Kosmologie
KOSMOLOGIE
VOM URKNALL ZUM ZERFALL ???
Schwerpunkt: Schwarze Löcher – Dunkle Materie
Prolog
Schwarze Löcher:
Lebensende eines Sterns
Entstehung eines Schwarzen Lochs
Was erwartet uns in der Mitte?
Doppelsternsysteme
Schwarze Löcher und die Thermodynamik
Die Hawking – Strahlung
Die Lebensdauer Schwarzer Löcher
Weiße Löcher
Wurmlöcher – interstellare Korridore?
Dunkle Materie:
Weshalb? Wieviel? Wo?
Sternzählung und DM
Rotation unserer Galaxie und DM
Struktur und Bewegung in anderen Galaxien
Galaxienhaufen
Hypothesen zur Natur der DM
Baryonische Materie
Nichtbaryonische Materie
DM reell oder ein Fehler in den Theorien
Schluss
Anmerkungen zum Physikbuch
Die Wahrheit ist nicht das Beweisbare, sondern das Unabwendbare. Antoine de Saint-Exupéry
1. Prolog Jede Zivilisation bekommt das Universum, das sie verdient. Das heißt nicht, dass sich das Universum tatsächlich verändert, wenn sich unsere Vorstellungen von ihm wandeln. Jedoch ändern sich mit der Erweiterung des Wissens über das Universum die Fragen, die wir stellen und die Bedeutung, die wir dem Gefüge des Himmels zuschreiben.
Die Menge der Informationen, über die wir verfügen, entscheiden darüber, was wir aus den Tatsachen machen, welche Art von Universum wir konstruieren.
Je mehr Fakten vorhanden sind, desto weniger Freiheit bleibt der Phantasie.
Der Grieche Aristoteles hatte die Vorstellung eines räumlich endlichen, aber ewigen Universums, in dessen Mittelpunkt die Erde lag.
Claudius Ptolemäus, der im 2. Jh. n. Chr.
in Alexandria lebte, kompilierte die Beobachtungsergebnisse seiner griechischen und babylonischen Vorgänger, fügte ein paar eigene hinzu und entwickelte so ein Modell, das alles bis dahin Beobachtete erklärte. Sein Universum gründete sich auf zwei stillschweigende Voraussetzungen, die im griechischen Denken eine entscheidende Rolle spielten. Geozentrismus heißt die erste: die Lehre, die Erde bilde den Mittelpunkt aller Dinge. Die zweite ist die Vorstellung, dass die himmlischen Bewegungen in Kreisen verlaufen. Dies sind verblüffende Beispiele für den Fehler, sich auf Vorstellungen zu verlassen, die so offensichtlich sind, dass sie unanfechtbar scheinen. Und es herrscht solange das Gefühl für die Richtigkeit solcher Annahmen, solange niemand Fragen stellt.
Das Ptolemäische Weltbild wurde bald in das christliche Weltbild integriert, da es zu der seit langem etablierten Auffassung eines moralischen Universums passte.
Die Ehre, die dem Geistlichen Nikolaus Kopernikus aus heutiger Sicht zukommt, liegt nicht darin begründet, dass er die moderne Auffassung vom Sonnensystem hervorgebracht hat ( was nicht stimmt) oder sein System einfacher war ( das war es nicht ), sondern dass er als der erste Mann der Moderne den Mut hatte, das Undenkbare zu denken. Er war hartnäckig genug, um seine Ideen über den Bereich philosophischer Spekulationen hinauszutragen.
Nachdem im 18. Jh. der Philosoph Immanuel Kant vermutet hatte, dass unsere Milchstraße nur eine von zahlreichen Galaxien ist, sind wir heute soweit, uns als Bewohner eines kleinen Felsbrockens zu sehen, der in einer ganz und gar durchschnittlichen Galaxie eine ganz gewöhnliche Sonne umkreist.
Zudem hat man festgestellt, dass die Dinge im Kosmos nicht zufällig geschehen. Vielmehr liegen jedem Ereignis einige wenige Naturgesetze zugrunde - Gesetzmäßigkeiten, die wir in unseren Forschungsstätten entdecken können. Alles, was wir am Himmel und auf der Erde sehen können, geschieht auf einsehbare, geordnete Weise.
2. Schwarze Löcher
Die Theorie des Gravitationskollapses von Sternen und Schwarzen Löchern nahm ihren Anfang in den dreißiger Jahren. Robert Oppenheimer und seine Studenten, die als die eigentlichen Pioniere zu bezeichnen sind, orientierten sich an den frühen Arbeiten von Lew Landau, dem Vater der modernen theoretischen Physik in der Sowjetunion.
Landau hatte darüber nachgedacht, wie Sterne sich die Energie verschaffen, die ihnen ihre Wärme liefert. Er war auf die Idee gekommen, im Mittelpunkt von Sternen wie der Sonne könnte sich ein Neutronenstern mit der Masse, die einem Zehntel der Sonnenmasse entspricht, befinden.
Nachdem Oppenheimer erkannt hatte, dass es eine Höchstmasse für einen Neutronenstern gibt, stellte er sich die Frage: Was geschieht, wenn ein massereicherer Stern stirbt??
Mit Hilfe der allgemeinen Relativitätstheorie berechneten Oppenheimer und sein Student Snyder die Implosion eines Sterns und sie stellten fest, dass der Stern sich von dem übrigen Universum isolieren würde; er würde sich „in seinen eigenen Horizont“ zurückziehen.
Sie beschäftigten sich aber nicht mit der Frage, was mit dem Stern im Inneren des Horizonts geschieht. Oppenheimer war kein spekulativer Mensch und weigerte sich, auch nur den Versuch zu machen, mit Hilfe der allgemeinen Relativitätstheorie herauszufinden, was innerhalb des Horizonts vor sich geht, also genau die Frage zu stellen, die in jüngerer Zeit durch Stephen Hawking´s Arbeit über Quantengravitation so interessant geworden ist.
Lebensende eines Sterns
Sterne sind gewaltige, durch die Schwerkraft stabilisierte Kernreaktoren.
Ein Stern wird als ein Körper definiert, in dem der Druck im Inneren ausreicht, um die Temperatur auf das Niveau zu bringen, das zur Auslösung spontaner Kernreaktionen nötig ist. Für den größten Teil seines weiteren Lebens wird der Sog der Schwerkraft nach innen durch den Druck nach außen ausgeglichen, den die im Sterninneren ablaufenden Kernreaktionen aufrechterhalten. Die Lebensdauer eines Sterns ist bestimmt durch die Zeit, die nötig ist, um seinen Wasserstoff in der Zentralregion in Helium und schwerere Elemente zu verbrennen. Massereichere Sterne müssen mehr Hitze entwickeln, um ihre stärkere Schwerkraft auszugleichen. Dadurch laufen ihre Kernfusionsreaktionen viel rascher ab, so dass sie ihren Wasserstoff bereits in hundert Millionen Jahren verbraucht haben. Sie ziehen sich dann ein wenig zusammen, werden noch heißer und beginnen, das Helium in schwerere Elemente wie Kohlen- oder Sauerstoff umzuwandeln.
Die dabei entstehende Hitze bläst die äußeren Schichten des Sterns zu einem „Roten Riesen“ auf. Der gesamte Entwicklungsverlauf des Sterns wird durch die Menge der Materie bestimmt.
Chandrasekharsche Grenze:
Die größtmögliche Masse eines stabilen kalten Sterns. Wird sie überschritten, muss der Stern zu einem Schwarzen Loch zusammenstürzen.
Das heißt: Ein Stern, dessen ganzer Brennstoff verbraucht ist, kann sich auch dann noch gegen seine eigene Schwerkraft behaupten, wenn seine Masse unter der Chandrasekharschen Grenze von 1,4 Sonnenmassen bleibt.
Sterne bis zu 1,4 Sonnenmassen:
Wurde der Stern zu einem „Roten Riesen“ aufgebläht, so kann es wieder Jahrmillionen dauern, bis der letzte Brennstoff verbraucht ist und der Stern unter seiner eigenen Schwerkraft zusammenstürzt.
Seine Masse verdichtet sich auf kleinem Raum und er wird zum „Weißen Zwerg“ mit einer Dichte bis zu 100t auf 1 cm³. Er gewinnt seine Stabilität aus der auf dem „Pauli`schen Ausschließungsprinzip beruhenden Abstoßung zwischen den Elektronen seiner Materie. Der Gasdruck reicht aus, um die Gravitationskräfte auszugleichen, unabhängig davon wie weit sich der Stern abkühlt. Der „Weiße Zwerg“ wird kälter und lichtschwächer und wird eine kalte, inaktive Masse: ein „Schwarzer Zwerg“.
