Referat Schwarze Löcher' - Eigenschaften Schwarzer Löcher

Schwarze Löcher'

1. Wie entstehen Schwarze Löcher?

2. Eigenschaften Schwarzer Löcher

3. Die Relativitätstheorie zum Verständnis des Folgenden

4. Hypothetischer Fall ins Schwarze Loch

5. Wie lässt sich ihre Existenz nachweisen?

6. Glossar

7. Quellenangaben

Einleitung

Es ist bekannt, dass Massen neben ihrer Trägheit und ihrer Gewichtskraft auch eine Gravitationskraft besitzen. Diese ist dabei

proportional zur Masse: Je schwerer der Körper, desto größer ist seine Anziehungskraft. Überall im Weltraum herrscht diese Kraft,

die den Mond (durch die Erde) ebenso wie die Erde (durch die Sonne) in seiner Bahn hält.

Eine Masse, die so groß ist, dass ihre Gravitation nicht einmal die fast masselosen Photonen (Lichtteilchen) entkommen lässt (-> 2.

), wird 'Schwarzes Loch' genannt.

1. Schwarze Löcher entstehen durch das Zusammenstürzen von riesigen Sternen.

Ein Stern entsteht, indem sich eine große Menge Gas, meistens Wasserstoff, infolge der Gravitation ansammelt und sich immer

weiter zusammenzieht. Der Innendruck wird dabei immer höher, weil die Gasatome im Inneren sich immer schneller bewegen,

voneinander abstoßen und Hitze erzeugen.

Wenn die Temperatur hoch genug ist, verschmilzt (fusioniert) Wasserstoff zu Helium. Die bei dieser Art 'kontrollierter

Wasserstoffbombenexplosion' freiwerdende Energie bringt den Stern zum Leuchten. Er ist normalerweise im Gleichgewicht

zwischen der Eigenanziehungskraft (Anziehungskraft oder Schwerkraft, die die Masse zusammenhält) und einem Gegendruck (nach

außen, durch einen thermischen Gegendruck hervorgerufen, den die heißen Teilchen im Kern auf die darüberliegenden kälteren

Schichten ausüben). Das ist vergleichbar mit einem Luftballon, bei dem sich die Ausdehnung durch die Luftdruck im Inneren und die

Spannung des Gummis, die den Ballon zusammenziehen will, in Balance halten.

Für Sterne, die ihren Brennstoff verbraucht haben, gibt es eine größtmögliche Masse (Chandrasekhar´scher Grenzwert, ca. 1,4-1,5

Sonnenmassen). Wird sie überschritten, stürzt der Stern aufgrund seiner eigenen Anziehungskraft der Masse in sich zusammen.

Wenn der Druck nach außen, hervorgerufen durch diese Abstoßung, sich ungefähr die Waage hält mit der Gravitation, die bestrebt

ist, den ausgebrannten Stern zusammenzuziehen, kann er lange Zeit stabil bleiben.

Im wesentlichen ist dies mit dem Prinzip eines Schnellkochtopfes zu vergleichen: Der heiße Wasserdampf im Topf mit kochendem

Wasser lässt den Innendruck im Topf steigen, weshalb der Stöpsel immer weiter herausgedrückt wird. Nimmt man den Topf von der

Herdplatte, sinkt der Druck wieder und verursacht, dass der Stöpsel sinkt (ähnlich wie beim Luftballon-Beispiel).

Zurück zu den Sternen: Sobald im Kern alle chemischen Verbrennungsvorgänge beendet worden sind, weil kein Brennstoff

(Wasserstoff) mehr vorhanden ist, nimmt der Druck nach außen hin ab.

Die Schwerkraft gewinnt dann die Überhand und zieht den Kernbereich zusammen: der Kern des Sterns kollabiert in sich. Diese

Kontraktion kann bei einer relativ kleinen Masse noch zum Stillstand kommen: Aus einen Stern von vorher Millionen von Kilometern

Durchmesser ist dann ein Neutronenstern oder ein Weißer Zwerg geworden. Der Weiße Zwerg kann eine Dichte von hunderten von

Tonnen pro cm³ haben, und einen Radius von einigen tausend Kilometern, wogegen der Neutronenstern eine Dichte von hunderten

von Millionen Tonnen pro cm³ bei einem Radius von nur 10-15 Kilometern besitzt! Er hält sich durch die Ausschließungskräfte

zwischen den Neutronen stabil, beim Weißen Zwerg sind es die Abstoßungskräfte der Elektronen.

