Jean-Pierre Luminet Schwarze Locher Jean-Pierre Luminet Schwarze Locher Aus dem Franzosischen iibersetzt von Thomas Filk Mit 71 Abbildungen Facetten I I Vleweg TiteI der franzosischen Originalauflage: Les trous noirs © Belfond, 1987 Der Ubersetzung Iiegt die iiberarbeitete, 1992 bei Editions du SeuiI erschienene Ausgabe zugrunde. AIle Rechte vorbehalten © Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbH, Braunschweig/Wiesbaden, 1997 Softcover reprint of the hardcover 1s t edition 1997 Der Verlag Vieweg ist ein Unternehmen der BerteIsmann Fachinformation GmbH. Das Werk einschlieBlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschiitzt. Jede Verwertung auBerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlags unzulas sig und strafbar. Das gilt insbesondere flir Vervielfaltigungen, Ubersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Umschlaggestaltung: Schrimpf und Partner, Wiesbaden Gedruckt auf saurefreiem Papier ISSN 0949-1295 ISBN-13: 978-3-322-85015-7 e-ISBN-13: 978-3-322-85014-0 DOl: 10.1007/978-3-322-85014-0 Dieses Buch ist all jenen gewidmet, fUr die eine Antwort eine neue Frage ist. Danksagung Jean Audouze, Philippe Andre, Rene Lachal, Jean-Alain Marek, Sylvano Bo nazzola, Christian Poinas, Brandon Carter, Laurent Nottale, Andrew King und Egidio Landi haben liebenswerterweise - jedoch auch ohne Nachsicht - mein Manuskript gelesen, diskutiert und korrigiert. Ich schulde ihnen tiefen Dank. Bucher sind nicht dazu da, daB man ihnen blind vertraut, sondem daB man sie einer Priifung unterzieht. Wenn wir ein Buch zur Hand nehmen, durfen wir uns nicht fragen, was es besagt, sondem was es besagen will ... UMBERTO Eeo, Der Name der Rose Vorwort zur zweiten franzosischen Auflage Ais ich Anfang Februar 1987 mein Manuskript der Schwarzen LOcher meinem Herausgeber Pierre Be1fond iibergab, konnte ich nicht ahnen, daB eine Woche spiiter ein auBergewohnliches astronomisches Ereignis stattfinden soUte, auf das man nahezu vier lahrhunderte gewartet hatte, und das ich in meinem 6. Ka pitel herbeisehnte: die Explosion eines Sternes, nahe genug, urn mit bloBem Auge gesehen werden zu konnen, in Form einer Supernova. Dieses kosmische Ereignis hat vieUeicht ein schwarzes Loch erzeugt, oder zumindest ein unvor stellbar dichtes Objekt, das mit einer schwindelerregenden Geschwindigkeit herumgewirbelt wird. Aus technischen Griinden war es nicht mehr moglich, den entsprechenden Teil des Buches zu revidieren, und ich muBte mich mit einer FuBnote zufrieden geben. Seitdem hat der riesige Fortschritt auf dem Gebiet der beobachtenden Astronomie eine Unzahl weiterer Neuheiten am Himmel enthiillt, die mehr oder weniger mit der Existenz schwarzer Locher zusammenhiingen. Neben Korrekturen und einzelnen Verbesserungen, die von besonders aufmerksamen Lesern vorgeschlagen wurden, erschien es mir daher notwendig, die vorliegen de Aufiage in wesentlichen Punkten auf den neuesten Stand zu bringen. Bei den theoretischen Fragen, die ungefiihr die Hiilfte des Buches au sma chen, gab es kaum einen Fortschritt. Das Innere der schwarzen Locher bleibt - und wird es auch noch fiir lange Zeiten bleiben - nach wie vor riitselhaft, aber ich habe einige neuere Spekulationen iiber Wurmlocher hinzugefiigt, jene seltsamen Strukturen, die einem beherzten Raumfahrer als "Abkiirzungen" in der Raum-Zeit dienen konnen. Demgegeniiber hat die andere Hiilfte des Buches, das den wirklichen Beob achtungen des Himmels gewidmet ist, durch den aktuellen Fortschritt groBere Veriinderungen erfahren. Ich habe selbstverstiindlich neue Abschnitte zur Su pernova vom Februar 1987 und den in diesem Zusammenhang nachgewiesenen Neutrinos eingefiigt. Diese Beobachtung von Neutrinos markiert den Anfang einer neuen Astronomie. Ich habe das