Sterne mit 1,4 bis 3,2 Sonnenmassen:
Ist das Helium im Zentrum eines „roten Riesen“ verbraucht, steigt die Temperatur erneut an und bei den nächsten Stufen der Kernfusion entstehen schwere Elemente bis hin zum Eisen. Der ausgebrannte Stern stürzt durch die Schwerkraft in sich zusammen, dabei wird Energie freigesetzt.
Diese „Supernova“ leuchtet kurzfristig heller als ihr Ausgangsstern. Unter diesen extremen Bedingungen entstehen nun alle Elemente, die schwerer als Eisen sind. Die bei der Explosion in den Weltraum gelangende Masse kann bis zu 10 Mal größer sein als die der Sonne. Die Überreste des bei der Supernova zerstörten Sterns werden so stark zusammengedrückt, dass sie die Atome ineinander pressen. Auch diese Sterne gewinnen ihre Stabilität aus dem Ausschließungsprinzips; aber nicht aus der Abstoßung zwischen den Elektronen sondern zwischen den Protonen und Neutronen (Protonen schlucken Neutronen). Ihr Radius beträgt lediglich 15 – 40 Kilometer und eine Dichte von Hunderten von Millionen Tonnen pro Kubikzentimeter.
Sterne, deren Masse über dem Chandrasekharschen Grenzwert liegen, stehen vor einem großen Problem, wenn ihnen der Brennstoff ausgegangen ist. In einigen Fällen gelingt es ihnen genügend Masse loszuwerden, um einen Gravitationskollaps katastrophalen Ausmaßes zu vermeiden – oder sie stürzen zu unendlicher Dichte zusammen. Dies ist bei Sternen mit mehr als 3,2 Sonnenmassen der Fall.
Entstehung eines Schwarzen Loches
Man stelle sich einen Stern vor, dessen Masse zehnmal so groß ist wie die der Sonne. Während des größten Teils seiner Lebensdauer von ungefähr einer Milliarde Jahren entsteht in seinem Mittelpunkt Wärme durch die Umwandlung von Wasserstoff in Helium. Die freigesetzte Energie wird genügend Druck erzeugen, um den Stern vor der eigenen Gravitation zu schützen, sodass er ein Objekt mit einem Radius darstellt, der etwa fünfmal so groß wie der der Sonne ist.
Die Fluchtgeschwindigkeit an der Oberfläche eines solchen Sterns würde ungefähr bei tausend Kilometern in der Sekunde liegen.
Wenn der Stern seinen Kernbrennstoff verbraucht hätte, gäbe es nichts, was dem Druck von außen widerstehen könnte, so dass er anfinge, infolge der eigenen Schwerkraft in sich zusammenzustürzen. Im Zuge dieses Schrumpfungsprozesses würde das Gravitationsfeld an der Oberfläche immer stärker werden, so dass eine immer größere Fluchtgeschwindigkeit nötig wäre, um ihm zu entkommen. In dem Moment, da der Radius nur noch 30 Kilometer betrüge, wäre die Fluchtgeschwindigkeit auf 300 000 Kilometer pro Sekunde angewachsen. Von diesem Zeitpunkt an wäre das vom Stern emittierte Licht nicht mehr in der Lage, ins All zu entweichen, sondern würde vom Gravitationsfeld zurückgehalten werden.
(Nach der „speziellen Relativitätstheorie“ kann sich nichts schneller fortbewegen als das Licht, woraus folgt, dass nichts entkommen kann, wenn es das Licht nicht vermag.
)
Das Resultat wäre ein Schwarzes Loch: eine Region der Raumzeit, in der es keine Möglichkeit gibt, nach außen zu entweichen.
Die Fläche, von der aus kein Entweichen mehr möglich ist, definiert die Grenze eines Schwarzen Lochs, den sogenannten Ereignishorizont.
Er entspricht einer Wellenfront des Sternenlichtes, das gerade noch daran gehindert wird, aus dem Schwarzen Loch zu entkommen, und das statt dessen seinen Ursprung schwebend umgibt, und zwar im Abstand des Schwarzschild-Radius: 2GM/c2, wobei G die Newtonsche Gravitationskonstante, M die Masse des Sterns und c die Lichtgeschwindigkeit ist. Am Schwarzschildradius erreicht die Fluchtgeschwindigkeit die Lichtgeschwindigkeit. Für einen Stern von ungefähr zehn Sonnenmassen beträgt der Schwarzschild-Radius etwa dreißig Kilometer. Wenn wir den Horizont eines sehr großen Schwarzen Lochs (eines sogenannten „superschweren Schwarzen Lochs“), mit etwa hundert Millionen Sonnenmaßen (solche Massen vermutet man in der Mitte vieler großer Galaxien) durchquerten, würden wir nichts Ungewöhnliches erleben – zunächst.
Die Bedingungen wären eher angenehm, die mittlere Materiedichte innerhalb des Horizonts wäre etwa die der Luft. Vielleicht leben wir alle in diesem Augenblick im Inneren eines sehr großen Schwarzen Lochs, ohne etwas davon zu bemerken.
Aber wenn der Sog der Schwerkraft uns immer näher an den Mittelpunkt des Schwarzen Lochs zöge, ließen sich die Gezeitenkräfte schließlich nicht mehr aushalten. Wir würden auseinandergezogen und zerrissen (Spaghettifizierung). Diese Kräfte würden ungeheuer stark zunehmen, wenn wir uns der Mitte des Schwarzen Lochs näherten.
Doch je weiter wir (oder besser die Teilchen, aus denen unser Körper bestand) uns dem Mittelpunkt des Schwarzen Lochs näherten, um so mehr würde sich die Zeit dehnen.
Wir gingen also immer weiter hinein, ohne den Mittelpunkt eines Schwarzen Lochs jemals erreichen zu können.
Supermassive Schwarze Löcher:
Im Mittelpunkt von Quasaren oder Galaxien rotiert ein „ Supermassives Schwarzes Loch“ mit der Materie, die sie spiralförmig anzieht und erzeugt ein gewaltiges Magnetfeld. Dabei werden sehr energiereiche Teilchen zu „Jets“ gebündelt, die der Rotationsachse des Schwarzen Lochs folgen. Sie werden in Richtung seines Nord- und Südpols nach außen geschleudert.
Was erwartet uns in der Mitte?
Nach dem Singularitätensatz (Singularität: ein Ort, an dem die Naturgesetze versagen, wo es weder Raum noch Zeit gibt) sollte das Zentrum einen singularen Punkt (unendlicher Dichte und Raumzeitkrümmung) aufweisen: einen Teil des Randes der Welt, wo die Materie zu unendlicher Dichte zusammengequetscht ist und die dazugehörige Schwerkraft ausreicht, die verformbare Raumzeit bersten zu lassen. Wie bei der Urknallsingularität wissen wir nicht, ob eine unbekannte Naturkraft dieses Schicksal abwenden kann.
An dieser Singularität enden die Naturgesetze und unsere Fähigkeit, Prognosen zu erstellen. Indessen wäre kein Beobachter außerhalb des Schwarzen Loches von diesem Verlust der Vorhersagbarkeit betroffen, da ihn weder das Licht noch andere Signale der Singularität erreichen könnten.
Aber die Überlegung, was dann passiert, wenn wirklich eine Singularität in einem Schwarzen Loch auftritt, ist schon deshalb interessant, weil es im sichtbaren Weltall vermutlich Milliarden von ihnen gibt.
Doppelsternsysteme:
Doch wie soll man jemals ein Schwarzes Loch entdecken, wo es doch per Definitionem kein Licht aussendet?
Bereits 1783 hatte John Michell in seinem grundlegenden Aufsatz darauf hingewiesen, dass ein Schwarzes Loch nach wie vor mit seiner Gravitation nahe gelegene Objekte beeinflusst.
Vorliegende Beobachtungsdaten lassen mit einiger Wahrscheinlichkeit darauf schließen, dass Schwarze Löcher von der Größe von zehn Sonnenmassen in manchen Doppelsternsystemen existieren, etwa in der Röntgenquelle, die unter dem Namen „Cygnus X-I bekannt ist. Dieses Phänomen lässt sich am besten damit erklären, dass von der Oberfläche des sichtbaren Sterns Materie weggeblasen wird.
