Wie so vieles im Weltall interressieren sich die Menschen für die sogenannten schwarzen Löcher. Ihren Namen verdanken sie
ihre Eigenschaft alles zu verschlucken, auch das Licht. Daher kann man schwarze Löcher direkt nicht sehen, sondern nur durch
die Auswirkungen welche sie auf die umliegende Materie haben, erkennen. Sie wird einfach "verschluckt".
Schwarze Löcher wurden erstmals von dem englischen Geologen John Mitchell
"entdeckt", und zwar vor zweihundert Jahren. Er stellte die Theorie auf, daß es 21812kee41tkr8i
möglich sei, daß Gravitation so stark sein könnte, daß wirklich nichts - nicht
einmal Licht - ihr entfliehen könnte. Für ein solches Phänomen müßte ein Objekt
sehr dicht sein. Mitchell nannte diese Objekte "dunkle Sterne". 1916 errechnete
Karl Schwarzschild eine Gleichung zu Gravitationsfeldern, indem er Einsteins ek812k1241tkkr
Gleichung zur einheitlichen Feldtheorie benutzte. Seine Kalkulationen nennt man
heute eine Schwarzschild Singularität.
Wissenschaftler glauben heute, daß eine solche Singularität im Zentrum eines
Schwarzen Loches liegt. John Wheeler benannte 1960 erstmals ein solches
Phänomen als ein Schwarzes Loch.
Wie entsteht aber ein Schwarzes Loch? Man nimmt an, daß sie sich von Sternen oder anderen massiven Objekten bilden,
wenn diese kollabieren und sich zu einer Singularität verformen. Das Objekt müßte die dreifache Masse unserer Sonne haben.
Es würde durch die eigene Gravitation kollabieren und ein Schwarzes Loch formen. In dem Schwarzen Loch befände sich eine
Singularität. Als solches bezeichnet man ein Objekt, welches ein Volumen von Null hat, jedoch auch eine unendliche Dichte.
Könnte man zu einem schwrzen Loch fliegen? Würde man versuchen, ein Schwarzes Loch mit einem Raumschiff zu erreichen,
würde es der Besatzung erscheinen, als würde sie, je näher sie dem Ereignishorizont käme, langsamer reisen. Es gäbe jedoch
keine Warnung für die Besatzung, ab wann man sich im Bann des Schwarzen Loches befände. Man könnte gewarnt werden,
daß dort ein Ereignishorizont ist, jedoch nicht, wo er sich befindet.
Für einen Beobachter außerhalb würde das Raumschiff stoppen, für die Besatzung würde die Zeit jedoch normal vergehen. Der
Beobachter sähe das Raumschiff, wie es sich orange und rot verfärbt und letztendlich dann verschwindet, doch wo und wie
genau es verschwand, könnte man trotz allem nicht sagen.
Und nun stellen Sie sich vor, sie würden in ein Schwarzes Loch reisen. Zuerst würden Sie nichts Ungewöhnliches bemerken,
außer vielleicht, daß Sie eigentlich nur in eine Richtung sehen können, nämlich auf das unsichtbare Schwarze Loch zu. Sie
würden nicht wissen, wann Sie den Ereignishorizont passiert hätten und sie würden auch nicht bemerken, daß Sie von den
Kräften in einem Schwarzen Loch länger und länger gezogen würden, von den Seiten zusammengedrückt. Leider würden Sie
das nicht lange überleben, was eigentlich schade ist, denn Theoretiker nehmen an, daß in einem Schwarzen Loch Raum und
Zeit vermischt sind. Sie könnten dann Zeitreisen unternehmen oder zu verschiedenen Plätzen ('Wurmlöcher' [kennen wir ja von
Star Trek]) reisen. Aber auch nur, wenn Sie die extreme Gravitation in einem Schwarzen Loch überleben könnten.
www.gwdg.de/~unolte/AVG/lexikon/Weltall/black_hole.html
Das Weltall
Zahlen, Fakten, Daten
Schwarze Löcher
Zeichnung eins rotierenden Schwarzes Lochs.
Man beachte die Akkretionsscheibe sowie den Jet.
Eine der aufregendsten Vorhersagen der Einsteinschen Relativitätstheorie ist die Existenz
von Schwarzen Löchern, in denen die Gravitationskräfte so groß werden, dass selbst
Teilchen, die sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegen, nicht entweichen können. Man
unterscheidet zwei Klassen von Schwarzen Löchern: stellare und primordiale
("urzeitliche") Schwarze Löcher.
Ein stellares Schwarzes Loch ist ein Raumgebiet, in das ein Stern oder eine
Ansammlung von Sternen oder anderer Körper kollabiert ist und aus dem weder Licht,
Materie oder irgendeine Art von Signal entweichen kann. Es gibt für die Endphasen der
Sternentwicklung zwei kritische Massegrenzen: Wenn ein Stern die
Chandrasekhar-Grenze von 1,4 Sonnenmassen überschreitet, kann er nicht zu einem
Weißen Zwerg werden, sondern endet wahrscheinlich als Neutronenstern. Bei 3,2
Sonnenmassen überschreitet er die Oppenheimer-Volkhoff-Grenze dabei kann weder
der Elektonen- noch der Neutronendruck einen erneuten Kollaps aufhalten. Die
Gravitation überwiegt alle anderen Kräfte: Es entsteht ein Schwarzes Loch.