Diese Sterne können lange Zeit weiter bestehen, wenn ihre Massen unter dem Chandrasekhar´schen Grenzwert bleiben.

Ausgebrannte Sterne allerdings, deren Masse über diesem Grenzwert liegt, stürzen immer weiter in sich zusammen, weil die

Abstoßungskräfte nicht unbeschränkt stark sind.

Solche Sterne werden beim Kollaps immer kleiner und dichter, die Masse bleibt dabei gleich. Theoretisch würden sie zu unendlicher

Dichte schrumpfen, woraus sich unerklärliche, unbegreifbare Schlußfolgerungen ergäben.

So ist schließlich ein 'Schwarzes Loch' entstanden.

2. Schwarze Löcher sind Objekte, deren Gravitation selbst das Licht nicht mehr entkommen lässt.

Diese Grenze des Schwarzen Loches, von da ab nicht einmal das Licht mehr entkommen kann, wird Ereignishorizont genannt.

Würde z.B. die Sonne zu einem Schwarzen Loch werden, entstünde eine Anziehungskraft (Gravitation), aus der innerhalb eines

Radius´ von 3 Kilometern (Schwarzschild-Radius) selbst das Licht nicht mehr entkommen könnte. Die Erde würde davon aber nicht

beeinflusst werden, weil die Anziehungskraft die gleiche bliebe und die Entfernung zur Sonne groß ist, als dass die Erde vom

Schwarzen Loch eingesaugt würde.

Schwarze Löcher rotieren oft mit unvorstellbaren Geschwindigkeiten.

Wie kann man sich vorstellen, dass Licht 'verschluckt' wird? Licht hat sowohl Eigenschaften wie ein Körper als auch Eigenschaften

einer Welle. Das wird 'Dualismus von Welle und Korpuskel (Körper)' genannt. Wirft man z.B. einen Ball in die Luft, kommt er nach

einiger Zeit zurück, je nachdem mit wieviel Kraft man ihn geworfen hat. Wenn man ihn aber mit einer Geschwindigkeit von ca.

12 km/s in die Luft schießen würde, dann würde er die Erdgravitation überwinden und immer weiter ins All fliegen, da ihn die

Gravitation nicht mehr erreichen würde. (-> Einleitung)

Es gibt nun auch eine Masse, die groß genug ist, eine Gravitation hervorzurufen, dass selbst die höchstmögliche Geschwindigkeit,

die Lichtgeschwindigkeit von 300 000 km/s nicht reicht, um das Licht (Ball) aus der Gravitation entkommen zu lassen. Man kann

diese Masse theoretisch auch ausrechnen, es ist kleinste Masse eines Schwarzen Loches.

Stephen W. Hawking, ein bekannter Forscher und Mathematiker der modernen Physik, glaubt allerdings, eine Strahlung gefunden

zu haben, die von einem Schwarzen Loch ausgeht. Er meint, jedes Schwarze Loch emittiere Gammastrahlen und Röntgenstrahlen

in erheblichem Maße.

Massen, so klein sie auch sein mögen, können aber wegen ihrer Trägheit nie die Lichtgeschwindigkeit erreichen, denn dazu bedürfte

es einer unendlichen Energie. Die aufzuwendende Energie wächst nämlich exponentiell, es ist also einfacher, einen Körper von 100

auf 200 km/h zu beschleunigen, als von 100.000 auf 100.100 km/s .

Auch wenn ein Stern zu einem Schwarzen Loch zusammengestürzt ist, besitzt er immer noch die gleiche Anziehungskraft und die

gleiche Masse, nur auf einem extrem kleinen Raum, fast einem Punkt.

3. Ein Grundsatz: 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.

Hierzu gibt es eine Formel von Albert Einstein, mit der man berechnen kann, wie lang eine Sekunde für bewegte Körper, relativ zu

ruhenden Objekten ist, nämlich:

1 - v ² (v = Eigengeschwindigkeit)

c ² (c = Lichtgeschwindigkeit)

(Jetzt kann man 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.