Wenn sie dann auf den unsichtbaren Begleiter fällt, gerät sie in spiralförmige Bewegung und wird so heiß, dass sie Röntgenstrahlen aussendet. Dieser Mechanismus ist nur möglich, wenn das unsichtbare Objekt sehr klein ist wie ein Weißer Zwerg, ein Neutronenstern oder ein Schwarzes Loch. Aus der beobachteten Bahn des sichtbaren Stern lässt sich die geringste mögliche Masse des unsichtbaren Objekts berechnen. Im Falle von Cygnus X-1 liegt sie ungefähr bei dem Sechsfachen der Sonnenmasse. Nach dem Chandrasekharschen Grenzwert ist die Masse des unsichtbaren Partners zu groß, als dass es sich um eine Weißen Zwerg handeln könnte, und sie ist auch zu groß für einen Neutronenstern. Ein Schwarzes Loch scheint die einzige Erklärung für die Beobachtung zu sein.
Cygnus X-1 wurde 1971 im Sternbild Schwan durch den Satelliten Uhuru entdeckt und ist 6500 Lj. von der Erde entfernt. Er ist eine starke Röntgenquelle mit einer Masse von etwa sieben Sonnen, die in 5,6 Tagen einen blauen Riesen mit 20 Sonnenmassen umkreist.
Außer den kollabierten Sternen (sogenannte „Fliegengewichte“) könnte eine große Zahl kleinerer Schwarzer Löcher über das ganze Universum verstreut sein, die nicht durch Sternenkollaps entstanden sind, sondern durch den Zusammensturz hochkomprimierter Regionen in dem heißen, dichten Medium, das, wie man meint, kurz nach dem Urknall, existiert hat. Ein Schwarzes Loch mit dem Gewicht von einer Milliarde Tonnen (was ungefähr der Masse eines Berges entspricht) würde einen Radius von ungefähr 10-13 Zentimeter aufweisen (die Größe eines Neutrons oder Protons). Es könnte sich auf einer Umlaufbahn entweder um die Sonne oder um das Zentrum der Galaxie befinden.
Das setzt jedoch voraus, dass das frühe Universum nicht vollkommen gleichmäßig und einheitlich gewesen ist, weil nur eine kleine Region von überdurchschnittlich hoher Dichte in dieser Weise zu einem Schwarzen Loch komprimiert werden könnte. Doch man weiß, dass es Unregelmäßigkeiten gegeben haben muss, da sonst die Materie im Universum auch heute noch vollkommen gleichmäßig verteilt wäre, anstatt in Sternen und Galaxien zusammengeballt zu sein.
Eine neue Art von Schwarzem Loch wollen Wissenschaftler in den letzten Monaten entdeckt haben: Neben den „Fliegengewichten“ und den „superschweren Schwarzen Löchern“ im Zentrum einer Galaxie soll es auch ein „Mittelgewicht“ geben – Ein Schwarzes Loch, das sich nicht im, sondern außerhalb des Zentrums einer Galaxie befindet:
Mit Hilfe des Chandra-Röntgenteleskops des NASA-Observatoriums gelang es einer Gruppe von Astronomen, das Schwarze Loch in der Galaxie M82 zu identifizieren. Es packt die Masse von mindestens 500 Sonnen auf etwa die Größe des Mondes und befindet sich ungefähr 6oo Lichtjahre vom Zentrum der Galaxie entfernt.
Die Entstehung eines solchen Schwarzen Lochs ist nur unter extremen Bedingungen möglich und eröffnet ganz neue Forschungsfelder. Man vermutet, dass das „Mittelgewicht“ mit der Zeit ins Zentrum der Galaxie hineinsinken wird und so noch zu einem „superschweren Schwarzen Loch“ werden könnte.
Möglicherweise sind während Perioden heftiger Sternformationen in der Vergangenheit eine Unmenge an mittelschweren Löchern entstanden, von denen einige unerkannt auch in unserer Milchstraßen-Galaxie existieren könnten.
Schwarze Löcher und die Thermodynamik Erste Hinweise auf eine mögliche Verbindung zwischen Schwarzen Löchern und der Thermodynamik ergab sich 1970 mit der mathematischen Entdeckung, dass die Oberfläche des Ereignishorizontes, der Grenze eines Schwarzen Loches, stets anwächst, wenn zusätzliche Materie oder Strahlung in das Schwarze Loch dringt. Mehr noch: Wenn zwei Schwarze Löcher zusammenstoßen und zu einem einzigen Schwarzen Loch verschmelzen, so ist die Horizontfläche des resultierenden Schwarzen Lochs größer als die Flächensumme der Ereignishorizonte, die die ursprünglichen Schwarzen Löcher umgeben haben.
Diese Eigenschaften lassen auf eine Verwandtschaft zwischen der Fläche des Ereignishorizonts eines Schwarzen Loches und dem Entropiebegriff in der Thermodynamik schließen.
Entropie kann man verstehen als ein Maß für die Unordnung eines Systems oder, was das gleiche ist, als ein Maß für unsere Unkenntnis eines Zustands.
Der berühmte „Zweite Hauptsatz der Thermodynamik“ besagt, dass die Entropie (in einem abgeschlossenen System) mit der Zeit stets zunimmt und dass bei der Vereinigung zweier Systeme die Entropie des Gesamtsystems größer ist als die Summe der Entropien der einzelnen Systeme.
Wenn ein Schwarzes Loch durch einen Gravitationskollaps geschaffen wird, nimmt es rasch einen stationären Zustand an, der lediglich durch drei Parameter gekennzeichnet ist: die Masse, den Drehimpuls („Kerrsche Lösung“: Ist die Rotation gleich Null, ist das Schwarze Loch vollkommen rund, ist die Rotation hingegen nicht gleich Null, so ist das Schwarze Loch an seinem Äquator nach außen gewölbt ((entsprechende Wölbungen besitzen auch Erde und Sonne infolge ihrer Rotation)), und je schneller es rotiert, desto stärker prägt sich diese Wölbung aus) und die elektrische Ladung. Von diesen drei Eigenschaften abgesehen, bewahrt das Schwarze Loch keine anderen Einzelheiten des kollabierten Objekts.
Stationärer Zustand: Ein Zustand, der sich mit der Zeit nicht mehr ändert: Eine Kugel, die sich mit konstanter Geschwindigkeit dreht, ist stationär, weil sie stets gleich aussieht, sie ist aber nicht statisch.
Ein Schwarzes Loch ist also kein fester Körper, sondern nur eine von seinem Ereignishorizont begrenzte Fläche in Raum und Zeit. Der Horizont ist wie ein Einwegspiegel. Nichts, was hereinfällt, kann hinaus.
Beobachter außerhalb des Horizonts können keine Signale von innen empfangen.
Von einem Schwarzen Loch kann man nichts anderes wissen als seine Masse, seine elektrische Ladung und seinen Drehimpuls. Es hat keine anderen Eigenschaften. Zwei Schwarze Löcher, bei denen Masse, Drehimpuls und Ladung gleich sind, lassen sich von außen nicht unterscheiden. Die Materie, die sich im Inneren des Horizonts eines Schwarzen Lochs befindet, kann durchaus noch andere Eigenschaften haben, aber äußere Beobachter haben zu ihnen einfach keinen Zugang, da im Zuge des Gravitationskollaps außerordentlich viel Information verloren geht. So spielt es beispielsweise keine Rolle, ob der kollabierte Körper aus Materie oder Antimaterie bestand und ob er sphärisch oder von extrem unregelmäßiger Form war.
Ein Schwarzes Loch von gegebener Masse, gegebenem Drehimpuls und gegebener elektrischer Ladung könnte durch den Zusammensturz einer großen Zahl verschiedener Materiekonfigurationen entstanden sein.
In diesem Sinn sind Schwarze Löcher die einfachsten Dinge der Natur. Denn sie haben nicht die Millionen von Eigenschaften, die selbst die einfachsten alltäglichen Objekte kennzeichnen.
Allerdings verschwindet Materie, die von einem Schwarzen Loch aufgesogen wird, nicht unauffällig. Bevor sie verschluckt wird, erhitzt sie sich sehr stark und sendet insbesondere eine starke Röntgenstrahlung aus. An dieser Strahlung und an der vom Schwarzen Loch ausgehenden Schwerkraft könnte man ein Schwarzes Loch recht gut erkennen.
Die Hawking – Strahlung
Nun müsste aber, damit die Gültigkeit des Zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik gewahrt bliebe, ein Schwarzes Loch eine Temperatur (je geringer die Masse, desto größer die Temperatur) haben und somit ein gewisses Maß an Strahlung abgeben. Definitionsgemäß sind sie aber Objekte, die gar nichts emittieren.
