Referat Wie so vieles im Weltall

Wie so vieles im Weltall interressieren sich die Menschen für die sogenannten schwarzen Löcher. Ihren Namen verdanken sie

ihre Eigenschaft alles zu verschlucken, auch das Licht. Daher kann man schwarze Löcher direkt nicht sehen, sondern nur durch

die Auswirkungen welche sie auf die umliegende Materie haben, erkennen. Sie wird einfach 'verschluckt'.

Schwarze Löcher wurden erstmals von dem englischen Geologen John Mitchell

'entdeckt', und zwar vor zweihundert Jahren. Er stellte die Theorie auf, daß es

möglich sei, daß Gravitation so stark sein könnte, daß wirklich nichts - nicht

einmal Licht - ihr entfliehen könnte. Für ein solches Phänomen müßte ein Objekt

sehr dicht sein. Mitchell nannte diese Objekte 'dunkle Sterne'. 1916 errechnete

Karl Schwarzschild eine Gleichung zu Gravitationsfeldern, indem er Einsteins

Gleichung zur einheitlichen Feldtheorie benutzte. Seine Kalkulationen nennt man

heute eine Schwarzschild Singularität.

Wissenschaftler glauben heute, daß eine solche Singularität im Zentrum eines

Schwarzen Loches liegt. John Wheeler benannte 1960 erstmals ein solches

Phänomen als ein Schwarzes Loch.

Wie entsteht aber ein Schwarzes Loch? Man nimmt an, daß sie sich von Sternen oder anderen massiven Objekten bilden,

wenn diese kollabieren und sich zu einer Singularität verformen. Das Objekt müßte die dreifache Masse unserer Sonne haben.

Es würde durch die eigene Gravitation kollabieren und ein Schwarzes Loch formen. In dem Schwarzen Loch befände sich eine

Singularität. Als solches bezeichnet man ein Objekt, welches ein Volumen von Null hat, jedoch auch eine unendliche Dichte.

Könnte man zu einem schwrzen Loch fliegen? Würde man versuchen, ein Schwarzes Loch mit einem Raumschiff zu erreichen,

würde es der Besatzung erscheinen, als würde sie, je näher sie dem Ereignishorizont käme, langsamer reisen. Es gäbe jedoch

keine Warnung für die Besatzung, ab wann man sich im Bann des Schwarzen Loches befände. Man könnte gewarnt werden,

daß dort ein Ereignishorizont ist, jedoch nicht, wo er sich befindet.

Für einen Beobachter außerhalb würde das Raumschiff stoppen, für die Besatzung würde die Zeit jedoch normal vergehen. Der

Beobachter sähe das Raumschiff, wie es sich orange und rot verfärbt und letztendlich dann verschwindet, doch wo und wie

genau es verschwand, könnte man trotz allem nicht sagen.

Und nun stellen Sie sich vor, sie würden in ein Schwarzes Loch reisen. Zuerst würden Sie nichts Ungewöhnliches bemerken,

außer vielleicht, daß Sie eigentlich nur in eine Richtung sehen können, nämlich auf das unsichtbare Schwarze Loch zu. Sie

würden nicht wissen, wann Sie den Ereignishorizont passiert hätten und sie würden auch nicht bemerken, daß Sie von den

Kräften in einem Schwarzen Loch länger und länger gezogen würden, von den Seiten zusammengedrückt. Leider würden Sie

das nicht lange überleben, was eigentlich schade ist, denn Theoretiker nehmen an, daß in einem Schwarzen Loch Raum und

Zeit vermischt sind. Sie könnten dann Zeitreisen unternehmen oder zu verschiedenen Plätzen ('Wurmlöcher' [kennen wir ja von

Star Trek]) reisen. Aber auch nur, wenn Sie die extreme Gravitation in einem Schwarzen Loch überleben könnten.

www.gwdg.de/~unolte/AVG/lexikon/Weltall/black_hole.html

Das Weltall

Zahlen, Fakten, Daten

Schwarze Löcher

Zeichnung eins rotierenden Schwarzes Lochs.

Man beachte die Akkretionsscheibe sowie den Jet.

Eine der aufregendsten Vorhersagen der Einsteinschen Relativitätstheorie ist die Existenz

von Schwarzen Löchern, in denen die Gravitationskräfte so groß werden, dass selbst

Teilchen, die sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegen, nicht entweichen können. Man

unterscheidet zwei Klassen von Schwarzen Löchern: stellare und primordiale

('urzeitliche') Schwarze Löcher.