4. Hypothetischer Fall in ein Schwarzes Loch, veranschaulicht am Beispiel eines 'Schwarzen Tunnels'

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.

5. Es gibt viele Indizien für die Existenz von Schwarzen Löchern.

So wurden spiralförmige Galaxien beobachtet, die sich unvorstellbar schnell drehen, obwohl sie durch die Zentrifugalkraft hinaus ins

All geschleudert werden müssten. Deshalb muss im Zentrum ein Objekt mit einer riesigen Masse sein, das die Galaxie auf ihrer

Bahn hält. Astrophysiker sind sich einig, dass es sich hierbei um ein sogenanntes Schwarzes Loch handelt, weil absolut kein Licht

von ihm abgestrahlt wird, sondern verschluckt wird. Direkt kann man ihm nicht auf die Spur kommen, weil es weder sichtbar ist,

noch eine andere Strahlung (außer der eventuell vorhandenen Hawking-Strahlung) emittiert.

Den Sternen, die um solch ein unsichtbares Objekt rotieren, kann man auch auf die Spur kommen, indem man den sogenannten

Doppler-Effekt berücksichtigt. Dabei mißt man die Rot- bzw. Blauverschiebung des Lichtes (->Glossar).

Licht ist eine Strahlung, die sich in Wellen fortsetzt, und zwar mit einer sehr hohen Frequenz: von 400 000 Billionen bis 700 000

Billionen Wellenzyklen in einer Sekunde. Das menschliche Auge nimmt die unterschiedlichen Frequenzen als Farben von rot

(niedrige Frequenz) bis blau (hohe Freq.) wahr.

Jeder Stern sendet nun Licht in Richtung der Erde aus. Bewegt er sich von der Erde fort, werden die Lichtwellen quasi in die Länge

gezerrt, wodurch das Licht röter erscheint. Kommt er auf die Erde zu, stauchen sich die Lichtwellen zusammen, also erscheint das

Licht blauer.

(Jeder kennt diesen Effekt, wenn ein Feuerwehrauto mit Sirene vorbeifährt. Beim Näherkommen schwillt der Ton an, beim Wegfahren

wird er wieder niedriger. Der Schall ist nämlich nur 300 m/s schnell, sodass sich die Eigengeschwindigkeit stärker auf die

Verschiebung der Wellen auswirkt als beim Licht.)

Hiermit zeigte auch der amerikanische Astronom Edwin Hubble 1924, dass sich fast alle Galaxien von uns fortbewegen, weil er bei

den meisten Galaxien eine Rotverschiebung entdeckte.

6. Glossar

Ausschließungsprinzip, Pauli´sches:

Die Abstoßung der Materieteilchen voneinander im Inneren eines Sterns. Sie folgt aus der Tatsache, dass zwei identische Teilchen

nicht die gleiche Geschwindigkeit und Position haben können. Außerdem sagt die Heisenberg´sche Unschärferelation aus, dass

man nicht die Geschwindigkeit und die Position eines Teilchen gleichzeitig genau feststellen kann. Je genauer man eine Größe

kennt, desto ungenauer wird die andere, sodass weder die Geschwindigkeit noch die Position gleichzeitig Null sein können.

Schwarzschild-Radius/Ereignishorizont:

Die Grenze eines Schwarzen Loches, von da ab das Licht nicht mehr entweichen kann. Sie wurde von Karl Schwarzschild kurz

nach der Postulierung der Relativitätstheorie endeckt.

Singularität:

Ein Punkt in der Raumzeit mit unendlicher Raumzeitkrümmung und unendlicher Gravitation. Jedes Schwarze Loch besitzt eine

Singularität.