Thema der Gravitationslinsen weiter aus gearbeitet, das zu einem der Schliisselbereiche der beobachtenden Kosmologie geworden ist (und sichtbarer Beweis fiir die Realitiit der Raumkriimmung). Ich muBte unsere Vorstellung vom galaktischen Zentrum - fruchtbare Wiege und VIII geeigneter Nahrboden schwarzer Locher - den Signalen des Teleskops Sigma anpassen. Dieser Gammastrahlendetektor in einem Satelliten hat insbesondere eine neue Rontgen-QueUe entdeckt, die einem schwarzen Loch zum Verwech seln ahnlich ist. Neue Nachrichten aus den fernen Bereichen des Kosmos ha ben monatlich Zusatze erforderlich gemacht. Planeten wurden auf Bahnen urn Pulsare entdeckt. 1m Sternbild des Schwans hat eine auBergewohnliche No va die Liste der Kandidaten schwarzer Locher verI angert, wohingegen neue Gewichtsbestimmungen des Sterns SS-433 diese Liste verkiirzt hat. Ein neuer astronomischer Satellit hat enthiillt, daB die Gamma-,,Burster", ratselhafte kos mische Eruptionen mit hochenergetischer Strahlung, sehr viel weiter entfernt sind, als urspriinglich angenommen. Es handelt sich daher urn unvorstellbar intensive und sehr seltene Ereignisse, moglicherweise urn die Spuren von Ster nen, die innerhalb eines kurzen Augenblicks von der Gravitationskraft riesiger schwarzer Locher zerstort werden. Ich habe auch ein musikalisches und astronomisches "Spektakel" beschrie ben, bei dem ich kiirzlich das Gliick hatte, mitwirken zu konnen, die Nacht der Sterne, wo der Gesang von Pulsaren mit einer von Menschen gespielten Musik in einen Dialog tritt. 1m Innersten bin ich namlich der Uberzeugung, daB die Kunst, ebenso wie die Wissenschaft, teilhat an einer komplementiiren Suche nach der Schonheit - wenn nicht gar nach der Wahrheit - der Welt, die uns gegeben wurde, sie zu verstehen. Sicherlich werden die Entdeckungen in den wenigen Monaten zwischen dem letzten "update" und dem Erscheinen dieses Buches unsere Theorien verbessert haben, und vielleicht andere als falsch erwiesen haben. Ich freue mich schon jetzt auf den nachsten "update" ... IX Vorwort von Jean Audouze Die Geschichte des Universums und seiner Entwicklung bringt uns immer wie der zu den fundamentalen Fragen tiber unsere eigene Geschichte und das Ver sUindnis unserer Umgebung. Die Astrophysiker haben das zweifelhafte Privi leg, den umfassendsten Blick auf unser Universum werfen zu konnen. Teil chendetektoren dienen heute der Erkundung weiter Sterne ebenso wie groBe Teleskope, und yom unendlich Kleinen bis hin zum unendlich GroBen, im Raum und in der Zeit, wird das Universum uns immer wieder tiberraschen und allmahlich die Vielfalt seiner Strukturen preisgeben. In dieser Hinsicht leben wir in einer aufregenden Zeit. Jedes neue Jahr be schert der Astronomie ein wichtigen Ereignis: 1986 war durch die Erkundun gen von Uranus und dem Halleyschen Kometen gekennzeichnet, die uns viel tiber die Entstehung unseres Sonnensystems lehrten; 1988 wird den Start des Teleskops Spatial sehen; 1989 ktindigt sich durch die Erforschung des Planeten Neptun an, 4,5 Milliarden Kilometer von uns entfernt. .. Und 19877 Seit dem 24. Februar wissen wir, daB dieses Jahr flir lange Zeit als das Jahr der "Super novaexplosion" in der GroBen Magellanschen Wolke in den Annalen bleiben wird. Dieses seltene und kurzlebige Ereignis, auf das die Astronomen seit vier Jahrhunderten gewartet haben, ist urn so auBergewohnlicher, als moglicherwei se "vor unseren Augen" einer der fremdartigsten Himmelskorper entstanden ist: ein schwarzes Loch. Die "Erfindung" der schwarzen Locher ist zweifelsohne eines der ktihnsten intellektuellen Abenteuer der heutigen Zeit. Schon die Bezeichnung "schwar zes Loch" besitzen eine magische Bedeutung: Es gibt in unserem Universum Objekte, die man nicht sehen kann, die