Ein stellares Schwarzes Loch ist ein Raumgebiet, in das ein Stern oder eine

Ansammlung von Sternen oder anderer Körper kollabiert ist und aus dem weder Licht,

Materie oder irgendeine Art von Signal entweichen kann. Es gibt für die Endphasen der

Sternentwicklung zwei kritische Massegrenzen: Wenn ein Stern die

Chandrasekhar-Grenze von 1,4 Sonnenmassen überschreitet, kann er nicht zu einem

Weißen Zwerg werden, sondern endet wahrscheinlich als Neutronenstern. Bei 3,2

Sonnenmassen überschreitet er die Oppenheimer-Volkhoff-Grenze dabei kann weder

der Elektonen- noch der Neutronendruck einen erneuten Kollaps aufhalten. Die

Gravitation überwiegt alle anderen Kräfte: Es entsteht ein Schwarzes Loch.

Theoretisch unterscheidet man rotierende und nicht-rotierende Schwarze Löcher. Man

geht davon aus, dass in der Natur Schwarze Löcher wirklich rotieren. Nichtrotierende

heißen Schwarzschildsche Schwarze Löcher, während die rotierenden nach

Kerr-Newman benannt sind.

Der Radius Rs eines nicht-rotierenden Schwarzschildschen Schwarzen Loches kann

berechnet werden, indem man die Masse M des kollabierenden Körpers mit der

doppelten Gravitationskonstenten G multipliziert und das Ergebis durch das Quadrat der

Lichtgeschwindigkeit im Vakuum (c) dividiert:

Rs= 2 GM/c².

Unterschreitet ein Stern diesen Radius, beherrscht die Gravitation alle anderen Kräfte:

dieser Radius definiert die Oberfläche - auch Ereignishorizont genannt - des Schwarzen

Loches. Nur das Gebiet am und außerhalb des Ereignishorizonts ist für einen äußeren

Beobachter von Bedeutung. Ereignisse innerhalb des Horizonts können niemals die

Außenwelt beeinflussen. Die Sonne z.B. müsste auf einen Radius von 2,95 km

kollabieren, um zu einem Schwarzen Loch zu werden, die Erde auf 0,89 cm. Es gibt

keine untere Grenze für den Radius eines Schwarzen Loches. Einige der primordialen

Schwarzen Löcher können mikroskopisch klein sein.

Bei der Entstehung eines stellaren Schwarzen Loches kann der Ereignishorizont zunächst

bizarr verzerrt sein und rasch schwingen. Innerhalb eines Sekundenbruchteils nimmt

jedoch der Horizont eine einzigartige glatte Form an. Der Ereignishorizont eines

Kerr-Newmanschen Schwarzen Loches ist nicht kreisförmig, sondern an den Polen

abgeplattet (so, wie die Erde an den Polen aufgrund ihrer Rotation abgeplattet ist).

Das Schicksal der Materie, die innerhalb des Ereignishorizonts gelangt, hängt davon ab,

ob der Stern rotiert oder nicht. Bei einem kollabierenden aber nicht rotierenden Stern,

der sphärisch symmetrisch ist, wird die Materie in der Singularität im Zentrum des

Loches durch unendlich große Gravitationskräfte auf null Volumen und unendlich große

Dichte zusammengedrückt. An der Singularität verliert die physikalische Theorie ihre

Gültigkeit. Bei einem rotierenden Kerrschen Schwarzen Loch kann die Singularität

jedoch umgangen werden. Rotierende Schwarze Löcher sind fantastische Objekte für

Spekulationen über Zeitreisen in andere Universen. Wenn ein Stern bei seinem Kollaps

den kritischen Ereignishorizont unterschreitet, muss seine Dichte nicht unbedingt sehr

hoch sein; sie könnte sogar geringer als die Dichte von Wasser sein! Dies folgt aus der

Tatsache, dass die Dichte eines Körpers proportional ist zu seiner Masse, dividiert

durch Radius hoch drei Der Radius eines Schwarzen Loches ist, wie wir oben gesehen

haben, proportional zu seiner Masse. Aus diesen beiden Tatsachen folgt, dass die

Dichte, bei der sich ein Schwarzes Loch bildet, umgekehrt proportional zum Quadrat

der Masse ist (Schwarzschild-Grenze).