7. Quellenangaben

-> Joseph Schwartz & Michael McGuiness: 'Einstein für Anfänger', Rowohlt

Taschenbuch Verlag, Hamburg, Dezember 1979

-> Stephen W. Hawking: 'Eine kurze Geschichte der Zeit', Rowohlt

Taschenbuch Verlag, Hamburg, April 1991

-> Internet-Quellen:

- https://members.lol.li/twostone/geometri.html

- https://www.astro.unibas.ch/~krona/Lisa/Stern/stern_sl.html

- https://www.borg-graz.ac.at/~hallein/2fbaaue.htm

- https://rhein-zeitung.de/old/97/01/17/topnews/blackholes.html

https://www1.arcs.ac.at/baa/infserv/astro/stsci/pr/97/01/A.html

Schwarze Löcher

Der Begriff 'Black Hole' wurde von John Archibald Wheeler (geb. 1911), Mitarbeiter und Nachfolger von Albert Einstein in Princeton,

Mitte der 60iger Jahre geprägt, ist also relativ jung. Doch bereits lange vorher haben John Michel (1724-1793) und Pierre Simon de

Laplace (1749-1827) vermutet, daß es Sterne geben könnte, die so 'schwer' seien, daß nicht einmal das Licht sie verlassen könne.

Sie stützten sich bei ihren Berechnungen auf das Gravitationsgesetz von Newton und seine Theorie, daß Licht aus Korpuskeln

besteht.

Der erste, der die Größe eines Schwarzen Loches exakt berechnet hat, war Karl Schwarzschild, ehemals Direktor der Sternwarten

in Göttingen und Potsdam. Wenige Monate nachdem Einstein seine Gravitationstheorie, die Allgemeine Relativitätstheorie nämlich,

veröffentlicht hatte, lieferte Schwarzschild die ersten Lösungen der Einstein-Gleichungen. Schwarzschild war einer der

hervorragendsten und vielseitigsten Astrophysiker unseres Jahrhunderts. Im Alter von 43 Jahren starb er infolge eines Kriegsleidens.

Was ist ein Schwarzes Loch?

Schwarzschild berechnete den Radius einer kugelförmigen Masse, bei dem die Entweichgeschwindigkeit an der Oberfläche gleich

der Lichtgeschwindigkeit wird. Nach seinem Entdecker spricht man heute vom Schwarzschildradius. Die Entweichgeschwindigkeit

gibt an, wie schnell sich ein Himmelskörper entfernen muß, um sein Gravitationsfeld zu entfliehen. Auf der Erdoberfläche beträgt ihr

Wert 11.2 km/s. Wird ein Gegenstand mit der Geschwindigkeit von 11.2 km/s in die Höhe geschossen, dann verläßt er für immer die

Erde. Der Wert der Entweichgeschwindigkeit hängt von der Masse und dem Radius des jeweiligen Himmelskörpers ab. Je größer

die Masse und je kleiner dabei der Radius, desto höher wird die erforderliche Geschwindigkeit, um zu entfliehen. Hätte

beispielsweise die Erde bei gleicher Masse nur den halben Durchmesser, dann müßte man 15.8 km/s statt 11.2 km/s erreichen, um

zum Mond zu fliegen. Ist M die Masse und r der Radius eines Himmelskörpers, so ergibt sich die Entweichgeschwindigkeit v e aus

der Beziehung: v e =

Dabei ist G die universelle Newton'sche Gravitationskonstante( G = 6.672 10 -11 m 3 kg -1 s -2 ). Bei einer vorgegebenen Masse also

nimmt die Entweichgeschwindigkeit mit abnehmendem Radius zu. Für jede Masse kann man somit einen Radius angeben, bei dem

die Entweichgeschwindigkeit gleich der Lichtgeschwindigkeit( c = 300000 km/s) wird. Dieser Radius wird, wie schon erwähnt

Schwarzschildradius ( R s ) oder Gravitationsradius genannt. Er errechnet sich aus obiger Gleichung, wenn man v e = c setzt zu:

R s = 2 G M/c 2

Da G und c universell gültige Naturkonstanten sind, so besagt diese Gleichung, daß der Schwarzschildradius proportional der

Masse ist und allein von ihr bestimmt wird. Die Proportionalitätskonstante 2 G/c2 = k hat den Zahlenwert k = 1.5 10-27 m/kg. Gibt

man die Masse jedoch in Einheiten der Sonnenmasse an und den Radius in km, so wird k = 3km/Mo, eine leicht zu merkende Zahl.