Theoretisch unterscheidet man rotierende und nicht-rotierende Schwarze Löcher. Man
geht davon aus, dass in der Natur Schwarze Löcher wirklich rotieren. Nichtrotierende
heißen Schwarzschildsche Schwarze Löcher, während die rotierenden nach
Kerr-Newman benannt sind.
Der Radius Rs eines nicht-rotierenden Schwarzschildschen Schwarzen Loches kann
berechnet werden, indem man die Masse M des kollabierenden Körpers mit der
doppelten Gravitationskonstenten G multipliziert und das Ergebis durch das Quadrat der
Lichtgeschwindigkeit im Vakuum (c) dividiert:
Rs= 2 GM/c².
Unterschreitet ein Stern diesen Radius, beherrscht die Gravitation alle anderen Kräfte:
dieser Radius definiert die Oberfläche - auch Ereignishorizont genannt - des Schwarzen
Loches. Nur das Gebiet am und außerhalb des Ereignishorizonts ist für einen äußeren
Beobachter von Bedeutung. Ereignisse innerhalb des Horizonts können niemals die
Außenwelt beeinflussen. Die Sonne z.B. müsste auf einen Radius von 2,95 km
kollabieren, um zu einem Schwarzen Loch zu werden, die Erde auf 0,89 cm. Es gibt
keine untere Grenze für den Radius eines Schwarzen Loches. Einige der primordialen
Schwarzen Löcher können mikroskopisch klein sein.
Bei der Entstehung eines stellaren Schwarzen Loches kann der Ereignishorizont zunächst
bizarr verzerrt sein und rasch schwingen. Innerhalb eines Sekundenbruchteils nimmt
jedoch der Horizont eine einzigartige glatte Form an. Der Ereignishorizont eines
Kerr-Newmanschen Schwarzen Loches ist nicht kreisförmig, sondern an den Polen
abgeplattet (so, wie die Erde an den Polen aufgrund ihrer Rotation abgeplattet ist).
Das Schicksal der Materie, die innerhalb des Ereignishorizonts gelangt, hängt davon ab,
ob der Stern rotiert oder nicht. Bei einem kollabierenden aber nicht rotierenden Stern,
der sphärisch symmetrisch ist, wird die Materie in der Singularität im Zentrum des
Loches durch unendlich große Gravitationskräfte auf null Volumen und unendlich große
Dichte zusammengedrückt. An der Singularität verliert die physikalische Theorie ihre
Gültigkeit. Bei einem rotierenden Kerrschen Schwarzen Loch kann die Singularität
jedoch umgangen werden. Rotierende Schwarze Löcher sind fantastische Objekte für
Spekulationen über Zeitreisen in andere Universen. Wenn ein Stern bei seinem Kollaps
den kritischen Ereignishorizont unterschreitet, muss seine Dichte nicht unbedingt sehr
hoch sein; sie könnte sogar geringer als die Dichte von Wasser sein! Dies folgt aus der
Tatsache, dass die Dichte eines Körpers proportional ist zu seiner Masse, dividiert
durch Radius hoch drei Der Radius eines Schwarzen Loches ist, wie wir oben gesehen
haben, proportional zu seiner Masse. Aus diesen beiden Tatsachen folgt, dass die
Dichte, bei der sich ein Schwarzes Loch bildet, umgekehrt proportional zum Quadrat
der Masse ist (Schwarzschild-Grenze).
Man stelle sich ein supermassives Schwarzes Loch vor mit einer Masse zwischen
10.000 und 100 Millionen Sonnenmassen. Solche Schwarzen Löcher befinden sich
möglicherweise in den Zentren bestimmter aktiver Galaxien. Eine kollabierende Masse
dieser Größenordnung würde das Stadium eines Schwarzen Loches erreichen, wenn
ihre mittlere Dichte ungefähr so groß ist wie die von Wasser! Würde eine ganze Galaxie
kollabieren, wäre die Dichte beim Überschreiten des Ereignishorizonts geringer als die
von Luft! Ein Schwarzes Loch kann man nur durch die Einflüsse seines
Gravitationsfeldes auf die umgebende Materie und/oder auf die Ausbreitung der
Strahlung in seiner Nachbarschaft entdecken.
Schwarze Löcher können als Röntgenquellen in Doppelsternsystemen erscheinen
(Röntgen-Doppelsterne). Das Schwarze Loch selbst ist natürlich auch in einem solchen
System unsichtbar, doch das Gas, das von dem Begleitstern in das Schwarze Loch
strömt (Akkretion), kann Röntgenstrahlen aussenden. Bei der Identifikation einer
Röntgenquelle mit einem optischen Objekt sucht man zunächst nach einem
spektroskopischen Doppelstern (d.h. nach einem Stern, dessen Spektrallinien eine
Doppler-Verschiebung aufweisen, die auf einen unsichtbaren Begleiter schließen lässt).