aber samtliche Materie der Umgebung absorbieren konnen. Abgeschlossene Welten, vollkommen getrennt von der unsrigen, offnen sich zu einem bodenlosen Schlund, in dem alles, jede Mate rie, unweigerlich zermalmt wird ... Die Eigenschaften schwarzer Locher sind so seltsam, daB sie lange Zeit der Glaubhaftigkeit des Begriffs geschadet haben, obwohl sie bei sensationsstichtigen Amateuren immer beliebt waren. Schwar ze Locher bertihren die Grundlagen unserer Vorstellungen tiber Raum und Zeit. Die breite Offentlichkeit hat das wohl verstanden und sie herzlich wiII- x kommen geheiBen: Schwarze Locher wurden die HeIden von Science fiction Geschichten, Comic strips und Katastrophenfilmen. Obwohl diese Begriffe zweifellos geheimnisvolle Aspekte haben, so sind sie doch nicht weniger "magisch" als andere anscheinend vertrautere Speku lationen, wie beispielsweise die Anwensenheit von Leben urn andere Sterne als die Sonne. Mein Freund Jean-Pierre Luminet besitzt die Gabe, die kom pliziertesten Zusammenhange auf dem Gebiet der Gravitation und der Rela tivitatstheorie nicht nur zu verstehen und aufzudecken, sondern er kann den Inhalt seiner Entdeckungen auch in einfacher Form darstellen und andere dar an teilhaben lassen. Er hat nun ein meisterhaftes Buch tiber die Natur und die Existenz der schwarzen Locher geschrieben. Er entftihrt uns zu einer Reise in die Zeit und den Raum, dorthin, wo die Gravitationskrafte regieren und die Raum-Zeit ihren gebieterischen Launen unterwirft. Am Ende dieser Reise, bei der unser kosmischer Erzahler jeden Schritt beleuchtet, wird der Leser erken nen, daB der Begriff des schwarzen Loches nicht mehr so geheimnisvoll ist, und daB es am Himmel tatsachlich Objekte gibt, die aIle charakteristischen Symptome schwarzer Locher zeigen. Der Autor zeigt uns auch, daB schwarze Locher ein groBartiges analytisches Hilfsmittel sind, eine Art theoretisches Te leskop mit veranderbarer VergroBerung, mit dem sich sowohl die Geheimnisse des Mikroskopischen wie auch des Makroskopischen durchforschen lassen. In diesem Sinne bilden sie ftir uns einen wichtigen Schltissel ftir das Verstandnis des Universums. Schwarze Locher haben ihren Ursprung im inteIlektuellen Abenteuer, doch in zuktinftigen Jahrhunderten werden sie vielleicht in den Augen der Raumfah rer zu dem Abenteuer an sich. Ahnlich den Seefahrern des Altertums werden sie ftirchten, die Grenzen der Welt zu tiberschreiten und dort in das Leere und Unbekannte hinabzusttirzen. SchlieBlich hoffe ich, daB der Leser, ebenso wie ich, aus diesem Buch den Eindruck gewinnen wird, daB die modernen Ent wicklungen auf dem Gebiet der Astrophysik eben so faszinierend zu entdecken und zu verschlingen sind, wie die phantasievollsten Science-fiction-Romane. XI Inhaltsverzeichnis I Gravitation und Licht 1 1 Die Anfange 3 1.1 Der GliickIichste unter den SterbIichen . 3 1.2 Der Appetit auf Planeten . . . . . . . . 5 1.3 Zwei Vorlaufer der unsichtbaren Welten 6 1.4 Die Feldtheoretiker . . . . . 9 1.5 Licht im Sinne von Maxwell . . . . . . 10 2 Relativitat 15 2.1 Die Wellen werden gestOrt 15 2.2 Bewegung und Ruhe .. 16 2.3 Ein Schutze und ein Zug . 17 2.4 Der Ather . . . . . . . . . 18 2.5 Ein manipuIiertes Rennen . 19 2.6 Die Spezielle Relativitatstheorie 21 2.7 Eine Theorie liegt "in der Luft" . 22 2.8 Das Gewebe aus Licht .. 23 2.9 Zeit zum Spielen . . . . . 28 2.10 Die relativistische Bombe . 31 3 Die gekriimmte Raum-Zeit 33 3.1 Das Aquivalenzprinzip . 33 3.2 Ein neues Inertialsystem 36 3.3 Kosmisches Golfspiel .. 37 3.4 Gekrummte Geometrien 39 3.5 Geometrie und Materie . 44 3.6 Der Licht-Pudding ... 46 3.7 Die Einsteinschen Gleichungen . 48 3.8 Die Allgemeine Relativitatstheorie auf dem Prtifstand . 51 3.9 Eine magische Theorie . . . . ........ . 56 xn