Würde danach die Sonne auf eine Kugel von nur 6 km Durchmesser schrumpfen, so betrüge die Entweichgeschwindigkeit an ihrer

Oberfläche 300000 km/s, also die Lichtgeschwindigkeit. Kein Lichtstrahl, keine elektromagnetische Welle, kein Teilchen könnte

dann noch die Sonnenoberfläche mehr verlassen, die Sonne wäre zu einem Schwarzen Loch geworden. Bei Antares, der

zehnfache Sonnenmasse aufweist, beträgt der Schwarzschildradius 30 km, bei der Erde ist der Schwarzschildradius nur 9 Millimeter

groß. Die Erde müßte man auf die Größe einer Kirsche zusammenquetschen, um aus ihr ein Schwarzes Loch werden zu lassen. In

den Zentren von Galaxien vermutet man supermassereiche schwarze Löcher. Ein Schwarzes Loch von einer Million Sonnenmassen

hat dabei einen Schwarzschildradius von drei Millionen km, dies ist mehr als der doppelte Sonnendurchmesser.

Wie entsteht ein Schwarzes Loch ?

Zunächst sei erwähnt, daß die Existenz von Schwarzen Löchern fast zwingend aus der Kopplung von Masse und

Raumzeitkrümmung folgt. Berechnet man nämlich den Sternaufbau eines Sterns mit den neuen relativistischen Gleichungen, dann

zeigt sich, daß es eine obere Grenzmasse für einen stabilen Stern gibt. Erreicht ein Stern diese Masse, etwa durch langsames

Aufsammeln der Materie, die ein Begleitstern an ihn abgibt, dann kann die zusätzliche Gewichtslast nicht mehr durch einen

entsprechenden Druckanstieg kompensiert werden. Der Druck im Sterninneren wird reduziert durch den Effekt der Zeitdilatation,

welche die Bewegung der Elementarteilchen weiter innen im Stern langsamer erscheinen läßt und damit einem effektiv geringerem

Druck entspricht. Der Stern muß dann einen umso stärkeren Druck aufbauen, damit er sein Gewicht tragen kann. Weil sich die

Schallwellen maximal mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten können, kann der Druck nicht unendlich ansteigen. Ist die Grenzmasse

für einen stabilen Stern erreicht, dann ist die Zeitdilatation im Zentrum unendlich und damit der Druck Null. Dabei ist es gleichgültig

aus welchem Stoff der Stern besteht. Die Folge ist, daß der Stern in sich zusammenstürzt, und wir kennen keine Kraft, die

verhindern könnte, daß der Stern immer kleiner und dichter wird, bis er schließlich nur noch ein Punkt im Raum ist. Dieser Punkt

hätte dann nur noch zwei Eigenschaften: den Schwarzschildradius und einen Drehimpuls.

Eine andere Entstehungsmöglichkeit hat zwar denselben Ausgang, aber einen anderen Anfang. Hierbei betrachten wir den Vorgang,

den ein Stern am existieren erhält, die Kernfusion. Erlischt am Ende eines Sternenlebens das Atomfeuer, so läßt der innere Druck

gewaltig nach, der Stern bricht auf eine vergleichsweise kleine Kugel von Erdgröße zusammen. Die Sternmasse wird dabei

ungeheuer dicht zusammengepreßt, auf einen Kubikzentimeter kommen mehrere Tonnen Materie. Solche Sternleichen nennt man

Weiße Zwerge. Aber auch diese besitzen eine Massengrenze. Das nächste Stadium eines Weißen Zwerges ist der Neutronenstern,

der sogenannte Pulsar. Doch auch für Neutronensterne gibt es eine obere Massengrenze. Wenn die Masse eines Neutronensterns

3.2 Sonnenmassen übersteigt, kann selbst der Druck des entarteten Neutronengas der Gravitation das Gleichgewicht halten. Bei

mehr als 3.2 Sonnenmassen bricht das Himmelsobjekt vollständig zusammen - es kommt zu einem Gravitationskollaps. Diese

Massenobergrenze wird Oppenheimer - Vollkoff - Grenze genannt nach den beiden Physikern, die sie zuerst berechnet haben.