Durch entsprechende Beobachtungen muss dann nachgewiesen werden, dass es sich bei
dem unsichtbaren Begleiter tatsächlich um ein kompaktes Objekt handelt und nicht z.B.
um einen Roten Riesen, der vom helleren Stern überstrahlt wird. Darüber hinaus muss
die für das unsichtbare Objekt abgeleitete Masse so groß sein, dass es sich nicht um
einen Weißen Zwerg oder Neutronenstern handeln kann.
Den vielversprechendsten Kandidaten für ein Schwarzes Loch stellt die Röntgenquelle
Cygnus X-1 dar. An der Position dieser Röntgenquelle liegt der spektroskopische
Doppelstern HDE 226868, dessen Periode 5,6 Tage beträgt. Man vermutet, dass die
beobachteten Daten nur durch ein Modell erklärt werden können, bei dem Materie von
einem verformten Stern in ein Schwarzes Loch von etwa 8 Sonnenmassen strömt. Nach
diesem Modell stammen die im optischen Spektrum nachgewiesenen Emissionslinien des
Wasserstoffs und ionisierten Heliums von der "Brücke" zwischen den beiden Objekten,
während die Röntgenstrahlung von Materie herrührt, die das Schwarze Loch zunächst
umkreist und dann in ihm verschwindet. Beobachtete Schwankungen der Lichtintensität
würden dann auf der durch das Schwarze Loch bei der Rotation um das gemeinsame
Gravitationszentrum verursachten gravitativen Verformung des hellen blauen Überriesen
HDE 226868 beruhen. Ein weiterer möglicher Kandidat ist LMC X-3, die dritte
Röntgenquelle, die in den Großen Magellanschen Wolke entdeckt wurde.
Das Interesse am gravitativen Kollaps war durch die Entdeckung der Quasare mit ihrer
offensichtlich enormen Energieabstrahlung stark gestiegen. Es wurde die Hypothese
aufgestellt, dass durch Akkretion von Materie auf ein großes zentrales Schwarzes Loch
Quasare entstehen könnten.
Dann gibt es noch das Missing mass-Problem: Die beobachtete Materiedichte im
Weltraum ist viel geringer als der theoretisch berechnete Wert, der nötig ist, um das
Weltall "geschlossen" zu machen. Vielleicht liegt zumindest ein Teil dieser "fehlenden"
Masse in Form von Schwarzen Löchern vor.
Nicht alle Schwarzen Löcher entstehen durch den Kollaps eines Sterns. In der
Frühgeschichte unseres expandierenden Urknall-Universums könnten einige Gebiete so
komprimiert worden sein, dass sie gravitativ kollabierten und ein sogenanntes
primordiales Schwarzes Loch bildeten. Für sehr kleine Schwarze Löcher dieser Art
werden quantenmechanische Effekte sehr wichtig. Man kann zeigen, dass ein solches
Schwarzes Loch eben nicht völlig schwarz ist, sondern Strahlung stetig durch den
Ereignishorizont nach außen "tunneln" kann (Hawking-Strahlung). Dies könnte dazu
führen, dass das Schwarze Loch verdampft! (Für "konventionelle", größere Schwarze
Löcher sind sind Quanteneffekte nicht von Bedeutung.) Primordiale Schwarze Löcher
könnten also sehr heiß sein und von außen wie "Weiße Löcher" aussehen, die die
Zeitumkehr von Schwarzen Löchern darstellen. Mit den Worten eines der
bedeutendsten Kosmologen unserer Zeit, Stephen Hawking, ausgedrückt:
"(Quantenmechanische) Schwarze Löcher verhalten sich in einer völlig zufälligen und
zeitsymmetrischen Weise und sind für einen äußeren Beobachter nicht von Weißen
Löchern unterscheidbar."
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Das Schwarze Loch
Ein Referat von M.Sem.
Inhalt:
Was ist ein Schwarzes Loch
Die Enstehung eines schwarzen Lochs
Erklärung der zum Verständnis nötigen Teile der Relativitätstheorie
Eigenschaften eines Schwarzen Lochs
Der Fall ins Schwarze Loch
Ende eines Schwarzen Lochs
Nachweise und Sichtungen Schwarzer Löcher
Sonderfall Wurmloch
Was ist ein Schwarzes Loch
Ein schwarzes Loch ist ein implodierter Stern. Es ist ein Objekt mit der Masse des Sterns allerdings mit einer derart
veringerten Ausdehnung, so daß die Entweichungsgeschwindigkeit (jene v, die ein Körper aufbringen muß um, daß
Gravitationsfeld eines anderen Objekts zu überwinden) größer als c sein muß. Laut der Allgemeinen Relativitätstheorie
kann kein Körper sich mit v>c bewegen. Daraus folgt, daß nichts, das Licht eingeschlossen, das Gravitationsfeld dieses
Körpers überwinden kann. Das Wirkungsfeld eines Schwarzen Lochs wird durch den Schwarzschildradius angegeben.
Jedem Teilchen innerhalb dieses Umkreises ist es unmöglich ihn wieder zu verlassen. Auch elektromagnetische Strahlen
können ein schwarzes Loch nicht verlassen.
