Wie so vieles im weltall interressieren sich die menschen für die sogenannten schwarzen löcher
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
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
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.
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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