Referat Schwarze Löcher und Raum-Zeit Krümmung - Was ist ein Schwarzes Loch?

Schwarze Löcher und Raum-Zeit Krümmung

Was ist ein Schwarzes Loch?

Ein Himmelskörper mit einem so starken Gravitationsfeld, dass sich nichts, nicht einmal elektromagnetische Strahlung, von ihm entfernen kann. Schwarze Löcher sind von einer kugelförmigen Grenze umgeben, die als Ereignishorizont bezeichnet wird. Durch diesen Horizont kann Licht ein-, aber nicht austreten; er erscheint daher völlig schwarz. Ein solches Feld kann zu einem Himmelskörper mit hoher Dichte und relativ kleiner Masse (kleiner oder gleich der Masse der Sonne) gehören, der zu einem sehr kleinen Volumen verdichtet ist; oder zu einem Himmelskörper mit geringer Dichte und sehr großer Masse, wie z. B. einer Ansammlung von Millionen von Sternen im Zentrum einer Galaxie.

Wie Entsteht ein Schwarzes Loch?

Schwarze Löcher entstehen möglicherweise im Verlauf einer Sternentwicklung. Wenn nukleare Brennstoffe im Kern eines Sternes erschöpft sind, ist der Druck in Verbindung mit der Wärme, die sie erzeugen, nicht länger in der Lage, der Kontraktion des Kernes zu immer höheren Dichten zu widerstehen. Zwei neue Arten von Druck entstehen bei Dichten, die eine Million bzw. eine Billiarde (10¹⁵) mal größer als die von Wasser sind, und ein kompakter Weißer Zwerg oder ein Neutronenstern können entstehen. Wenn die Kernmasse jedoch mehr als das 1,7fache der Sonnenmasse beträgt, reicht keiner dieser Drücke aus, um den Kollaps zu einem Schwarzen Loch zu verhindern.

Arten von Schwarzen Löchern:

Allg.: Alle Schwarzen Löcher haben die gleiche Grundstruktur: ein Ereignishorizont umgibt die Singularität im Zentrum, aber es gibt verschiedene Arten:  Stationäre (Schwarzschildloch), Rotierende (Reissner- Nordstrom-Loch) und Elektrisch geladene (Kerr Loch). Außerdem unterscheidet man sie nach ihrer Masse: Winzige (so groß wie ein Atom und so schwer wie ein Berg), Mittelgroße (etliche Sonnenmassen schwer, einige km Durchmesser) und Supermassive ( viele Milliarden Sonnenmassen, Größe vieler Sonnensysteme).

Ereignishorizont: Die Entfernung zwischen der Singularität (dem ,Kern' des Loches) und dem Ende des sog. Schwarzschildradius, ab dem es kein Entkommen mehr gibt, selbst wenn die Triebwerke eines Raumschiffs unendlich große Leistung hätten.     

Wurmloch: Es wäre möglich, dass ein Schwarzes Loch sich mit einem anderen verbindet und somit ein Wurmloch, eine Abkürzung durch Raum und Zeit bietet.

Fluchtgeschwindigkeit: Jeder Himmelskörper hat ein Gravitationsfeld. Für ein Raumschiff bedeutet
dies, dass es eine bestimmte Geschwindigkeit - die sogenannte Fluchtgeschwindigkeit - aufbringen muss, um dieser Anziehungskraft zu entkommen. Sterne verfügen über ein viel stärkeres Gravitationsfeld, weswegen Schiffe eine weit höhere Fluchtgeschwindigkeit ereichen müssen. Im frühen 20 Jahrhundert erkannte Albert Einstein, dass nichts schneller ist als Lichtgeschwindigkeit und dass somit niemals etwas von einer schwarzen Sonne entkommen kann. Später entwickelte Einstein seine Allgemeine Relativitätstheorie, in der er die Idee einer schwarzen Sonne zu dem ausarbeitete, was noch zu seiner Zeit als schwarzes Loch bekannt.

Beschleunigung: Schwerkraft wird gewöhnlich in Form der Beschleunigung gemessen, die die Kraft einem Körper auf der Erde verleiht. Am Aquator beträgt die Erdbeschleunigung 977,99 Zentimeter pro Sekunde zum Quadrat, an den Polen ist sie über 983 Zentimeter pro Sekunde zum Quadrat groß. Der internationale Einheitswert für die Erdbeschleunigung beträgt 980,665 Zentimeter pro Sekunde zum Quadrat. So erhöht bei Nichtbeachtung des Luftwiderstands ein frei fallender Körper mit jeder Sekunde des Falles, seine Geschwindigkeit um 980,665 Zentimeter pro Sekunde. Die offensichtliche Abwesenheit von gravitationsbedingter Anziehung auf Raumflügen wird als Schwerelosigkeit oder Mikroschwerkraft bezeichnet.