Die Entstehung eines schwarzen Lochs
2 Möglichkeiten:
1.ein schw. Loch entsteht beim Ableben eines Sternes mit einer Masse über 3 Sonnenmassen. Im normalen Zustand
besteht ein Gleichgewicht zwischen der Eigengravitation und dem Innendruck (thermischer Druck, den die heißen
Teilchen im Inneren auf die äußeren, kälteren Teilchen ausüben). Ist der Brennstoff (H) verbraucht erkalten die inneren
Teilchen und der Druck nimmt ab. Dadurch gewinnt die nach innen wirkende Gravitationskraft die Oberhand und der
Stern kollabiert. Der Stern wird bei gleichbleibender Masse immer kleiner und kleiner, theoretisch würde er dabei
unendliche Dichte erlangen. Ein schwarzes Loch ist entstanden. Nur bei Sternen über 3 Sonnenmassen entsteht ein
Schwarzes Loch, bei kleineren würde ein weißer Zwerg bzw. ein Neutronenstern entstehen.
2.Hierbei folgt die Existenz eines schwarzen Lochs zwingend aus der Kopplung von Masse und Raumzeitkrümmung.
Berechnet man den Sternaufbau eines Sterns mit den Formeln der Relativitätstheorie ergibt sich eine obere Grenzmasse.
Erreicht ein Stern langsam diese Masse kann die Gewichtslast nicht mehr durch einen entsprechenden Druckanstieg
kompensiert werden Durch die Zeitdilation, die Bewegung der Elementarteilchen erscheinen tief im Inneren langsamer
und der effektive Druck wird geringer, wird der Druck im Sterninneren reduziert. Der Stern müßte nun einen immer
stärkeren Druck aufbauen. Da sich die Schallwellen maximal mit c fortbewegen können, kann p nicht ins Unendliche
ansteigen. Ist eine Grenzmasse erreicht wird die Zeitdilletion unendlich und der Innendruck somit 0. Der Stern wird
dadurch immer kleiner und kleiner. Er wird zum schwarzen Loch.
Relativitätstheorie (zum Verständnis):
Zeit und Raum sind relativ, die Lichtgeschwindigkeit ist absolut und begrenzt
(ca. 300.000 km/s).
Was auf den ersten Blick nicht sonderbar erscheint, ist bei genauerer Betrachtung ein Paradoxon. Es bedeutet nämlich: je
schneller sich ein Körper bewegt, desto langsamer vergeht für ihn (relativ) die Zeit. Der zweite Teil des Grundsatzes sagt
aus, dass zwei Lichtstrahlen, die aneinander mit 300 000 km/s vorbeirasen, relativ zueinander eben nicht die
Geschwindigkeit von 600 000 km/s besitzen. Deshalb ist auch für alle Beobachter die Lichtgeschwindigkeit gleich, egal
wie schnell sie sich selbst bewegen, sondern die Zeit und der Raum sind relativ. Diese Relativität der Zeit ist der Kern
von Albert Einsteins Relativitätstheorie. Einstein fasste in der berühmtesten Formel des 20. Jahrhunderts zusammen: E =
mc², also Energie eines Körpers = Masse x Lichtgeschwindigkeit². Die gesamte moderne Physik stützt sich darauf.
Raum und Zeit existieren nicht getrennt, sondern zusammen als Raumzeit. Der gesamte (Welt-)raum wird durch
Gravitationskräfte gekrümmt. Ein Modell zur Raumzeit: Der gesamte Weltraum lässt sich zweidimensional mit einer
gespannten Plane aus Gummi vergleichen. Die dritte Dimension, also die Tiefe, ist bei diesem Modell die Zeit. Überall
darauf verstreut liegen Kugeln (=Massen mit Gravitationskräften), die Senken in die Plane drücken. Deshalb wird dieser
Effekt, durch den Massen die Raumzeit krümmen, Raumzeitkrümmung genannt. Die Relativitätstheorie ist aber nur eine
abstrakte Theorie , die versucht, den Weltraum und alles, was damit zusammenhängt, besser verstehen zu können, die
aber meistens nicht direkt durch Anschauung wie bei Newton (Mechanik) beweisbar ist. Auf der anderen Seite findet
man viele Indizien für die Gültigkeit der Theorie. So wurden zwei sehr genau gehende Uhren verglichen, eine war mit
einem Düsenjet geflogen, die andere stand auf der Erde. Die Uhr im Düsenjet ging etwas nach, womit praktisch
bewiesen wurde, dass bei höherer Geschwindigkeit die Eigenzeit langsamer geht. Newton hatte 1670 definiert, dass die
Trägheit der Masse unabhängig von ihrer Geschwindigkeit sei, sodass ein Körper theoretisch unendlich schnell werden
konnte. 6 Jahre nach ihm versuchte ein gewisser O. Roemer die Lichtgeschwindigkeit zu messen, allerdings nicht sehr
genau: Er kam auf 226 869 km/s. Zur Veranschaulichung der Relativitätstheorie: Nehmen wir an, ein Eisenbahnwagen
bewegt sich mit Lichtgeschwindigkeit (was wegen dessen Masse und Trägheit praktisch unmöglich ist), und in der Mitte
des Wagens befindet sich eine Lichtquelle, die Lichtstrahlen sowohl rückwärts als auch vorwärts aussenden kann.