Der Physiker Stephen W. Hawking fand jedoch heraus, dass rotierende Schwarze Löcher nach der Unschärferelation der Quantenmechanik Teilchen hervorbringen und emittieren müssen. Er stellte sogar fest, dass auch nicht rotierende Schwarze Löcher offensichtlich Teilchen in steter Menge hervorbringen und emittieren.
Die Teilchen stammen allerdings nicht aus dem Inneren des Schwarzen Lochs, sondern aus dem „leeren Raum“, dem Vakuum, unmittelbar außerhalb des Ereignishorizontes.
Dieser kann jedoch nicht völlig leer sein, da sonst alle Felder – wie das elektromagnetische und das Gravitationsfeld - exakt gleich Null sein müssten. Aber mit dem Wert eines Feldes und seiner zeitlichen Veränderung verhält es sich wie mit der Position und Geschwindigkeit eines Teilchens: Je genauer man eine dieser Größen kennt, um so weniger kann man etwas über die andere aussagen. Deshalb kann das Feld im leeren Raum nicht genau Null sein, weil es dann einen exakten Wert und eine exakte Veränderungsrate hätte. Es muss aber ein bestimmtes Mindestmaß an Ungewissheit oder Quantenfluktuationen im Wert des Feldes bleiben!
Man kann sich diese Quantenfluktuationen als virtuelle Teilchenpaare vorstellen (d.h.: man kann sie nicht direkt mit einem Teilchendetektor beobachten, aber sehr wohl ihre indirekten Auswirkungen).
Sie erscheinen irgendwann zusammen, trennen sich, kommen abermals zusammen und vernichten sich gegenseitig.
Da Energie nicht aus „nichts“ entstehen kann, wird in dem Teilchen - Antiteilchenpaar der eine Partner(reales Teilchen) positive und der andere (virtuelles, kurzlebiges Teilchen) negative Energie besitzen. Prinzipiell besitzt das reale Teilchen in der Nähe sehr massereicher Körper weniger Energie, da Energie erforderlich ist, es gegen die Massenanziehung des Körpers auf Distanz zu halten. Normalerweise wäre die Energie des Teilchens noch immer positiv, doch das Gravitationsfeld im Inneren eines Schwarzen Loches ist so stark, dass dort sogar ein reales Teilchen negative Energie aufweisen kann.
So kann ein virtuelles Teilchen mit negativer Energie in ein Schwarzes Loch fallen und zu einem realen oder Antiteilchen werden. So braucht es sich nicht mehr mit seinem Partner zu vernichten.
Das reale Teilchen kann ebenfalls in das Schwarze Loch fallen, oder, mit positiver Energie ausgestattet, als reales oder Antiteilchen der Nähe des Schwarzen Lochs entrinnen. Nun sieht es für einen Beobachter so aus, als ob das reale Teilchen vom Schwarzen Loch emittiert worden sei.
Je kleiner das Schwarze Loch ist, desto kürzer ist die Strecke, die das Teilchen mit der negativen Energie zurücklegen muss, um ein reales Teilchen zu werden. Umso höher ist auch die Emissionsrate und somit die scheinbare Temperatur des Schwarzen Loches.
Die Teilchen mit der negativen Energie, die in das Schwarze Loch hineinströmten, würden die positive Energie der abgegebenen Strahlung aufwiegen.
Die Lebensdauer Schwarzer Löcher Nach E=mc2 ist die Energie der Masse proportional.
Fließt negative Energie ins Schwarze Loch, verringert sich infolgedessen seine Masse. In dem Maße, wie das Schwarze Loch an Masse verliert, verringert sich sein Ereignishorizont. In dem Maß, wie das Schwarze Loch an Masse verliert, nehmen also Temperatur und Emissionstätigkeit zu, so dass die Masse noch rascher verloren geht.
Die Temperatur eines Schwarzen Lochs ist also umso größer, je geringer seine Masse ist. Und natürlich ist die Strahlung, die von einem Schwarzen Loch ausgeht, umso stärker, je heißer es ist.
Was geschieht, wenn die Masse schließlich extrem klein und die Strahlung sehr groß wird, ist nicht ganz klar.
Wahrscheinlich aber würde es in einem gewaltigen Strahlungsausbruch, dem Äquivalent von vielen Millionen H-Bombenexplosionen, endgültig verschwinden.
Ein Schwarzes Loch, dessen Masse das Mehrfache der Sonnenmasse aufwiese, hätte nur eine Temperatur von einem zehnmillionstel Grad über dem absoluten Nullpunkt. Das ist weitaus weniger als die Temperatur der Mikrowellenstrahlung, die das Universum erfüllt ( 2.7 Grad über dem absoluten Nullpunkt), sodass solche Schwarze Löcher sogar weniger Strahlung abgeben als absorbieren.
Falls es dem Universum bestimmt ist, auf ewig zu expandieren, so wird die Temperatur der Hintergrundstrahlung schließlich unter die eines Schwarzen Loches absinken, das daraufhin anfangen wird, an Masse zu verlieren. Aber auch dann noch wäre die Temperatur so niedrig, dass es 1066 Jahre dauern würde, bis es vollständig verdampft wäre.
Dieser Zeitraum ist sehr viel älter als das Alter des Universums, das lediglich zehn bis zwanzig Milliarden Jahre vorzuweisen hat.
Andererseits hätten urzeitliche Schwarze Löcher mit sehr viel geringerer Masse, die in sehr frühen Stadien des Universums entstanden sein können – durch Zusammensturz von Unregelmäßigkeiten – eine sehr viel höhere Temperatur. Mit einer Anfangsmasse von einer Milliarde Tonnen hätten sie eine Lebenszeit, die ungefähr dem Alter des Universums entspräche.
Urzeitliche Schwarze Löcher mit noch kleinerer Anfangsmasse hätten sich bereits verflüchtigt, während Löcher mit etwas größerer Ausgangsmasse immer noch Strahlung in Form von Röntgen- und Gammastrahlen emittierten. Nun gleichen diese Strahlen Lichtwellen, nur dass sie wesentliche kürzere Wellenlängen haben. Solche Löcher wären kaum als schwarz zu bezeichnen – sie wären weißglühend und strahlten Energie in der Größenordnung von ungefähr zehntausend Megawatt ab.
Ein einziges dieser Schwarzen Löcher könnte zehn große Kraftwerke versorgen, vorausgesetzt, es wäre möglich, seine Energie nutzbar zu machen.
Das wäre allerdings ziemlich schwierig: Ein Schwarzes Loch mit der Masse eines Berges hätte die Größe eines Atomkerns! Brächte man nun dieses auf die Erdoberfläche, so würde es durch den Boden zum Mittelpunkt der Erde stürzen, in einer Pendelbewegung im Erdinneren hin- und herschwingen und schließlich im Erdmittelpunkt zur Ruhe kommen.
Die einzige Möglichkeit wäre, es in die Umlaufbahn der Erde zu bringen. Doch die einzige Möglichkeit, es zu einer solchen Umlaufbahn zu veranlassen, bestünde darin, die Anziehungskraft einer großen Masse zu nutzen, die man, wie einem Esel eine Wurzel, vor ihm herziehen müsste.
Weiße Löcher
Die Gesetze der Physik sind zeitsymmetrisch. Wenn es also Objekte namens Schwarzer Löcher gibt, in die Dinge hineinfallen und aus denen nichts entkommen kann, dann muss es andere Objekte geben, aus denen Dinge entweichen, in die aber nichts hineinfallen kann.
Es gibt Lösungen für die Gleichungen der allgemeinen Relativitätstheorie, nach denen man in ein Schwarzes Loch fallen und aus einem Weißen Loch herauskommen kann. Es wäre die ideale Methode, um große Entfernungen im All zurückzulegen. Doch sind alle diese Lösungen instabil, da die leiseste Störung - etwa die Anwesenheit eines Raumschiffs - die Passage (das Wurmloch), die vom Schwarzen zum Weißen Loch führt, zerstören muss.
In einem Schwarzen Loch werden Materie und Energie in den Ereignishorizont hineingezogen. Beim Weißen Loch zeigte sich das entgegengesetzte Phänomen – die Ausstoßung von Energie und Materie. Es lässt alles hinaus, was sich in seinem Inneren befindet, aber hindert alles andere daran, hineinzugelangen.
