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.
18. Jahrhundert: Newtonsche Vorstellungen vom Schwarzen Loch 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 zutreffen, 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 vorgestellt, was die englische Ausgabe der Principia von Isaac Newton darstellt, in der zum ersten Mal das als Newton-Kanone bekannte Gedankenexperiment erscheint. Hier werden die Geschwindigkeitsgrenzen hervorgehoben, 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:
Wenn der Halbdurchmesser einer Kugel gleicher Dichte der Sonne den der Sonne im Verhältnis von 500 zu 1 überschreiten würde, hätte ein Körper, der von einer unendlichen Höhe zu ihr hinabfällt, an seiner Oberfläche eine größere Geschwindigkeit erreicht als das Licht, und folglich, angenommen Licht würde durch die gleiche Kraft im Verhältnis zu seiner Trägheit von anderen Körpern angezogen, würde alles Licht, das von einem solchen Körper ausgestrahlt wird, durch seine eigene Schwerkraft dazu gebracht, zu ihm zurückzukehren.
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:
Wenn sich aus den Bewegungen dieser rotierenden Körper ein anderer leuchtender Körper um sie dreht, könnten wir vielleicht noch mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit auf die Existenz des Zentralkörpers schließen; dies könnte uns auch einen Hinweis auf einige der Unregelmäßigkeiten der rotierenden Körper geben, die mit keiner anderen Hypothese leicht zu erklären wären.
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:Pierre-Simon Laplace: Exposition du système du monde. Cercle-Social, Paris 1796. ()
Ein leuchtender Stern von der gleichen Dichte wie die Erde, dessen Durchmesser 250-mal größer wäre als der der Sonne, würde aufgrund seiner Anziehungskraft keinen seiner Strahlen auf uns ausstrahlen. Es ist daher möglich, dass die größten Leuchtkörper im Universum durch diese Ursache unsichtbar sind.
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 Thomas 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.
Erste Hälfte des 20. Jahrhunderts: Entstehung der Idee des Schwarzen Lochs in der Allgemeinen Relativitätstheorie 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.L. D. Landau, E. M. Lifschitz: "Klassische Feldtheorie (Lehrbuch der theoretischen Physik), Bd. II." (1989) §100 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, errechneten 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.
Zweite Hälfte des 20. Jahrhunderts: Die Theorie des Schwarzen Lochs nimmt Gestalt an 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.
Anfang des 21. Jahrhunderts: Nachweis von Schwarzen Löchern 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.
Wichtige Daten mini|Porträt von Ole Rømer von Jacob Coning (um 1700). mini|Porträt von Isaac Newton von Godfrey Kneller (1689).
19. Jahrhundert 1810: In einer Mitteilung an die Akademie der Wissenschaften von 1810, die erst 1853 veröffentlicht wurde, erwähnt François Arago die Unmöglichkeit des Lichts, einem großen Stern zu entkommen.François Arago: "Mémoire sur la vitesse de la lumière, lu à la première classe de l'Institut, le 10 décembre 1810." Académie des sciences (Paris). Comptes rendus 36 (1853): 38–49. 1854: Posthume Veröffentlichung des ersten Bandes der Populären Astronomie von François Arago, in dem der Ausdruck Schwarzes Loch zur Beschreibung des Ringnebels in der Leier verwendet wird.François Arago, (Jean-Augustin Barral (Hrsg.)): Populäre Astronomie: Posthume Arbeit, vol. 1, Paris und Leipzig, Gide und T. O. Weigel, 1854 (Bekanntmachung BnF no FRBNF30024347), p. 509: „William Herschel klassifizierte unter den Kuriositäten des Firmaments einen Nebel, der im alten Katalog des Wissens der Zeit unter Nr. 57 eingetragen ist. Um fair zu sein, beeilen wir uns hinzuzufügen, dass Messier und Méchain mit ihrer schwachen Brille weder einen Stern im Nebel gesehen noch dessen wahre Form erkannt hatten. Dieser Nebel (Abb. 118) ist unten ein etwas elliptischer Sternring. Es liegt zwischen β und γ der Lyra; es wurde 1779 in Toulouse von Darquier entdeckt. Wir sehen in der Mitte einen schwarzen Turm oder zumindest schwach beleuchtet. Die beiden Achsen stehen im Verhältnis 83 zu 100. Das Dunkle Loch nimmt ungefähr den halben Durchmesser des Nebels ein.“Pierre Laszlo, Brève préhistoire littéraire du trou noir, Alliage, Nr. 66, April 2010, 79–83