Man stelle sich ein supermassives Schwarzes Loch vor mit einer Masse zwischen

10.000 und 100 Millionen Sonnenmassen. Solche Schwarzen Löcher befinden sich

möglicherweise in den Zentren bestimmter aktiver Galaxien. Eine kollabierende Masse

dieser Größenordnung würde das Stadium eines Schwarzen Loches erreichen, wenn

ihre mittlere Dichte ungefähr so groß ist wie die von Wasser! Würde eine ganze Galaxie

kollabieren, wäre die Dichte beim Überschreiten des Ereignishorizonts geringer als die

von Luft! Ein Schwarzes Loch kann man nur durch die Einflüsse seines

Gravitationsfeldes auf die umgebende Materie und/oder auf die Ausbreitung der

Strahlung in seiner Nachbarschaft entdecken.

Schwarze Löcher können als Röntgenquellen in Doppelsternsystemen erscheinen

(Röntgen-Doppelsterne). Das Schwarze Loch selbst ist natürlich auch in einem solchen

System unsichtbar, doch das Gas, das von dem Begleitstern in das Schwarze Loch

strömt (Akkretion), kann Röntgenstrahlen aussenden. Bei der Identifikation einer

Röntgenquelle mit einem optischen Objekt sucht man zunächst nach einem

spektroskopischen Doppelstern (d.h. nach einem Stern, dessen Spektrallinien eine

Doppler-Verschiebung aufweisen, die auf einen unsichtbaren Begleiter schließen lässt).

Durch entsprechende Beobachtungen muss dann nachgewiesen werden, dass es sich bei

dem unsichtbaren Begleiter tatsächlich um ein kompaktes Objekt handelt und nicht z.B.

um einen Roten Riesen, der vom helleren Stern überstrahlt wird. Darüber hinaus muss

die für das unsichtbare Objekt abgeleitete Masse so groß sein, dass es sich nicht um

einen Weißen Zwerg oder Neutronenstern handeln kann.

Den vielversprechendsten Kandidaten für ein Schwarzes Loch stellt die Röntgenquelle

Cygnus X-1 dar. An der Position dieser Röntgenquelle liegt der spektroskopische

Doppelstern HDE 226868, dessen Periode 5,6 Tage beträgt. Man vermutet, dass die

beobachteten Daten nur durch ein Modell erklärt werden können, bei dem Materie von

einem verformten Stern in ein Schwarzes Loch von etwa 8 Sonnenmassen strömt. Nach

diesem Modell stammen die im optischen Spektrum nachgewiesenen Emissionslinien des

Wasserstoffs und ionisierten Heliums von der 'Brücke' zwischen den beiden Objekten,

während die Röntgenstrahlung von Materie herrührt, die das Schwarze Loch zunächst

umkreist und dann in ihm verschwindet. Beobachtete Schwankungen der Lichtintensität

würden dann auf der durch das Schwarze Loch bei der Rotation um das gemeinsame

Gravitationszentrum verursachten gravitativen Verformung des hellen blauen Überriesen

HDE 226868 beruhen. Ein weiterer möglicher Kandidat ist LMC X-3, die dritte

Röntgenquelle, die in den Großen Magellanschen Wolke entdeckt wurde.

Das Interesse am gravitativen Kollaps war durch die Entdeckung der Quasare mit ihrer

offensichtlich enormen Energieabstrahlung stark gestiegen. Es wurde die Hypothese

aufgestellt, dass durch Akkretion von Materie auf ein großes zentrales Schwarzes Loch

Quasare entstehen könnten.

Dann gibt es noch das Missing mass-Problem: Die beobachtete Materiedichte im

Weltraum ist viel geringer als der theoretisch berechnete Wert, der nötig ist, um das

Weltall 'geschlossen' zu machen. Vielleicht liegt zumindest ein Teil dieser 'fehlenden'

Masse in Form von Schwarzen Löchern vor.