Infolgedessen würde sich ständig energiereiches Material vor dem Antihorizont des Weißen Loches zusammenballen. Schicht um Schicht würde diesem Mantel hinzugefügt werden, bis das Weiße Loch von einem dichten Energieschild umgeben wäre. Man nennt es die „blaue Schicht“, da diese Energie durch die Schwerkraft wahrscheinlich zum blauen Ende des Lichtspektrums hin verschoben würde.( Eine Erscheinung, die sich aus der ART ergibt).
Da nach der ART die Materie dem Raum vorschreibt, wie er sich zu krümmen hat, wäre die Raumzeitregion in der Umgebung des Antihorizonts veranlasst, sich heftig zu verwerfen. Schließlich wäre sie so gekrümmt, dass der einstige Antihorizont zu einem echten Ereignishorizont eines Schwarzen Lochs geriete und von nun an alles Material - auch alle Lichtstrahlen - daran hinderte, das Gebilde zu verlassen, das einst ein kosmischer Geysir war.
Somit hätte sich das extrovertierte Weiße Loch in ein introvertiertes Schwarzes Loch verwandelt.
Sähe ein Beobachter in der Außenwelt diese Ereignisfolge, erschiene sie ihm höchst seltsam. Kaum dass ein Weißes Loch irgendwo im All auftauchte, zöge es sich auch schon wieder hinter einem Schwarzen Vorhang zurück. Je nach ihrer Masse verschwänden sie unterschiedlich schnell. Bei einem Weißen Loch mit zehn Sonnenmassen würde die Umwandlung in der Regel nicht einmal eine tausendstel Sekunde dauern; und selbst ein Weißes Loch, das eine Million Sonnenmassen besäße, würde nur etwas mehr als eine Minute lang überleben.
Wenn es Weiße Löcher in den Anfangsphasen des Universums gegeben hat, dann wäre es unwahrscheinlich, dass sie noch vorhanden sind; schon noch kurzer Zeit hätten sie sich alle in Schwarze Löcher verwandelt.
Selbst Weiße Löcher aus späteren Phasen wären schon lange auf ewig hinter Ereignishorizonten verschwunden.
Wurmlöcher – interstellare Korridore?
Das Konzept von Wurmlöchern, die verschiedene Regionen der Raumzeit miteinander verbinden, ist keine Erfindung von Science-Fiction-Autoren.
1935 haben Einstein und Nathan Rosen in einem Artikel nachgewiesen, dass nach der allgemeinen Relativitätstheorie „Brücken“ möglich sind – die wir heute „Wurmlöcher“ nennen.
Es gibt einige Lösungen der Gleichungen der ART, die es einem Astronauten ermöglichen könnten, die nackte Singularität zu erblicken. Er könnte aber beispielsweise das Zusammentreffen mit der Singularität verhindern, statt dessen durch ein „Wurmloch“ fallen und in einer anderen Region des Universums herauskommen.
Dies würde für die Reisen durch Zeit und Raum phantastische Möglichkeiten eröffnen.
Doch leider hat es den Anschein, als seien diese Lösungen alle hochgradig instabil. Die kleinste Störung, wie etwa die Anwesenheit eines Astronauten, kann sie verändern und dazu führen, dass der Astronaut die Singularität doch erst erblickt, wenn er mit ihr zusammentrifft und seine Zeit endet.
Die Einstein-Rosen-Brücken hätten eine extrem kurze Lebensdauer, so dass kein Raumschiff sie passieren könnte. Jedes Gefährt müsste an den Singularitäten scheitern, zu denen sich die Brücken verjüngern würden. Man hat allerdings die Vermutung geäußert, eine hochentwickelte Zivilisation könnte in der Lage sein, Wurmlöcher offen zuhalten.
Wie würde eine hochentwickelte Zivilisation befahrbare Wurmlöcher, die verschiedene Regionen der Raumzeit miteinander verbinden, herstellen?
Welche Voraussetzungen brauchte sie für die Konstruktion, für die Überwindung technischer Schwierigkeiten?
Wo würde sie die exotische Materie finden, die sie zur Herstellung des kosmischen Tores brauchte?
Grundlagen der Wurmkonstruktion: ( 1987 aufgestellt von Morris und Thorne)
Es gibt offenbar neun Voraussetzungen für befahrbare Wurmlöcher; Bedingungen, die erforderlich sind, um eine sichere Durchfahrt zu gewährleisten.
Gemeinsam liefern diese Regeln eine Basis für die Konstruktion kosmischer Tore.
1.Bedingung:
Ein Wurmloch muss statisch und sphärisch sein, d.h.: Form und Größe des Durchlasses dürfen sich im Laufe der Zeit nicht verändern; und sphärisch deshalb, um die Rechnungen zu vereinfachen.
2.
Bedingung:
Der kosmische Tunnel muss den Gleichungen der allgemeinen Relativitätstheorie gehorchen.
3. Bedingung:
Gestalt: das Wurmloch muss wie eine abgeflachte Sanduhr aussehen, mit zwei Becken, die durch einen engen Schlund oder eine „Passage“ miteinander verbunden sind. Jedoch ist das nur eine grobe Analogie, denn die tatsächliche „Wurmloch-Sanduhr“ müsste aus der Struktur der Raumzeit selbst geformt sein.
4.Bedingung:
Es darf keine Ereignishorizonte geben.
Da sie jedes Entkommen verhindern, würden Ereignishorizonte kosmische Verbindungen für Reisende nutzlos machen.
5. Bedingung:
Die Gravitationskräfte, die ein Passagier erfahren würde, sollten so gering wie möglich sein. Ideal wäre 1g (10m/s2), was der Gravitationsbeschleunigung der Erde entspräche. Niemand möchte doch wie ein Gummiband gestreckt werden.
6.
Bedingung:
Die Zeit der Reise darf für den Reisenden wie für die Menschen, die sie zurücklassen, nicht länger als ein Jahr dauern. Längere Reisen wären entweder gefährlich, ungesund oder langweilig. Man würde auch nicht durch ein Wurmloch reisen mögen, um dann bei seiner Rückkehr feststellen zu müssen, dass alle Leute, die man geliebt hat, gealtert oder gestorben sind.
7. Bedingung:
Es ist die schwierigste und betrifft die Herstellung des Wurmlochs. Wahrscheinlich ist eine neue, exotische Materieform notwendig.
Trotzdem hofft man, dass sich solche Bauwerke auch mit gewöhnlicher Materie herstellen lassen.
Gewöhnliche Materie besitzt eine positive Energiedichte und verleiht der Raumzeit deshalb eine positive Krümmung, wie sie die Oberfläche einer Kugel aufweist. Daher braucht man eine Raumzeitregion mit negativer Krümmung, wie die Oberfläche eines Sattels - also Materie mit negativer Energiedichte.
Exotische Materieform für den Bau von Wurmlöchern:
Ein Ort, an dem künftige Zivilisationen exotische Materie gewinnen könnten, ist die Nachbarschaft eines Schwarzen Loches. Hier müsste man, nahe des Ereignishorizonts, sozusagen lauern und die sich diesem Rand nähernden Teilchen mit negativer Energie einfangen, bevor sie absorbiert werden.
8.
Bedingung:
Das kosmische Tor muss auch unter dem Einfluss der Raumschiffmasse stabil bleiben. Der Gravitationseinfluss des Fahrzeugs darf beim Passieren des Wurmlochs nicht so stark sein, dass er das Loch zum Einsturz bringt.
9. Bedingung:
Der Bau eines Wurmlochs muss sich in einem vernünftigen Zeitraum bewältigen lassen, erheblich kürzer als das Alter des Universums, und darf nur eine Materiemenge beanspruchen, deutlich weniger als das Universum besitzt.
3.Dunkle Materie: Weshalb? Wieviel? Wo?
Die derzeit die von vielen Astrophysikern vertretene Hypothese geht davon aus, dass bei der Entstehung des Universums die Massendichte gleich der kritischen Dichte gewesen sein muss.
Aus der Zählung von Galaxien und der Ermittlung ihrer Masse versucht man die mittlere Dichte des Universums zu berechnen.
Man kann versuchen, die durchschnittliche Dichte des Universums aus Beobachtungsdaten zu schließen. Wenn man die Sterne zählt, die man sieht, und ihre Massen addiert, kommt man auf weniger als ein Prozent der kritischen Dichte. Selbst wenn man die Massen der Gaswolken hinzuzählt, die man in Universum beobachtet, erhält man insgesamt nur ungefähr ein Prozent der kritischen Dichte.
Wo könnte nun die „fehlende Masse“ versteckt sein?