Weiterhin sollen die vordere und hintere Tür jeweils von dem Lichtstrahl geöffnet werden können. Von dem Beobachter
im Zug aus gesehen, öffnen sich beide Türen gleich schnell, weil der Weg für beide Lichtstrahlen im Zug gleich ist (halbe
Länge des Wagens). Für den Beobachter außerhalb des Zuges, also auf dem Bahndamm, öffnet sich aber die hintere Tür
früher, da das Licht, von außen gesehen, eine kürzere Strecke zurücklegen muss, weil die Geschwindigkeit des Zuges
noch dazugerechnet werden muss. Wie ist das möglich, wenn die Lichtgeschwindigkeit die höchstmögliche
Geschwindigkeit ist und alle Beobachter die gleiche Geschwindigkeit messen müssen, egal wie schnell sie sich selbst
bewegen? Geschwindigkeit wird mit Weg durch Zeit oder v = s / t beschrieben. Eine ruhende Person stellt fest, dass das
Licht in einer Sekunde 300 000 km zurücklegt. Wenn sich eine Person aber bewegt, geht ihre Zeit langsamer, sodass für
die sich bewegende Person das Licht in etwas mehr als einer Sekunde eine größere Strecke zurücklegt. Bei einer
Geschwindigkeit von 1 000 km/s müßte das Licht, das von diesem Körper ausgesendet wird, von einem
außenstehenden Beobachter mit 301 000 km/s gemessen werden. Das ist aber nicht möglich ist, weil nichts schneller als
das Licht sein kann. Daher muss die Zeit für den Beobachter um soviel langsam laufen, dass er genau die gleiche
Lichtgeschwindigkeit misst. Ein Beispiel: Eine Rakete düst mit 30 000 km/s durch den Weltraum. An ihrer Spitze ist ein
Laser angebracht, der Licht nach vorne aussendet. Ein Beobachter in der Rakete mißt in einer Sekunde, dass dieser
Lichtstrahl 300 000 km zurücklegt. Nun kommt das Raumschiff an einem (ruhenden) Planeten vorbei, auf dem eine
Person ebenfalls die Geschwindigkeit des Laserstrahls misst. Sie würde eigentlich feststellen: v = 330 000 km (300 000
+ 30 000) / s. Das ist unmöglich, also müssen für diese Person auf dem Planeten 1,1 Sekunden vergehen, wenn für den
Raumfahrer 1 Sekunde vergeht: 330 000 km/1,1 s = 300 000 km/s. (Man kann z.B. ausrechnen, wie lang eine Sekunde
ist, wenn man mit einem Raketenauto mit Tempo 1200 über die Autobahn rast: 1,00000000000185 s. Das zeigt, dass
für irdische Verhältnisse diese Zeitveränderung nur marginale Auswirkungen hat. Je mehr man sich aber der
Lichtgeschwindigkeit nähert, desto stärker wird die Zeitdifferenz, bis schließlich bei Lichtgeschwindigkeit keine Zeit mehr
existiert.) Das alles ist schwer vorstellbar, wenn man die Geschwindigkeiten auf der Erde als Bezug sieht. Zwei Autos,
die mit 100 km/h frontal gegeneinander fahren, haben schließlich die gleiche Aufprallwucht wie ein Auto, das mit 200
km/h gegen eine Wand fährt, aber diese mechanischen Gesetze von Newton gelten nicht mehr uneingeschränkt seit
Einsteins Relativitätstheorie.
Weitere Erkenntnisse durch Hawking:
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.
Eigenschaften eines Schwarzen Lochs
Es ist unsichtbar, da auch das Licht das Schwarze Loch nicht mehr verlassen kann. Schwarze Löcher sind deshalb nur
indirekt nachweisbar und daher können über ihre Eigenschaften nur Vermutungen angestellt werden. Allerdings sind
diese theorethisch sehr gut begründet, daß man annimmt, daß sie weitgehend mit der Wirklichkeit über einstimmen. Ein
schwarzes Loch ist im eigentlichen Sinn kein Körper. Es ist mehr oder weniger ein leerer Raum in dem sich eine
Singularität (Punkt in der Raumzeit mit unendlicher Raumzeitkrümmung und unendlicher Gravitation.) befindet. Im
Gegensatz zu einem weißen Zwerg oder einem Neutronenstern besitzt es keine feste Oberfläche bzw. Grenzschicht.
Lediglich der Schwarzschildradius bildet eine Begrenzung. Jedem Objekt ist es unmöglich diesen Umkreis wieder zu
verlassen.Ein schwarzes Loch ist auch als Loch im Raum-Zeit-Gefüge anzusehen. Denn würde man in jedem Punkt des
Raumes eine Uhr befestigen, würden sie unterschiedlich schnell gehen. Denn umso näher dem Schwarzen Loch desto
langsamer vergeht die Zeit. Elektrische Ladungen, Drehimpuls und Magnetfelder bleiben erhalten, sofern sie schon vor
dem Supernovaausbruch existent waren. Ebenso entsteht Strahlung, wenn Masse in den Horizont eintritt.