Sobald die Sternenkugel bei ihrem Kollaps den Schwarzschild - Radius erreicht beziehungsweise unterschritten hat, ist der

Kollapsar für den Beobachter zu einem Schwarzen Loch geworden. Dies kann jedoch auch auf direktem Weg geschehen, wenn eine

Supernova mit mehr als 2.5 Sonnenmassen kollabiert. (siehe Folie)

Eventuelle Nachweise für Schwarze Löcher

Wie kann man prüfen, ob es tatsächlich Schwarze Löcher im Kosmos gibt? Sie strahlen nicht, weder sichtbares Licht noch

Radiowellen, noch sonstige Informationsträger können die Oberfläche eines Schwarzen Loches verlassen. Der kosmische Zensor

verhindert dies. Es gibt jedoch Methoden, auf indirektem Wege auf die Existenz Schwarzer Löcher zu schließen.

Es gibt enge Doppelsternsysteme, die eine intensive Röntgenstrahlung aussenden. Die Energie, die dabei abgestrahlt wird, übertrifft

gelegentlich der Größenordnung nach zehntausend Sonnenleuchtkräfte. Dabei flackern manche Röntgenquellen in Bruchteilen von

Sekunden. Nur winzige, aber massereiche Objekte können eine solch intensive, extrem kurzfristig variierende Röntgenstrahlung

aussenden.

Ist ein Schwarzes Loch Partner in einem engen Doppelsternsystem, so kann es vorkommen, daß Materie vom normalen Stern im

Laufe seiner Entwicklung auf das Schwarze Loch stürzt. Dabei wird beim Sturz von Gasmassen aus der Atmosphäre eines

normalen Sterns auf den kollabierenden Begleiter intensives Röntgenlicht erzeugt. Die Gasströme fallen dabei nicht direkt vom

normalen Stern auf den Kollapsar, da das System um einen gemeinsamen Schwerpunkt rotiert, wobei der Gesamtdrehimpuls

erhalten bleibt. Daher laufen die Gasströme in einer Spiralbahn auf den kollabierenden Partner zu, es bildet sich gewissermaßen ein

Strudel. Um das Schwarze Loch kreist eine Scheibe aus heißem Gas, auch Akkretionsscheibe genannt. Kollisionen zwischen den

Gasatomen führen zur Aufheizung dieser Scheibe auf mehrere Millionen Grad. Beim Sturz in ein Schwarzes Loch flammt die in

Spiralbahnen einfallende Materie daher im Röntgenlicht auf. Um zu entscheiden, ob der zusammengebrochene Partner ein

Neutronenstern oder ein Schwarzes Loch ist, muß seine Masse ermittelt werden. Sie kann aus der Bahngeschwindigkeit der

Komponenten abgeleitet werden oder mit der Hilfe von Radialgeschwindigkeitsmessungen im infraroten Spektralbereich an extrem

zentrumsnahen Sternen berechnet werden.

Eigenschaften Schwarzer Löcher

Schwarze Löcher sind seltsame Gebilde. Sie bestehen fast ausschließlich aus leerem Raum. In ihrem Zentrum befindet sich die

mysteriöse Singularität, von der heute niemand weiß, wie sie aussieht. Die Oberfläche eines Schwarzen Loches wird durch den

Schwarzschildradius definiert. Doch im Gegensatz zu einem Weißen Zwerg oder Neutronenstern hat ein Schwarzes Loch keine

feste Oberfläche oder eine Art Grenzschicht, sondern am Ereignishorizont wird lediglich das Gravitationspotential so groß, daß die

Entweichgeschwindigkeit gleich der Lichtgeschwindigkeit wird. Bildhaft können wir uns vorstellen, daß der Raum selbst auf das Loch

zufällt und dabei gedehnt wird. Rotiert das Loch, muß auch der Raum mehr und mehr um das Loch rotieren. Das Loch ähnelt also

einem Wasserstrudel, dem ein Schiff nicht mehr entkommen kann, wenn das Wasser schneller auf den Strudel zuläuft, als das