Nicht alle Schwarzen Löcher entstehen durch den Kollaps eines Sterns. In der

Frühgeschichte unseres expandierenden Urknall-Universums könnten einige Gebiete so

komprimiert worden sein, dass sie gravitativ kollabierten und ein sogenanntes

primordiales Schwarzes Loch bildeten. Für sehr kleine Schwarze Löcher dieser Art

werden quantenmechanische Effekte sehr wichtig. Man kann zeigen, dass ein solches

Schwarzes Loch eben nicht völlig schwarz ist, sondern Strahlung stetig durch den

Ereignishorizont nach außen 'tunneln' kann (Hawking-Strahlung). Dies könnte dazu

führen, dass das Schwarze Loch verdampft! (Für 'konventionelle', größere Schwarze

Löcher sind sind Quanteneffekte nicht von Bedeutung.) Primordiale Schwarze Löcher

könnten also sehr heiß sein und von außen wie 'Weiße Löcher' aussehen, die die

Zeitumkehr von Schwarzen Löchern darstellen. Mit den Worten eines der

bedeutendsten Kosmologen unserer Zeit, Stephen Hawking, ausgedrückt:

'(Quantenmechanische) Schwarze Löcher verhalten sich in einer völlig zufälligen und

zeitsymmetrischen Weise und sind für einen äußeren Beobachter nicht von Weißen

Löchern unterscheidbar.'

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HTML kodiert von Uwe Nolte. Letzte Anderung: 22.12.1998

Das Schwarze Loch

Ein Referat von M.Sem.

Inhalt:

Was ist ein Schwarzes Loch

Die Enstehung eines schwarzen Lochs

Erklärung der zum Verständnis nötigen Teile der Relativitätstheorie

Eigenschaften eines Schwarzen Lochs

Der Fall ins Schwarze Loch

Ende eines Schwarzen Lochs

Nachweise und Sichtungen Schwarzer Löcher

Sonderfall Wurmloch

Was ist ein Schwarzes Loch

Ein schwarzes Loch ist ein implodierter Stern. Es ist ein Objekt mit der Masse des Sterns allerdings mit einer derart

veringerten Ausdehnung, so daß die Entweichungsgeschwindigkeit (jene v, die ein Körper aufbringen muß um, daß

Gravitationsfeld eines anderen Objekts zu überwinden) größer als c sein muß. Laut der Allgemeinen Relativitätstheorie

kann kein Körper sich mit v>c bewegen. Daraus folgt, daß nichts, das Licht eingeschlossen, das Gravitationsfeld dieses

Körpers überwinden kann. Das Wirkungsfeld eines Schwarzen Lochs wird durch den Schwarzschildradius angegeben.

Jedem Teilchen innerhalb dieses Umkreises ist es unmöglich ihn wieder zu verlassen. Auch elektromagnetische Strahlen

können ein schwarzes Loch nicht verlassen.

Die Entstehung eines schwarzen Lochs

2 Möglichkeiten:

1.ein schw. Loch entsteht beim Ableben eines Sternes mit einer Masse über 3 Sonnenmassen. Im normalen Zustand

besteht ein Gleichgewicht zwischen der Eigengravitation und dem Innendruck (thermischer Druck, den die heißen

Teilchen im Inneren auf die äußeren, kälteren Teilchen ausüben). Ist der Brennstoff (H) verbraucht erkalten die inneren

Teilchen und der Druck nimmt ab. Dadurch gewinnt die nach innen wirkende Gravitationskraft die Oberhand und der

Stern kollabiert. Der Stern wird bei gleichbleibender Masse immer kleiner und kleiner, theoretisch würde er dabei

unendliche Dichte erlangen. Ein schwarzes Loch ist entstanden. Nur bei Sternen über 3 Sonnenmassen entsteht ein

Schwarzes Loch, bei kleineren würde ein weißer Zwerg bzw. ein Neutronenstern entstehen.

2.Hierbei folgt die Existenz eines schwarzen Lochs zwingend aus der Kopplung von Masse und Raumzeitkrümmung.

Berechnet man den Sternaufbau eines Sterns mit den Formeln der Relativitätstheorie ergibt sich eine obere Grenzmasse.

Erreicht ein Stern langsam diese Masse kann die Gewichtslast nicht mehr durch einen entsprechenden Druckanstieg

kompensiert werden Durch die Zeitdilation, die Bewegung der Elementarteilchen erscheinen tief im Inneren langsamer

und der effektive Druck wird geringer, wird der Druck im Sterninneren reduziert. Der Stern müßte nun einen immer

stärkeren Druck aufbauen. Da sich die Schallwellen maximal mit c fortbewegen können, kann p nicht ins Unendliche

ansteigen. Ist eine Grenzmasse erreicht wird die Zeitdilletion unendlich und der Innendruck somit 0. Der Stern wird

dadurch immer kleiner und kleiner. Er wird zum schwarzen Loch.