Man weiß jedoch, dass das Universum sogenannte „Dunkle Materie“ enthalten muss.Dunkle Materie (DM) ist Materie, die wir nicht sehen, nicht im optischen Bereich oder im Radiobereich des Spektrums und auch nicht in einem anderen Bereich des elektromagnetischen Spektrums.
Aber gewisse Beobachtungsfakten deuten darauf, dass es viel mehr Materie geben muss als bekannt ist.
Doch wie kamen Astronomen zu einer derart merkwürdigen Hypothese?
Anfänglich gab es dafür zwei Gründe, die auf astronomische Beobachtungen und Erkenntnisse zurückgehen:
Signaturen in den großräumigen Bewegungen in der Milchstraße
2. Ideen über die Struktur des Universums
Beide der genannten Gründe hängen eindeutig mit Gravitation und Struktur des Raumes zusammen.
Um die Argumente für die Existenz der DM verständlich zu machen, müssen zunächst die Messmethoden der Astronomie erklärt werden:
Sternzählung und Dunkle Materie
Anfang des 20.Jh. wurden erneut genaue Zählungen von Sternen gemacht, um aus der räumlichen Verteilung die Struktur der Galaxis abzuleiten.
Insbesondere senkrecht zur Scheibe der Milchstraße ist das relativ einfach, da es in dieser Richtung im Allgemeinen wenig absorbierenden Staub gibt. Man sortiert die Sterne nach Helligkeit, und benutzt dann die Abschwächung des Sternlichtes nach der normalen Entfernungsregel (1/r2 mit r= Entfernung).
In Wirklichkeit aber geht das nicht so einfach, da Sterne unterschiedliche Lichtmengen abstrahlen. Man muss daher eine sogenannte Leuchtkraft-Funktion hineinrechnen, welche die Verteilung der Sterne in Helligkeitsintervallen angibt.
Trotz dieser und anderer Komplikationen führten solche Sternzählungen zu der Vermutung, dass die beobachtete Verteilung der Sterne senkrecht zur Scheibe eine größere durch Gravitation hervorgerufene Kraft erfordert, als man aus der Menge der bekannten Materie erklären konnte.
Schon 1932 berichtete Oorth über eine „Dunkle Scheibe“, ein Befund, der auch nach mehr als 50 Jahren und vielen ähnlichen Studien noch von vielen Astronomen für richtig gehalten wird.
Rotation unserer Galaxie und Dunkle Materie Galaxien rotieren um ihr Zentrum. Die Geschwindigkeit der Rotation sollte nach Kepler (wie in unserem Planetensystem) bis in große Entfernung vom Zentrum etwa wie r- O.5 abnehmen. Die Rotation der Milchstraße war schon lange aus den Bewegungen der Sterne in der Sonnenumgebung bekannt.
Die Entfernung der Sonne zum Zentrum der Milchstraße beträgt etwa 8.5 kpc (etwa 25 Millionen Lichtjahre) und die Umlaufgeschwindigkeit der Sonne um das Zentrum der Milchstraße etwa 220 - 250km/s.
Normalerweise sollte die Rotationsgeschwindigkeit nach außen in der Galaxie etwa wie r- O.5 abnehmen. Die Beobachtungen zeigen aber eine nach außen hin konstante Geschwindigkeit, die Rotationskurve ist flach. Eine flach bleibende Rotationskurve kann man verstehen, wenn die Galaxie mehr Masse enthält, als im Rotationsmodell berücksichtigt wurde. Aber für eine zusätzliche Masse gibt es sonst keinen Hinweis. Zählt man alle Massen zusammen, erhält man nicht genug Materie, die dieser gewaltigen Fliehkraft Paroli bieten kann.
Es muss also noch eine andere Form von Materie vorhanden sein.
Struktur und Bewegung in anderen Galaxien:
Bei anderen Galaxien hat man den Vorteil, sie komplett sehen zu können, aber den Nachteil, die Entfernungen nicht gut abschätzen zu können. Mit Hilfe der Radiosynthese-Teleskope (Gruppen gleicher Antennen, die zeitlich koordinierte Messungen durchführen) können von anderen Galaxien aber Rotationskurven gut gemessen werden. Diese Messungen reichen bis zum äußersten Rand der Scheibe des Wasserstoffgases. Solche Messungen zeigten auch bei anderen gashaltigen Spiralgalaxien flache Rotationskurven. Dort gibt es eindeutig Anlass, mehr Materie in die Modelle einzubeziehen als es sichtbare Materie gibt.
Eingeräumt werden muss, dass die Modellierung der Rotationskurven einiges an Freiraum lässt. So kennt man die sogenannten „maximum-disk“ Modelle, bei denen versucht wird, so weit wie möglich die Fehlerbereiche auszureizen, um alles mit bekanntem Scheibenmaterial zu erklären. Aber auch dann ergibt sich die Notwendigkeit der Dunklen Materie.
Spiralgalaxien: Das sind riesige pfannkuchenartige Ansammlungen von Sternen und Gas. Die Beobachtungen zeigen, dass sie um ihr Zentrum rotieren. Doch ihre Rotationsgeschwindigkeit ist so hoch, dass sie auseinander fliegen würden, enthielten sie nur die Sterne und Gase, die wir sehen können.
Es muss also irgendeine unsichtbare Form von Materie geben, deren Schwerkraft groß genug ist, um die Galaxien in ihrer Rotationsbewegung zusammenzuhalten.
Ein weiterer Hinweis stammt aus den
Galaxienhaufen
Man kann beobachten, dass Galaxien nicht gleichförmig im All verteilt sind, sondern sich zu Haufen anordnen, deren Umfang von wenigen bis zu Millionen Galaxien reicht. Wahrscheinlich haben sich diese Haufen gebildet, weil die Galaxien sich auf Grund ihrer Anziehungskraft zu solchen Gruppen zusammengeschlossen haben.
Die Gesamtmasse der Galaxien eines Galaxienhaufens kann aus den Bewegungen dieser Galaxien abgeleitet werden.
Dabei wird der Virialsatz angewendet.
Er besagt, dass die Summe der kinetischen Energie der Objekte einer gravitativ gebundenen Gruppe gleich der Hälfte der potentiellen Energie eines Systems sein muss.
Die potentielle Energie wird durch die Gesamtmasse des Systems gegeben, die summierte kinetische Energie ist aus den Geschwindigkeiten der Objekte im System zu berechnen.
Die Anwendung des Virialsatzes auf Daten einiger Galaxienhaufen ergab einen Faktor 10x mehr Masse als man an Hand der sichtbaren Objekte erklären konnte.
Mit Röntgensatelliten wurden ausgedehnte Röntgenstrahlung aus Himmelsgebieten um Galaxienhaufen festgestellt. Gas, das Röntgenstrahlen emittiert, muss sehr heiß sein, im Bereich von zehn Millionen Grad. Da solches Gas sehr dünn und sehr beweglich, andererseits in Galaxienhaufen gebunden ist, muss der Haufen eine sehr große Schwerkraft auf dieses Gas ausüben. Dies erlaubt eine Abschätzung der Gesamtmasse und aus diesen Analysen folgte auch: Dunkle Materie!
Große und massereiche Galaxienhaufen erzeugen (laut der allgemeinen Relativitätstheorie) eine lokale Raumkrümmung.
Sie bewirkt, dass Licht eines Hintergrundobjektes durch die Wirkung der Gravitation abgelenkt wird. Seit den 80er Jahren kennt man merkwürdige leuchtende Bögen in der Nähe von sehr massereichen Galaxien. Sie wurden als durch Gravitationslinsen erzeugte verzerrte Abbilder von Hintergrundgalaxien erkannt.
Theoretische Überlegungen erlauben, aus der Form und Lage der Bögen die Verteilung der Masse und die Gesamtmasse des Galaxienhaufens abzuleiten. Auch hier stellte sich heraus, dass weitaus mehr Masse (ein Faktor größer als 10) anwesend ist, als Astronomen an Hand des Lichts erklären können.
Die Menge der DM in Galaxien und Haufen, für die man eindeutige Anhaltspunkte hat, lässt sich ziemlich zuverlässig schätzen.
Mit dieser Schätzung liegt man allerdings erst bei ungefähr zehn Prozent der kritischen Dichte, die erforderlich ist, um das Universum wieder kollabieren zu lassen.
Wenn man sich also nur auf die Beobachtungsdaten stützt, müsste man vorhersagen, dass das Universum seine Expansion ewig fortsetzen wird.