Der hypothetische Fall ins Schwarze Loch:
Man kann die Vorgänge im Universum, speziell das Phänomen der "Schwarzen Löcher" nur verstehen, wenn man sich
Modelle schafft, die einen Bezug zu Dingen auf unserer Erde haben. Menschen begreifen Dinge nämlich besser, wenn sie
wahrnehmbar, be"greif"bar sind. Ein todesmutiger Astronaut begibt sich also in die Nähe eines Schwarzen Loches. Er
wird wahrscheinlich sofort von der Gravitation ergriffen, "angesaugt" werden, wobei die Kräfte unterschiedlich stark
wirken. Die Gravitation wirkt nämlich umso schwächer, je weiter man vom Mittelpunkt einer Masse entfernt ist. Sein
Kopf ist 1,80m weiter als seine Füße vom Schwarzen Loch entfernt, und weil der Gravitationsunterschied so groß ist,
wird er wie eine Spaghetti in die Länge gezogen. Schließlich wird er immer mehr beschleunigt werden, bis auf
Lichtgeschwindigkeit. Moment mal, einen Körper auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigen? Das ist unmöglich, und
deshalb wird der Astronaut zerrissen, "entmaterialisiert" und in pure Energie umgewandelt. Nehmen wir an, er ist
unbeschadet in das Schwarze Loch hineingefallen. Da dieses nicht vorstellbar ist (eine "unsichtbare Masse"?), vergleichen
wir es hier mit einem Tunnel.Dieser Tunnel hat die seltsame Eigenschaft, dass man von außen gesehen nie das Ende
erreicht (bzw. je wieder aus dem Loch herauskommt), obwohl er von außen nur 200 m lang ist. Wie kann das erklärbar
sein? Nehmen wir weiterhin an, dass ein Fußgänger mit einer Schrittlänge von 1 m in den Tunnel eintritt, und nach einem
Meter auf die Hälfte seiner Größe zusammenschrumpft, wobei seine Schrittlänge ebenfalls halbiert wird. Also ist der
Tunnel für den durchquerenden Körper unendlich lang. Bei dieser ersten Variante kann er nie den Tunnel durchqueren,
von außen gesehen. In der zweiten Variante soll der durchquerende Körper es aus seiner Sicht schaffen, durch den
Tunnel zu gelangen. Die halbierte Schrittlänge gleicht sich hierbei dadurch aus, dass seine Geschwindigkeit immer nach
einem Schritt verdoppelt wird, bis sie schließlich unendlich wird. Bei unendlicher Eigengeschwindigkeit vergeht für ihn
keine Zeit mehr, also kann er in einer Sekunde eine unendliche Strecke zurücklegen und wieder aus dem Tunnel
herauskommen. Wenn er wieder herauskommt, ist allerdings im übrigen Universum eine unendliche Zeitspanne
vergangen.
Nachweise für Schwarze Löcher
Da Schwarze Löcher weder strahlen, noch Licht und Radiowellen reflektieren kann man nur indirekt auf ihre Existenz
schließen. Dennoch gibt es zahlreiche Möglichkeiten festzustellen, ob es tatsächlich Schwarze Löcher gibt. Zuerst einmal
gibt es Hinweise auf enorme Massen komprimiert in winzigste Volumen. Wenn dieser Körper auch noch schwarz ist,
kann man mit guter Wahrscheinlichkeit auf ein schwarzes Loch schließen.Eine zweiter Nachweis wäre auch, daß
Doppelsternsysteme entdeckt wurden, welche eine intensive Röntgenstrahlung aussenden. Diese abgestrahlte Energie
übertrifft dabei oft die Größenordnung von 10000 Sonnenleuchtkräften. Zusätzlich kommt noch, daß manche
Röngtenquellen nur Bruchteile von Sekunden aufflackern. Eine solch intensive, extrem kurzfristig variierende Strahlung
könnte nur durch winzige, aber enorm massenreiche Objekt erzeugt werden. Auch gibt es Doppelsternsysteme, in denen
der eine Partner ein schwarzes Loch ist. Hierbei kann hin und wieder Materie vom einem Stern an das schwarze Loch
abgegeben werden. Dabei wird ein enormes Röntgenlicht erzeug. Allerdings fallen die Gasmassen nicht direkt ins
schwarze Loch, da das System um einen gemeinsamen Schwerpunkt rotiert. Aus diesem Grund laufen die Gasströme
spiralförmig auf das schwarze Loch zu. Es bildet sich Akkretionsscheibe, eine Scheibe aus enorm heißen Gas, die um
das schwarze Loch kreist.Ein weitere Hinweis auf ein schwarzes Loch wäre, daß man spiralförmige Galaxien beobachtet
hatte, die mit einer derart hohen Geschwindigkeit rotierten, daß sie aufgrund der Fliehkraft schier auseinander gerissen
werden würden. Um dennoch stabil zu bleiben müsste sich in ihrem Zentrum ein Objekt mit gigantischer Masse befinden.
