noch viele Fragen offen

Mit ihren Entdeckungen haben die Wissenschaftler neue Türen für die Erforschung von Schwarzen Löchern eröffnet, sagte David Haviland, Vorsitzender des Nobelausschusses für Physik, zur Begründung der diesjährigen Vergabe. Trotzdem seien noch viele Fragen bezüglich dieser exotischen Objekte offen.

Durch Beobachtung der Vorgänge in ihrer unmittelbaren Umgebung könnte man auch herausfinden, ob die Theorie der Gravitation, wie sie Physiker derzeit für richtig halten, auch noch in stärksten Gravitationsfeldern gilt oder ob sich dort Hinweise auf neue physikalische Gesetzmäßigkeiten finden lassen.

Andrea Ghez ist erst die vierte Frau, die den Nobelpreis für Physik erhält. Sie hoffe, dass sie dadurch junge Frauen motivieren kann, selbst Forscherinnen zu werden, sagte sie kurz nach der Bekanntgabe.

Die drei Preisträger auf dem Bildschirm von links, Roger Penrose, Reinhard Genzel und Andrea Ghez, haben den diesjährigen Nobelpreis in Physik für die Entdeckungen schwarzer Löcher erhalten. (Foto: picture-alliance / Reportdienste, picture alliance/Fredrik Sandberg/TT News Agency/dpa)
Die drei Preisträger auf dem Bildschirm von links, Roger Penrose, Reinhard Genzel und Andrea Ghez, haben den diesjährigen Nobelpreis in Physik für die Entdeckungen schwarzer Löcher erhalten. picture alliance/Fredrik Sandberg/TT News Agency/dpa

Nobelpreis Physik 2020 - Die Preisträger*innen

Roger Penrose, geboren 1931 in Colchester, UK. Ph.D. 1957 von der University of Cambridge, UK. Professor an der Universität Oxford, Großbritannien.

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Reinhard Genzel, geboren 1952 in Bad Homburg vor der Höhe. Ph.D. 1978 an der Universität Bonn. Direktor am Max-Planck-Institut für außerirdische Physik, Garching, Deutschland, und Professor an der University of California, Berkeley, USA.

Andrea Ghez, geboren 1965 in New York, USA. Ph.D. 1992 vom California Institute of Technology, Pasadena, USA. Professor an der Universität von Kalifornien, Los Angeles, USA.

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