Dunkle Materie, die sehr gleichförmig über das Universum verteilt ist, kann man nur an ihrem Einfluss auf die Expansion des Universums erkennen. Man kann bestimmen, wie rasch sich die Expansion verlangsamt, indem man die Geschwindigkeit misst, mit der ferne Galaxien von uns fortstreben.
Hypothesen zur Natur der Dunklen Materie
Es gibt sehr vielfältige Spekulationen über die Natur der Objekte, die zu dem Postulat der Dunklen Materie geführt haben.
Dabei muss man beachten, dass der Bedarf an DM in Galaxien geringer ist als der Bedarf an DM für das ganze Universum ( der kosmologische Bedarf) unter Berücksichtigung der großen Zwischenräume.
Es gibt drei Richtungen, in denen nach der Lösung des Problems der DM gesucht wird:
Gibt es „normale“ Materie, die das Problem löst?
Gibt es „exotische Materie, die das Problem löst?
Sind die Gesetze zur Schwerkraft nach Newton und Einstein unvollständig?
Zu 1) Baryonische Materie:
Anmerkung zu Baryonen:
Wir können die subatomaren Teilchen in drei Gruppen einteilen: Baryonen, Mesonen und Leptonen.
Die Leptonen (Elektron, Myon und Neutrino, „lepton“ bedeutet im Griechischen „leicht“ oder „klein“) spüren den Einfluss der Schwerkraft und den der schwachen und elektromagnetischen Kräfte.
Die Baryonen (Proton und Neutron) spüren alle Kräfte, besitzen aber mit der sogenannten Baryonenzahl eine Größe, die immer erhalten bleibt.
Die Mesonen (Pionen) spüren ebenfalls alle Kräfte, haben aber keine Baryonenzahl.
Die Kerne der Atome, aus denen alle Materie aufgebaut ist, der wir im Alltag begegnen, setzen sich hauptsächlich aus Protonen und Neutronen zusammen. Diese Teilchen sind Mitglieder einer Klasse, die Physiker „Baryonen“ (abgeleitet von dem griechischen Wort baryos=schwer) nennen.
Physiker meinen damit Materie der vertrauten Art – Materie, deren Atome Kerne haben, die aus Protonen und Neutronen bestehen.
Da wir von baryonischer Materie umgeben sind, liegt es nahe, sie als ersten Kandidaten für DM in Augenschein zu nehmen. Es ist zwar nicht auszuschließen, aber eher unwahrscheinlich, dass DM baryonisch ist.
Welche Formen könnte sie annehmen?
a) Braune Zwerge:
Wenn sich Sterne bilden, entstehen bevorzugt Sterne geringer Masse, denen es nicht gelingt, mehr als 0.08 Sonnenmassen anzusammeln, werden keine Kernfusion in ihrem Zentrum haben; sie werden daher nicht zum Stern Sie strahlen im Infrarotbereich aber doch Energie aus der Kontraktion ab. Solche Objekte nennt man „Braune Zwerge“.
Die Materiedichte ist aber nicht sehr groß. Sie sind allerdings geeignete Kandidaten für die Dunkle Materie, da sie einiges an Masse enthalten, dennoch kaum Strahlung abgeben und daher nahezu unsichtbar sind.
b) Kometen, Schneebälle und Planeten:
(Schneebälle: aus gefrorenem Wasserstoff oder Staubkörner von mikroskopischer bis planetarischer Größe)
Sie sind zwar schwer zu entdecken, jedoch würde man zu viele davon benötigen (Kollisionen), um die DM zu erklären.
Ein komplett aus baryonischer Materie aufgebautes Universum mit großräumigen Strukturen hätte eine wesentlich ungleichförmigere Hintergrundstrahlung. Da aber die Hintergrundstrahlung äußerst gleichförmig ist, muss folglich ein Teil der DM nichtbaryonisch sein.
Zu 2) Nicht baryonische Materie
Es wurde eine Vielfalt an Elementarteilchen zur Erklärung der DM vorgeschlagen.
Sie reicht von „normalen“ bis hin zu „exotischen“ Elementarteilchen. Meistens werden dann folgende genannt:
a) Neutrinos
(1956 entdeckt von Frederick Reines): Die Neutrinos sind die einzigen Kandidaten, deren Existenz bewiesen ist. Sie entstehen bei Kernfusionsprozessen. So sendet z.B. die Sonne einen Strom an Neutrinos aus (bei der Verschmelzung von Wasserstoff im Zentrum), und auch in „Super- Nova- Explosionen“ werden sie freigesetzt.
Um eine ungefähre Vorstellung von der gigantischen Anzahl der Neutrinos im Universum zu bekommen, gibt es eine Faustregel: Auf jede Kernreaktion, die jemals stattgefunden hat und gerade stattfindet, kommt ein Neutrino. Berechnungen deuten darauf hin, dass während des Urknalls annähernd eine Milliarde Neutrinos auf jedes Proton, Neutron und Elektron kam, und in dieser Zahl sind die später in Sternen produzierten Neutrinos noch nicht enthalten.
Nach herkömmlichen Theorien ist es ein Teilchen, das nur sehr schwach mit anderer Materie wechselwirkt. Es hat keine Masse und bewegt sich deshalb mit Lichtgeschwindigkeit fort. Dies würde bedeuten: Wenn das Neutrino masselos ist, übt es keine Schwerkraft aus. Stimmt die herkömmliche Theorie, wäre es also ziemlich egal, wie viele Neutrinos im Universum herumfliegen – Prozesse wie den Gravitationskollaps, der zu Galaxien oder anderen Strukturen führt, könnten sie dann nicht beeinflussen.
In den frühen achtziger Jahren jedoch wurden einige experimentelle Ergebnisse veröffentlicht, aus denen hervorgeht, das Neutrino könnte, entgegen den Beschränkungen der traditionellen Theorie, doch eine winzige Masse haben. Träfe dies zu, würde selbst diese geringe Masse, multipliziert mit der großen Anzahl von Neutrinos im Universum, ohne weiteres eine so große Neutrinogesamtmasse ergeben, dass die Massendichte ihren kritischen Wert erreichte.
Es gibt drei Arten von Neutrinos, die mit Hilfe der großen Beschleuniger entdeckt worden sind: Elektron-, Myon- und Tauneutrinos.
Aus gegenwärtiger Forschung an Neutrinos ergibt sich, dass deren Masse wohl zu klein ist, um die geforderte Menge an DM erklären zu können.
b)WIMPS ( weakly interacting massive particles)
(schwach wechselwirkende massive Teilchen)
z.B.
Axionen:
Das Axion ist ein sehr leichtes (aber vermutlich weitverbreitetes) Teilchen, das – vorausgesetzt, es existiert – ähnlich, wie die Hintergrundstrahlung das Universum durchdringen soll. Seine Masse wird auf weniger als ein Millionstel der Elektronenmasse geschätzt. Dunkle Materie würde dann aus Anhäufungen von Axionen oberhalb des allgemeinen Hintergrundniveaus bestehen.
z.B. Supersymmetrische Teilchen wie Photinos und Squarks:
Diese Teilchen werden von Theorien vorausgesagt, die alle Naturkräfte vereinheitlichen.
Sie bilden „Partner“, analog zu den uns vertrauten Teilchen, sind allerdings viel schwerer. Das Squark ist der supersymmetrische Partner des Quark, das Photino der Partner des Photons, und so weiter. Die leichtesten dieser Teilchen (vermutlich mindestens vierzigmal schwerer als das Proton) könnten die Dunkle Materie bilden.
Jedoch ist nicht eine einzige dieser sehr abstrakten Materieformen je in einem Labor gesichtet worden!!!!!!!!!
c) kosmische Strings:
Kosmische Strings sind lange, eindimensionale Objekte im Raum und sehr massiv. Auf der Erdoberfläche würde ein Stück String, das so lang wie der Durchmesser eines Atoms ist, eine Million Tonnen wiegen. Folglich eignen sie sich hervorragend dafür, im Verlauf der Bildung großräumiger Strukturen im Universum die Rolle der Dunklen Materie zu spielen.
Strings können als Nebenprodukt (ein Defekt, als das GUT- Einfrieren die Strings so gestaltete, wie Eis Strukturen auf einem zufrierenden Teich) des Einfrierungsprozesses gesehen werden, als das Universum 10-35 Sekunden alt war. Sie tragen auch keine elektrische Ladung, so dass sie nicht – wie gewöhnliche Teilchen – mit Strahlung wechselwirken. Sie üben Gravitationsanziehung aus und konnten im frühen Universum nicht durch Strahlendruck aufgelöst werden.