Schiff Fahrt aufnehmen kann. Der Horizont, der bei einem nicht rotierenden Loch genau einen Schwarzschildradius vom Loch

entfernt ist, stellt die unsichtbare Grenze dar, von der ab ein Raumschiff dem Loch nicht mehr entkommen kann. Wir stellen uns vor,

der Raum bewegt sich mit Lichtgeschwindigkeit durch den Horizont auf das Loch zu. Das Raumschiff kann also, selbst wenn es

sich mit Lichtgeschwindigkeit vom Raum wegbewegt, allenfalls seine Position behaupten. Da nichts vom Loch herauskommen kann,

können wir auch durch keine Beobachtung etwas über das Innere des Lochs erfahren. Denken wir uns noch im jeden Punkt des

Raumes eine fest angebrachte Uhr, dann würden wir feststellen, daß alle Uhren unterschiedlich schnell ticken: sie laufen umso

langsamer, je näher sie sich beim Schwarzen Loch befinden. Ein in sicherer Entfernung postierter Beobachter wird das Raumschiff

langsamer und dabei immer röter und dunkler werdend auf den Horizont zusteuern sehen, während der Pilot im Raumschiff nichts

besonderes verspüren wird, wenn er den Horizont durchfliegt. Der Pilot würde vielmehr merkwürdige Veränderungen am Himmel

beobachten: Sterne entstehen und vergehen in immer schnellerer Folge, während ihre Spektren zu immer höheren Frequenzen

verschoben werden. Viel Zeit hat er nicht, dieses Spektakel zu beobachten, dann wird er schon von der Anziehungskraft des

Schwarzen Loches in einzelne Atome gerissen.

Theorien über schwarze Löcher

Einführung:

Albert Einstein war eine der ersten, der sich mit schwarzen Löchern 'unabsichtlich' beschäftigte. Als er im November

des Jahres 1916 seine berühmte Formel veröffentlichte, schickte der deutsche Astronom und Mathematiker Karl

Schwarzschild direkt von der Kriegsfront eine Lösung dieser Gleichung an Einstein. Sie besagte, einen einsamen Stern

mitten in einem All voller Leere. Seine Lösung beschrieb genau die Raum-Zeitstruktur um den Stern herum. Mit diesem

Ergebnis war Einsteín sehr zufrieden. Doch diese eine Sache, die ihn später dann auch sein ganzes Leben beschäftigte,

war, daß in Schwarzschilds Formel eine Entfernung vom Zentrum des Sternes, innerhalb der Physik Amok lief. Alles

kehrte sich um:

Raum wurde zur Zeit und floß unerbittlich auf ein Ziel zu; Zeit wurde zu Raum und damit 'begehbar'; die Fliehkraft

wirkte plötzlich nach innen; und so weiter

Es schien, als ob in Einsteins Formel ein Anti-Universum versteckt sei.

Immerhin war es sehr unwahrscheinlich, daß der Radius (Schwarzschildradius genannt nach seinem Erfinder) jemals

unterschritten würde.

Zurück

Wenn man sich die Erde anschaut:

Sie (Wichtig ist die Masse und das Gewicht) würde auf 1 cm schrumpfen, was nie passieren könnte. Der

Schwarzschildradius der Sonne würde bei 3 km liegen. Aber wie sieht es bei Sternen aus? Sie sind aus ziemlich wenig

fester Masse, sozusagen aus aufgeblasener Luft.

Könnte es nicht sein, daß Sterne aus unbekannten Gründen zusammensacken würde und sich somit innerhalb eines

Schwarzschildradius versteckt?

Einstein, der Zauberer, hatte die Geister gerufen, die er nicht mehr haben wollte und die er nicht mehr loswurde.

Archibald John Wheeler war es, der diese mit Hilfe des Hubble-Teleskopes einige hervorragende Bilder machte und

diese Objekte 'Schwarze Löcher' nannte.

Zurück

Wie kann man 'ein schwarzes Loch definieren'?

Es ist das am genauesten erforschte theoretische Gebilde der Menschheit.

Die beste Charakteristik lieferte der italienische Dichter Dante Alighieri, der als Eingführung über das Reich der Hölle

(des Infernos) geschrieben hatte:

'Ihr, die ihr hier eintretet, laßt alle Hoffnung fahren.'

Sollte sich mal in der Zukunft ein Raumfahrer zu nahe an ein schwarzes Loch trauen, kann er beruhigt sein Gebet

sprechen. Denn hat er erst einmal den Schwarzschildradius überschritten, ist alle Hilfe zu spät. Er wird unaufhörlich in

Richtung Zentrum getrieben. Im Zentrum wird alle zerquetscht.