Da dieser Körper weder Licht noch sonstige Strahlung abstrahlt sind die Wissenschaftler der Meinung, daß sich es hier
um ein schwarzes Loch handeln muß. Ebenso könnte man einem schwarzen Loch aufgrund des Dopplereffekts auf die
Spur kommen, indem man die Rot-Blau-Verschiebung misst.
Ende eines schwarzen Lochs
Dies ist ein sehr umstrittenes Problem. Es ist eine noch nicht geklärte Frage ob und wie sich ein schwarzes Loch auflösen
kann.Der erste der ein mögliches Ende eines schwarzen Lochs entdeckte war Steven Hawkin. Er stellte eine Theorie auf,
daß ein schwarzes Loch masselose Teilchen (17% Photonen, 2% Gravitonen und 81& Neutrinos) produziert um sie
mittels Wärmestrahlung abstrahlt. Diese abgestrahlte Energie läßt sich in Masse umrechnen (E=m*c²). Mit diesem
Massenverlust wird auch der Schwarzschildradius kleiner und immer weniger vobeifliegende Teilchen können
aufgenommen werden. Demzufolge würde es mit abnehmender Masse immer schneller kleiner werden. Nach dieser
Theorie könnte ein Schwarzes Loch je nach Anfangsmasse 10 bis 20 Milliarden Jahre bestehen.
Sichtungen Schwarzer Löcher
1. Schwarze Löcher in jeder Galaxis vermutet
Neueste Messungen des Weltraumteleskops "Hubble" legen die Existenz von Schwarzen Löchern in nahezu jeder
Galaxis des Universums nahe. Eines dieser sonderbaren Objekte, die aufgrund ihrer gigantischen Schwerkraft selbst
Licht einfangen und verschlucken, soll nach Berechnungen von Astronomen im Zentrum einer Galaxis im Sternbild
Jungfrau sein. Vorläufige Untersuchungen haben ergeben, daß in 14 von 15 weiteren Galaxienkernen Schwarze Löcher
sitzen, wie die Wissenschaftler auf einem Treffen der Amerikanischen Astronomischen Gesellschaft in Toronto
berichteten."Da ist etwas: Es wiegt eine Menge, es ist völlig schwarz und wir wissen nicht, was es sonst sein könnte",
sagte der kanadische Astronom Scott Tremane vom Institut für Theoretische Astrophysik. Die Entdeckungen seien
bisher die stärksten Hinweise auf eine allgemein akzeptierte Theorie der Himmelsforscher. Demnach sind Schwarze
Löcher sehr verbreitet, im Zentrum einer jeden schweren Galaxis sollte es eines geben. Die Masse der Schwarzen
Löcher soll direkt von der Masse der gesamten Galaxis abhängen.
Hubble liefert nur Fingerabdrücke
Schwarze Löcher können nicht direkt beobachtet werden - auch nicht vom scharfsichtigen Teleskop "Hubble". Die
Forscher analysieren statt dessen die Bewegung von Sternen, die nahe um die Zentren der Galaxien kreisen. In einer
Entfernung von 50 Millionen Lichtjahren wirbeln die Sterne und extrem heiße Materie um die Mitte einer Galaxie -
angetrieben von einer mächtigen Anziehungskraft. Gase erreichen fast Lichtgeschwindigkeit und erhitzen sich dabei auf
mehrere Billionen Grad. Aus diesen Beobachtungen konnten die Wissenschaftler die Masse eines Objekts im Sternbild
Jungfrau berechnen. Es ist 500 Millionen Mal schwerer als unsere Sonne. Die Messungen von "Hubble" liefern aber nur
Fingerabdrücke, sie sind nicht der Beweis für ein Schwarzes Loch. Für derart schwere Objekte gebe es auch noch
andere Erklärungen, gibt Reinhard Genzel vom Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik in Garching bei
München zu bedenken. Die Ergebnisse der Forscher seien interessant, aber nur Überschlagsrechnungen. Ein schlüssiger
Beweis könne nur aus der Nähe geführt werden, wenn die exakten Bewegungen einzelner Sterne gemessen werden
könnten. Genzel hat dies mit einem Teleskop der Europäischen Sternwarte im chilenischen La Silla zumindest für unsere
Milchstraße getan - und er fand ein Schwarzes Loch, 2,5 Millionen Mal schwerer als die Sonne.
Überreste von Quasaren
Aber die US-Wissenschaftler sind dennoch von ihrer Annahme von Schwarzen Löchern in fast allen anderen
Galaxienzentren überzeugt. Für Doug Richstone von der University of Michigan, dem Leiter der Teams, könnten die
Schwarzen Löcher die Überreste von sogenannten Quasaren sein. Das sind unvorstellbar helle Körper, die vor allem in
der Anfangszeit des Universums vorhanden waren. Die bisher untersuchten Quasare sind die ältesten und am weitesten
entfernten Objekte im All. Um ihre Leuchtkraft zu erklären, käme der Einfall von Materie in ein supermassives
Schwarzes Loch in Frage.
Löcher für die Ewigkeit?