Als die gewöhnliche Materie nach und nach die verschiedenen Einfrierstadien durchlief, blieben die Strings im Hintergrund und entwickelten sich nach ihren eigenen Gesetzen. Während dieser Zeit übten sie Gravitationsanziehung auf die übrige Materie aus und verursachten dadurch deren Anhäufung zu Verdichtungen, die schließlich zu Galaxien wurden. Diese Ansammlungen von Materie um die Strings bestanden sowohl aus Dunkler als auch aus gewöhnlicher Materie, da beide Materiearten von der Gravitation beeinflusst werden.
Da ein String reine Energie ist, gibt er Gravitationswellen ab, solange bis er sich förmlich todgestrahlt hat und verschwindet.
Im Augenblick scheinen kosmische Strings in den Augen vieler Wissenschaftler die aussichtsreichste Möglichkeit zu bieten, das Problem der großräumigen Struktur des Universums zu lösen.
GUT: Der Grundgedanke der Grand Unified Theory besagt: Die starke Kernkraft wird schwächer bei hoher Energie. Dagegen werden die elektromagnetische Kraft und die schwache Wechselwirkung bei hoher Energie stärker. Bei einer gewissen, sehr hohen Energie, große Vereinheitlichungsenergie genannt, hätten alle diese drei Kräfte die gleiche Stärke und könnten sich als verschiedene Aspekte einer einzigen Kraft erweisen. Weiters wären bei dieser Energie die verschiedenen Materieteilchen mit dem Spin ½ wie zum Beispiel Quarks und Elektronen im wesentlichen dieselben, womit es zu einer weiteren Vereinheitlichung käme.
d) Schwarze Löcher:
Es ist denkbar, dass das frühe Universum einen sogenannten Phasenübergang durchlaufen hat. Das Kochen und Gefrieren von Wasser sind Beispiele für Phasenübergänge. Dabei entwickelt ein zunächst gleichförmiges Medium, wie Wasser Unregelmäßigkeiten (bei Wasser wären das Eisklumpen oder Dampfblasen). Diese Unregelmäßigkeiten könnten kollabieren und Schwarze Löcher bilden.
Siehe Schwarze Löcher !
zu 3) Ist die Dunkle Materie reell oder liegt ein Fehler in den Theorien vor?
Das Argument für Dunkle Materie aus der Kosmologie kann sehr deutlich abgeschwächt werden. Dies hängt mit der sogenannten kosmologischen Konstante zusammen.
Die Abstoßungswirkung der kosmologischen Konstanten sorgt dafür, dass das Universum mit ständig wachsender Geschwindigkeit expandiert.
Die 1915 aufgestellte allgemeine Relativitätstheorie sagte die Expansion des Universums voraus. Doch Einstein war so von der statischen Natur des Universums überzeugt, dass er seiner Theorie einen Term hinzufügte, um sie mit Newtons Theorie zu versöhnen und die Schwerkraft auszugleichen.
Die Gleichungen zur Beschreibung der Struktur des Universums enthalten nach Einstein auch ein Glied, in der ein Parameter „Lambda“ steckt. Dieser Parameter stellt die „Energiedichte des Vakuums“ dar. Sie bewirkt, dass das Universum expandieren kann, sowie die Beschleunigung der Expansion.
In den theoretischen Überlegungen des späteren 20 Jh. wurde diese kosmologische Konstante aus Bequemlichkeitsgründen (aber auch da Einstein sie öffentlich zurückgezogen hatte) gleich 0 gesetzt.
Inzwischen gibt es eine Reihe von Hinweisen dafür, dass „Lambda“ nicht gleich 0 ist. Es bedeutet gleichzeitig, dass der Bedarf an Dunkler Materie dadurch geringer wird. Einerseits könnte man sich gut vorstellen, dass das Universum mit einer normalen Materiedichte auskommt, dafür aber die kosmologische Konstante ziemlich bedeutsam sein muss. Dementsprechend müssen die Modelle für die Entwicklung des Universums ganz anders aufgezogen werden.
Andererseits wäre dies in Widerspruch zu den Hinweisen für DM aus der Homogenität der kosmischen Hintergrundstrahlung. Die dafür notwendige DM kann dann aber nicht aus „normalen“ Teilchen zusammengesetzt sein, sie muss „nichtbaryonischer“ Art sein.
Anpassung der Gravitationstheorie?
Die Menge der geforderten DM führt über Modelle zu einer Abschätzung der Raumdichte der DM in Galaxien. Die DM befindet sich wohl vorwiegend im sichtbaren Bereich der Galaxien und ist offenbar mit der Dichte der sichtbaren Materie korreliert. Die Raumdichte der DM verhält sich in Galaxien etwa proportional zu r-2.
Die Gesetze der Gravitation zeigen, dass die Anziehungskraft zweier Objekte proportional zu r-2 ist.
Eine stärkere Gravitation würde folgen, wenn der Exponent nicht den exakten Wert 2 hat, sondern etwas kleiner wäre (dies bedeutet eine Kraft, die über größere Entfernungen stärker ist als bei Newton). Über solche Änderungen der Gravitationsgesetze wird nachgedacht. Die Änderungen hätte aber weitreichende Konsequenzen, z.B. für die Struktur und Entwicklung der Sterne, oder auch für die Modelle der Struktur des ganzen Universums. Da die Gravitationsgesetze auf Newton zurückgehen, werden Theorien mit geänderten Gravitationsgesetzen dem Forschungsgebiet der „Modified Newtonian Dynamics“ (MOND) zugeordnet.
Schluss
Wir wissen nicht, warum das Weltall existiert. Wir wissen nicht, warum sich das Universum überhaupt auf dieses Abenteuer einließ und nicht schon vorher seiner Entwicklung ein Ende setzte. Wir wissen nicht einmal, warum ein Urknall überhaupt stattgefunden hat. Fragen dieser Art sind wie die Frage nach der Zeit vor dem Urknall sinnlos.
Von der Warte der objektiven Erkenntnis aus betrachtet, ist das Universum ohne Sinn - es ist absurd.
Niemand hat dies klarer erkannt als Albert Camus:
“ Aber in einem Universum, das plötzlich der Illusionen und des Lichts beraubt ist, fühlt sich der Mensch fremd.
Aus diesem Verstoßensein gibt es für ihn kein Entrinnen, weil er der Erinnerungen an eine verlorene Heimat oder der Hoffnung auf ein gelobtes Land beraubt ist. Dieser Zwiespalt zwischen dem Menschen und seinem Leben ist eigentlich das Gefühl der Absurdität. “
Quellenangabe:
Stephen W. Hawking: Einsteins Traum – Expeditionen an die Grenzen der Raumzeit (Verlag Rowohlt) und: Eine kurze Geschichte der Zeit (Verlag Rowohlt)
Stephen Hawking: Ein Wissenschaftler und sein Werk (Verlag Rowohlt)
Harald Fritsch: Die Welt zwischen Anfang und Ende (Serie Piper)
Paul Harpern: Löcher im All – Modelle für Reisen durch Zeit und Raum (Verlag Rowohlt)
John D. Barrow: Die Natur der Natur – Wissen an den Grenzen von Raum und Zeit (Verlag rororo)
James Trefil: Die Astrophysik der „Dunklen Materie“ (Verlag Rowohlt)
Anmerkungen zum Physikbuch
ALBERT EINSTEIN
Am Anfang der modernen Kosmologie stand Albert Einstein. Seine Theorien erlaubten den Wissenschaftlern erstmals, Hypothesen über die Entstehung und den Untergang des Kosmos mathematisch exakt zu formulieren.
In der Theorie, d. h. nach Einsteins Formeln, kann es kein in sich ruhendes Universum geben. Genauso wie ein Gas seine Form verändert, wenn man die Ballonhülle entfernt, müssen sich auch die Sterne und Galaxien bewegen -aufeinander zu oder voneinander weg. Es brauche keine geheimnisvollen Schwerkräfte, um die Massen im Raum zusammenzuziehen, sondern, so meinte Einstein, das Vorhandensein von Masse oder anderen Energieformen im Raum könne seine Geometrie verzerren.
An dem Erfolg, den die Einsteinsche Gravitationstheorie hatte, als sie die Expansion des Weltalls vorhersagte, ist besonders bemerkenswert, dass die Einsteinschen Gleichungen das Verhalten des Weltalls insgesamt und nicht nur das von einzelnen seiner Teile beschreiben.
Wenn wir wüssten, wie viel M
| Anmerkungen: |
| impressum | datenschutz
© Copyright Artikelpedia.com