Theorien:

Es wird angenommen, dass unser Universum durch ein supermassives Schwarzes Loch entstanden ist

Das Universum expandiert bis zu einem bestimmten Zeitpunkt ab dem es sich wieder zusammenzieht bis zum Kollaps; die ganze Masse des Universums ist auf einen Punkt konzentriert und es entsteht ein neuer Big Bang

Schwarze Löcher befinden sich im Hof, also in der Mitte einer Galaxie und nehmen 90% der Masse der Galaxie ein, der sogenannten schwarzen Masse

Gravitationswellen: sind Störungen in einem Gravitationsfeld, die sich mit Lichtgeschwindigkeit im Raum ausbreiten. So wie zeitlich veränderliche elektrische oder magnetische Felder elektromagnetische Wellen erzeugen, gehen von zeitlich veränderlichen Gravitationsfeldern Gravitationswellen aus. Diese entstehen vor allem dann, wenn eine große Masse sehr schnell bewegt wird oder wenn sich die Dichte dieser Masse verändert. Die Energie einer Gravitationswelle wird durch Gravitationsquanten, die so genannten Gravitonen, transportiert. Der experimentelle Nachweis für Gravitationswellen konnte bis jetzt noch nicht erbracht werden. Jedoch lassen insbesondere neuere astronomische Beobachtungen die Schlussfolgerung auf die Existenz derartiger Wellen zu. Der Begriff Gravitationswelle ist seit Albert Einstein in der Physik geläufig. Nach Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie wird Licht auf seinem Weg durch die Raumzeit-Welt durch ein zeitlich veränderliches Gravitationsfeld um einen bestimmten Winkel abgelenkt (siehe Gravitationslinse). Ursache hierfür ist die ablenkende Masse, von der das Gravitationsfeld und die Gravitationswellen ausgehen. Heute kennt man mehr als 17 Objekte im Weltraum, bei denen sich dieses Phänomen beobachten lässt. Nach neueren Erkenntnissen in der Astronomie erzeugen Ereignisse, wie z. B. Supernova- Ausbrüche oder das Zusammenfallen von zwei Sternen in ein Schwarzes Loch, Eigenschwingungen, die durch die ebenfalls entstehenden Gravitationswellen gedämpft werden. Gravitationswellen müssen von dem System, in dem sie entstehen, Energie wegbefördern.

Relativitätstheorie: physikalische Theorie über die Struktur von Raum und Zeit.. Die Relativitätstheorie wurde von Albert Einstein begründet und bildet zusammen mit der Quantentheorie einen Grundpfeiler der modernen Physik. Sie erklärt u. a. das dynamische Verhalten von Teilchen bei hohen Geschwindigkeiten. Man unterscheidet zwischen spezieller und allgemeiner Relativitätstheorie.

Die Spezielle Relativitätstheorie: Hauptaussagen der speziellen Relativitätstheorie:
Die Naturgesetze sind in allen unbeschleunigten Bezugssystemen, die sich also gleichförmig und geradlinig bewegen, gleich. Es müssen somit alle Bezugssysteme als gleichfertig angesehen werden. Weiters ist es unmöglich festzustellen, ob ein Himmelskörper sich bewegt oder ob er im Universum stationär ist.
Die zweite wichtige Aussage ist, dass die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum einen konstanten Wert annimmt, der unabhängig von der Geschwindigkeit der Quelle und des Beobachters ist.

Die Allgemeine Relativitätstheorie: Nach 1915 wollte Einstein eine weitere Unvereinbarkeit zwischen seiner Speziellen Relativitätstheorie und den Aussagen Newtons zu untersuchen: Laut Newton breitete sich die Gravitationskraft mit sofortiger Wirkung, also schneller als das Licht, aus. Dies widerspricht aber Einsteins Theorie. Die allgemeine Relativitätstheorie wurde 1915 veröffentlicht, die sich mit den gegenseitigen Relativbewegungen von Körpern, die eine Beschleunigung erfahren, erfasst. Er entwickelte diese Theorie, um die erkennbaren Widersprüche zwischen den Gesetzen der Relativität und denen der Gravitation zu klären. Er entwickelte einen neuen Ansatz zur Betrachtung der Gravitation auf Grundlage des Aquivalenzprinzips.

Stephen Hawking:
Stephen Hawking wurde am 8.Jänner 1942 in Oxford, England geboren. Eigentlich wollte er Mathematik studieren, da es an dem College aber nicht möglich war, entschied er sich für Physik.
Trotz seiner schweren Krankheit die sich amyotrophe Lateralsklerose nennt und die ihn seit über 20 Jahren an den Rollstuhl fesselt setzt er sich immer noch unermüdlich für die Forschung ein. Es ist ihm auch nicht möglich, seine Gedanken niederzuschreiben, weil er seine Hände nicht mehr ausreichend bewegen kann. Darüber hinaus kann er sich nach einer Kehlkopfoperation nur noch mit Hilfe eines Computers verständigen. Zusammen mit Roger Panrose zeigte er das Einsteins Theorie von Raum und Zeit mit dem Urknall beginnt und in schwarzen Löchern endet. Bei einer Vereinigung von Allgemeiner Relativitätstheorie und Quantenmechanik wäre ein wichtiger Schritt in Richtung allumfassende Theorie getan.
Seine Bücher: "A Brief History of Time" "Black Holes and Baby Universes and Other Essays"
Quellen: Internet, Max Planck Institut, Encarta, verschiedene Bücher