Quasare sind nach Angaben von Tremane in ihrer Lebenszeit begrenzt, aber Schwarze Löcher überdauern die Ewigkeit.
Obwohl sie auf Materie der Umgebung einen riesigen Appetit hätten - wegen der Größe der Galaxien verschluckten sie
nur etwa ein Prozent der Masse. Von dieser Masse wiederum verschwinden 99 Prozent hinter dem sogenannten
Ereignishorizont des Schwarzen Lochs. Das ist der Punkt ohne Wiederkehr, den auch Licht nicht mehr verlassen kann.
Nur ein Prozent wird in Strahlungsenergie umgewandelt, wie Berechnungen des Astronomen Ralph Narayan an kleineren
Schwarzen Löchern und ihren Begleitsternen gezeigt hätten. "Das Gebiet innerhalb des Ereignishorizonts ist für immer
von der Außenwelt abgeschnitten", sagte Narayan. Nach einer Theorie des britischen Astrophysikers Steve Hawkings
allerdings brökeln die "Black Holes" durch quantenmechanische Effekte langsam ab.
2. M87 - ein alternder Quasar
Die Physik der Quasare ist ein Arbeitsgebiet der Theoriegruppe an der Landessternwarte. Quasare (quasi-stellare
Objekte) sind die sehr leuchtkräftigen Zentren von sehr weit entfernten Aktiven Galaxien. Sie strahlen ihre Energie in
allen möglichen Energiebereichen ab (von der Radiostrahlung bis zu hochenergetischer Gammastrahlung). Die ersten
Vertreter dieser kosmischen Objekte wurden im Jahre 1963 entdeckt. Die besondere Aktivität dieser Galaxien wird auf
die Existenz eines supermassereichen Schwarzen Lochs im Zentrum der Galaxie zurückgeführt. Die Masse dieser
Objekte beträgt Millionen bis zu Milliarden von Sonnenmassen und ist damit ein beträchtlicher Bruchteil der
Gesamtmasse der ganzen Galaxie. Die uns nahen Galaxien waren kurz nach ihrer Entstehung vermutlich ebenfalls Aktive
Galaxien, und da die Masse von Schwarzen Löchern im Laufe der Zeit nicht abnehmen kann, sollten diese Objekte auch
in den Zentren unserer Nachbargalaxien gefunden werden. Die riesige elliptische Galaxie M87 im Virgo-Galaxienhaufen
in einer Entfernung von nur 50 Millionen Lichtjahren ist ein guter Kandidat dafür, ein Schwarzes Loch zu enthalten. Auch
diese Galaxie ist aktiv, sie ist aber kein Quasar, sondern eine Radiogalaxie, sozusagen ein alternder Quasar. Das
Hubble-Weltraumteleskop hat nun im Zentrum dieser Galaxie eine spiralförmige Gasscheibe entdeckt, die mit 550 km/s
rotiert. Daraus leitet man ab, daß sich im Zentrum ein 3 Milliarden Sonnenmassen schweres Schwarzes Loch von der
Größe unseres Sonnensystems befindet. Im Unterschied zu M87 enthalten Quasare auf der Skala von einigen
Lichtjahren viel mehr Gas, welches in der Umgebung des zentralen Lochs hell aufleuchtet.
Wurmlöcher:
Tatsächlich ist ein Wurmloch eine besondere Form eines Schwarzen Loches. Einstein und Rosen zeigten die Endform
der Raumkrümmung in einem Schwarzen Loch. Zu Ihrer Überraschung öffnete sich das Diagramm wieder und verband
den Raum mit einem anderen Paraleluniversum. Weiter Überlegungen zeigten, daß unter bestimmten Umständen der
Ausgang eines solchen schwarzen Loches nicht in ein Paraleluniversum enden muß, sondern auch im eigenen Universum
enden kann. Die Grundidee eine Wurmlochs war geboren. Hier gibt es jedoch ein gravierendes Problem für einen
potentiellen Reisenden. In einem statischen Schwarzen Loch muß auf dem Weg ins andere Universum die Singularität
gekreuzt werden muß. Ein Ding der Unmöglichkeit derartiges zu überleben. Aufregend ist jedoch, daß dieses Problem
theoretisch umgangen werden kann wenn man dem Schwarzen Loch eine Rotation zuordnet (Kerr-Newmann Black
Hole). In diesem Objekten sind Reisen in Paraleluniversen theoretisch zulässig. Allerdings muß man dabei bedenken, daß
ein solches Objekt auch eine wahre Zeitmaschiene ist. Denkbar ist, daß man unser eigenes Universum wieder betritt
jedoch zu einem oder verschiedenen Zeitpunkten. Die Wissenschaftler gehen heute davon aus das in der Realität fast alle
Schwarzen Löcher eine Eigenladung oder eine Rotation besitzen. Kandidaten für Schwarze Löcher kennt man heute zu
genüge und in den letzten Jahren erhärten sich die Indizien, daß es sich bei den Objekten tatsächlich um Schwarze
Löcher handelt. Das gilt vor allen Dingen für die riesigen Objekte im Zentrum unserer und anderer Galaxien.
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