Relativitätstheorie (zum Verständnis):

Zeit und Raum sind relativ, die Lichtgeschwindigkeit ist absolut und begrenzt

(ca. 300.000 km/s).

Was auf den ersten Blick nicht sonderbar erscheint, ist bei genauerer Betrachtung ein Paradoxon. Es bedeutet nämlich: je

schneller sich ein Körper bewegt, desto langsamer vergeht für ihn (relativ) die Zeit. Der zweite Teil des Grundsatzes sagt

aus, dass zwei Lichtstrahlen, die aneinander mit 300 000 km/s vorbeirasen, relativ zueinander eben nicht die

Geschwindigkeit von 600 000 km/s besitzen. Deshalb ist auch für alle Beobachter die Lichtgeschwindigkeit gleich, egal

wie schnell sie sich selbst bewegen, sondern die Zeit und der Raum sind relativ. Diese Relativität der Zeit ist der Kern

von Albert Einsteins Relativitätstheorie. Einstein fasste in der berühmtesten Formel des 20. Jahrhunderts zusammen: E =

mc², also Energie eines Körpers = Masse x Lichtgeschwindigkeit². Die gesamte moderne Physik stützt sich darauf.

Raum und Zeit existieren nicht getrennt, sondern zusammen als Raumzeit. Der gesamte (Welt-)raum wird durch

Gravitationskräfte gekrümmt. Ein Modell zur Raumzeit: Der gesamte Weltraum lässt sich zweidimensional mit einer

gespannten Plane aus Gummi vergleichen. Die dritte Dimension, also die Tiefe, ist bei diesem Modell die Zeit. Überall

darauf verstreut liegen Kugeln (=Massen mit Gravitationskräften), die Senken in die Plane drücken. Deshalb wird dieser

Effekt, durch den Massen die Raumzeit krümmen, Raumzeitkrümmung genannt. Die Relativitätstheorie ist aber nur eine

abstrakte Theorie , die versucht, den Weltraum und alles, was damit zusammenhängt, besser verstehen zu können, die

aber meistens nicht direkt durch Anschauung wie bei Newton (Mechanik) beweisbar ist. Auf der anderen Seite findet

man viele Indizien für die Gültigkeit der Theorie. So wurden zwei sehr genau gehende Uhren verglichen, eine war mit

einem Düsenjet geflogen, die andere stand auf der Erde. Die Uhr im Düsenjet ging etwas nach, womit praktisch

bewiesen wurde, dass bei höherer Geschwindigkeit die Eigenzeit langsamer geht. Newton hatte 1670 definiert, dass die

Trägheit der Masse unabhängig von ihrer Geschwindigkeit sei, sodass ein Körper theoretisch unendlich schnell werden

konnte. 6 Jahre nach ihm versuchte ein gewisser O. Roemer die Lichtgeschwindigkeit zu messen, allerdings nicht sehr

genau: Er kam auf 226 869 km/s. Zur Veranschaulichung der Relativitätstheorie: Nehmen wir an, ein Eisenbahnwagen

bewegt sich mit Lichtgeschwindigkeit (was wegen dessen Masse und Trägheit praktisch unmöglich ist), und in der Mitte

des Wagens befindet sich eine Lichtquelle, die Lichtstrahlen sowohl rückwärts als auch vorwärts aussenden kann.

Weiterhin sollen die vordere und hintere Tür jeweils von dem Lichtstrahl geöffnet werden können. Von dem Beobachter

im Zug aus gesehen, öffnen sich beide Türen gleich schnell, weil der Weg für beide Lichtstrahlen im Zug gleich ist (halbe

Länge des Wagens). Für den Beobachter außerhalb des Zuges, also auf dem Bahndamm, öffnet sich aber die hintere Tür

früher, da das Licht, von außen gesehen, eine kürzere Strecke zurücklegen muss, weil die Geschwindigkeit des Zuges

noch dazugerechnet werden muss. Wie ist das möglich, wenn die Lichtgeschwindigkeit die höchstmögliche

Geschwindigkeit ist und alle Beobachter die gleiche Geschwindigkeit messen müssen, egal wie schnell sie sich selbst

bewegen? Geschwindigkeit wird mit Weg durch Zeit oder v = s / t beschrieben. Eine ruhende Person stellt fest, dass das

