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Zu der Zeit, als Hawking in Cambridge am DAMTP in Dennis Sciamas Forschungsgruppe seine Dissertationsarbeit
schrieb, entwickelte der britische Mathematiker und Physiker Roger Penrose eine Theorie über Singularitäten. Diese
Theorie lag in der Richtung der Vorstellungen der Forschungsgruppe. Deshalb begannen sie sich damit zu befassen.
Roger Penrose hatte sich mit der Frage beschäftigt, was passiert, wenn ein Stern, nachdem ihm der Brennstoff
ausgegangen ist, unter der Kraft seiner eigenen Gravitation kollabiert. Penrose kam zu dem Ergebnis, daß der Stern zu
einem Punkt von unendlicher Dichte schrumpfen muß (selbst wenn es nicht vollkommen symmetrisch erfolgt). Dies führt
nach Einstein zu einer unendlichen Krümmung in der Raumzeit. Solche Krümmungen nennt man Singularitäten, und diese
sollten sich im Inneren von Schwarzen Löchern befinden. Auch der Urknall ist eine solche Singularität. Aber wie entsteht
überhaupt ein Schwarzes Loch? Zunächst einmal betrachten wir einen Himmelskörper. Dieser hat eine bestimmte Masse
und einen bestimmten Radius. Der Radius stellt den Abstand zwischen Oberfläche und Schwerpunkt der Masse dar.
Von diesen beiden Größen allein hängt die Fluchtgeschwindigkeit ab. Die Fluchtgeschwindigkeit ist diejenige
Geschwindigkeit, die ein (kleiner) Körper haben muß, um dem Gravitationsfeld des Planeten zu entkommen, d.h. um von
der Oberfläche des Planeten startend theoretisch ins Unendliche gelangen zu können. Stellen wir uns nun einen Stern vor,
dessen Masse ungefähr zehnmal so groß wie die unserer Sonne ist. Seine Energie bezieht er aus der Umwandlung von
Wasserstoff in Helium (Kernverschmelzung). Durch die freigesetzte Energie wird genügend Druck erzeugt, um den Stern
vor seiner eigenen Gravitation zu bewahren. Der Radius beträgt in etwa fünfmal soviel wie der Radius unserer Sonne.
Die oben erwähnte Fluchtgeschwindigkeit beträgt etwa 1000 km/s. Wenn der Stern seinen Brennstoff verbraucht hat,
erzeugt er keine Energie mehr und nichts schützt ihn davor, infolge der eigenen Schwerkraft in sich zusammenzufallen.
Die Fluchtgeschwindigkeit auf seiner Oberfläche wird während dieses Prozesses immer größer, da der Radius immer
kleiner wird. Man könnte auch sagen, das Gravitationsfeld an der Oberfläche wird stärker, da es sich dem Zentrum der
Masse immer weiter nähert. Wenn der Radius des Sternes nur noch 30 Kilometer beträgt, ist die Fluchtgeschwindigkeit
auf 300 000 km/s (=Lichtgeschwindigkeit) angewachsen. Ab diesem Zeitpunkt kann auch das Licht die Oberfläche des
Sternes nicht mehr verlassen (Licht wird nach Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie ebenso abgelenkt wie Masse; also
gilt auch die Fluchtgeschwindigkeit für das Licht). Wenn der Stern weiter schrumpft und somit zum Schwarzen Loch
wird, bleibt der Radius, ab dem das Licht nicht entweichen kann, an exakt derselben Stelle. Die Grenze des Schwarzen
Loches - der Ereignishorizont - ist der Radius, auf dem die Fluchtgeschwindigkeit genau Lichtgeschwindigkeit beträgt.
Also kann das Licht, wenn es sich innerhalb dieses Radiuses befindet, nicht fliehen, und es wird in den Mittelpunkt
hineingezogen. Da nichts schneller sein kann als das Licht, heißt das, daß nichts aus diesem Loch entkommen kann. Der
Ereignishorizont (auch Schwarzschildradius genannt) bildet somit eine Grenze zwischen innen und außen, denn da keine
Lichtteilchen von innen nach außen gelangen, kann man auch nicht sehen, was in seinem Inneren passiert. Der
Ereignishorizont bleibt für eine konstante Masse immer gleich. Der Radius des Sternes verkleinert sich immer weiter, bis
er schließlich zu einem Punkt unendlicher Dichte zusammengeschrumpft ist, zu einer Singularität. Dort ist die Krümmung
im Raumzeit-Gefüge unendlich. Zu diesen Ergebnissen kommt man unter der Verwendung von Einsteins Allgemeiner
Relativitätstheorie. Allerdings ist die Allgemeine Relativitätstheorie auch nicht anwendbar auf einen solchen Punkt der
unendlichen Raumzeit-Krümmung. Da keine Informationen von innen nach außen gelangen können, ergeben sich für
einen Beobachter außerhalb des Schwarzschildradiuses keine Konsequenzen durch den Zusammenbruch der
Naturgesetze. Roger Penrose spricht in diesem Zusammenhang von einer Kosmischen Zensur. Obgleich sich solche
Schwarzen Löcher allein mit Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie vorhersagen lassen, nahmen bis in die sechziger
Jahre nur wenige Wissenschaftler diese Vorraussagen tatsächlich ernst. Einer der Gründe dafür war, daß als tatsächlich
existierende dichteste Objekte bis 1967 nur die Weißen Zwerge bekannt waren. Diese toten Sterne hatten etwas
weniger als eine Sonnenmasse, aber waren auf die Größe der Erde zusammengepreßt. Doch 1967 wurden die Pulsare
entdeckt. Das waren Radioquellen, die mit einer bestimmten Frequenz in ihrer Strahlung schwankten. Diese
Schwankungen wurden durch die Schwingungen eines sehr kompakten Sternes erklärt. Doch bald stellte sich heraus,
daß solch ein Stern dichter sein mußte als ein Weißer Zwerg. Die Quantentheorie lieferte auch die Erklärung: wenn der
Druck zu stark wird, dann verschmelzen Elektronen und Protonen miteinander und werden zu Neutronen. Diese können
wesentlich dichter gepackt werden. Der Stern wird zu einem Neutronenstern mit außerordentlich hoher Dichte. Obwohl
diese Dichte nicht hoch genug ist, um ein Schwarzes Loch zu bilden, macht sie doch auch die Existenz von Schwarzen
Löchern mit extrem hohen Dichten sehr viel wahrscheinlicher. Außerdem hatte man schon 1963 Quasare entdeckt. Sie
strahlen so hell wie 300 Milliarden Sterne. Um dieses Phänomen erklären zu können, nahm man schon damals an, daß
sich dabei ein riesiges, extrem schweres Objekt inmitten einer Galaxie befindet und diese verschluckt. Die Masse der
Galaxie wird dabei in einer großen heißen Scheibe in den massereichen Körper gezogen, wobei durch die Umwandlung
von Masse in Energie riesige Energiemengen entstehen. Somit hatte man die Existenz von extrem schweren Körpern
bereits akzeptiert, man ging jedoch bisher davon aus, daß sie sehr groß wären und somit eine geringere Dichte
aufwiesen.
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