Zurück

Nur zur Verdeutlichung:

Würde unsere Erde in ein solches schwarzes Loch gezogen worden, wäre sie im Zentrum nur noch ungefähr einen

Stecknadelkopf groß. Sie würde dort nie wieder auftauchen.

Warum es gerade schwarzes Loch heißt, wird deutlich, wenn man die Lichtstrahlen sich vorstellt, die an

einem solchen schwarzen Loch vobei wollen. Nicht einmal sie können sich gegen die Anziehungskräfte

des schwarzen Loches wehren. Auch sie werden verschluckt. Auf immer und ewig.

Natürlich gibt es nicht nur das eine schwarze Loch. Es gibt sehr verschiedene Arten. Zuallererst müssen

wir sie in der Größe unterscheiden. Die Kleinsten sind nich größer als Elementarteilchen sind und die

Größten sind so groß wie eine Galaxie. Im Zentrum unserer Galaxie wird auch ein schwarzes Loch

vermutet. Es hätte eine Masse von mehreren Millionen Sonnen und einen Durchmesser von einigen

Lichtjahren. Das könnten wir auch eines Tages mal besuchen.

Zurück

Wie kann ein solches schwarzes Loch entstehen?

Auch dies ist nicht schwer vorzustellen. Vorher habe ich scho einmal von einem erloschenen Stern geschrieben. Doch

jetzt möchte ich dies nochmal verdeutlichen:

Ein Stern ist eine Sonne, die strahlt (sonst würden wir sie ja schließlich nicht sehen). Aber wie wir es aus der Physik

kennen, kann nichts für immer Energie ausstrahlen. Normalerweise steht Schwerkraft und Strahlendruck im

Gleichgewicht. Wenn der Stern dann aufhört zu leuchten, ist das Gleichgewicht gestört, da nur noch die Schwerkraft

wirkt. Das hat zufolge, daß der Stern zusammensackt. Die Materie wird so zusammengepreßt, bis sie unendlich klein ist,

also auf einen Punkt zusammenschrumpft. Zur gleichen Zeit bläht sich der unsichtbare Horizont auf. -Ein schwarzes

Loch entsteht-

Es wird immer mehr Materie schlucken und damit umso größer werden. Es wird unaufhaltsam die Umgebung

auffressen.

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Weitere Theorien: (Der Gegenspieler)

Theorien besagen auch, daß ein schwarzes Loch gleich einem Wurm kommt. Es hätte einen Gegenspieler, das

sogenannte weiße Loch. Durch dieses würde dann alles vor dem schwarzen Loch gespiegelt werden. Uns würde es

somit 2mal geben

Eine andere Theorie sagt, daß das schwarze Loch leicht für Zeitreisen geeignet wäre. Denn wenn man durch ein

schwarzes Loch fliegen könnte (ohne zerquetscht zu werden-versteht sich) würde a) die Zeit viel langsamer vergehen

und b) Man würde auf einem einigermaßen sicheren Weg in eine andere Galaxie kommen. So wäre auch der Weg für die

Außerirdischen zu uns beschrieben: Immer im Rohr bleiben, bis sie in unserer Galaxie rauskommen und dann in

Richtung Rand der Galaxie fliegen, an der Magellanischen Wolke vorbei, immer gerade aus und: là voila.

Ein Beweiß dieser Theorie ist die Kerr-Singularität, welche nach Roy Kerr benannt wurde. Er hatte herausgefunden, daß

die Singularität im Inneren, also der Ort, wo die Materie zerdrückt wird in Wirklichkeit ein Ring ist, da das schwarze Loch

rotiert, wie es der damalige Stern auch getan hat. Falls es einem Raumfahrer gelingen würde, sich geschickt

durchzumanövrieren, dann wäre die oben genannte Theorie bewiesen.

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Schlußwort:

Wichtig zum Schluß ist noch, daß:

Wenn man sich einem schwarzen Loch nähert, wird die Zeit auch langsamer. Theoretisch würde die Zeit ganz nah am

Rand eines schwarzen Loches fast gar nicht vergehen.

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