Licht in einer Sekunde 300 000 km zurücklegt. Wenn sich eine Person aber bewegt, geht ihre Zeit langsamer, sodass für

die sich bewegende Person das Licht in etwas mehr als einer Sekunde eine größere Strecke zurücklegt. Bei einer

Geschwindigkeit von 1 000 km/s müßte das Licht, das von diesem Körper ausgesendet wird, von einem

außenstehenden Beobachter mit 301 000 km/s gemessen werden. Das ist aber nicht möglich ist, weil nichts schneller als

das Licht sein kann. Daher muss die Zeit für den Beobachter um soviel langsam laufen, dass er genau die gleiche

Lichtgeschwindigkeit misst. Ein Beispiel: Eine Rakete düst mit 30 000 km/s durch den Weltraum. An ihrer Spitze ist ein

Laser angebracht, der Licht nach vorne aussendet. Ein Beobachter in der Rakete mißt in einer Sekunde, dass dieser

Lichtstrahl 300 000 km zurücklegt. Nun kommt das Raumschiff an einem (ruhenden) Planeten vorbei, auf dem eine

Person ebenfalls die Geschwindigkeit des Laserstrahls misst. Sie würde eigentlich feststellen: v = 330 000 km (300 000

+ 30 000) / s. Das ist unmöglich, also müssen für diese Person auf dem Planeten 1,1 Sekunden vergehen, wenn für den

Raumfahrer 1 Sekunde vergeht: 330 000 km/1,1 s = 300 000 km/s. (Man kann z.B. ausrechnen, wie lang eine Sekunde

ist, wenn man mit einem Raketenauto mit Tempo 1200 über die Autobahn rast: 1,00000000000185 s. Das zeigt, dass

für irdische Verhältnisse diese Zeitveränderung nur marginale Auswirkungen hat. Je mehr man sich aber der

Lichtgeschwindigkeit nähert, desto stärker wird die Zeitdifferenz, bis schließlich bei Lichtgeschwindigkeit keine Zeit mehr

existiert.) Das alles ist schwer vorstellbar, wenn man die Geschwindigkeiten auf der Erde als Bezug sieht. Zwei Autos,

die mit 100 km/h frontal gegeneinander fahren, haben schließlich die gleiche Aufprallwucht wie ein Auto, das mit 200

km/h gegen eine Wand fährt, aber diese mechanischen Gesetze von Newton gelten nicht mehr uneingeschränkt seit

Einsteins Relativitätstheorie.

Weitere Erkenntnisse durch Hawking:

Zu der Zeit, als Hawking in Cambridge am DAMTP in Dennis Sciamas Forschungsgruppe seine Dissertationsarbeit

schrieb, entwickelte der britische Mathematiker und Physiker Roger Penrose eine Theorie über Singularitäten. Diese

Theorie lag in der Richtung der Vorstellungen der Forschungsgruppe. Deshalb begannen sie sich damit zu befassen.

Roger Penrose hatte sich mit der Frage beschäftigt, was passiert, wenn ein Stern, nachdem ihm der Brennstoff

ausgegangen ist, unter der Kraft seiner eigenen Gravitation kollabiert. Penrose kam zu dem Ergebnis, daß der Stern zu

einem Punkt von unendlicher Dichte schrumpfen muß (selbst wenn es nicht vollkommen symmetrisch erfolgt). Dies führt

nach Einstein zu einer unendlichen Krümmung in der Raumzeit. Solche Krümmungen nennt man Singularitäten, und diese

sollten sich im Inneren von Schwarzen Löchern befinden. Auch der Urknall ist eine solche Singularität. Aber wie entsteht

überhaupt ein Schwarzes Loch? Zunächst einmal betrachten wir einen Himmelskörper. Dieser hat eine bestimmte Masse

und einen bestimmten Radius. Der Radius stellt den Abstand zwischen Oberfläche und Schwerpunkt der Masse dar.

Von diesen beiden Größen allein hängt die Fluchtgeschwindigkeit ab. Die Fluchtgeschwindigkeit ist diejenige

Geschwindigkeit, die ein (kleiner) Körper haben muß, um dem Gravitationsfeld des Planeten zu entkommen, d.h. um von

der Oberfläche des Planeten startend theoretisch ins Unendliche gelangen zu können. Stellen wir uns nun einen Stern vor,

dessen Masse ungefähr zehnmal so groß wie die unserer Sonne ist. Seine Energie bezieht er aus der Umwandlung von

Wasserstoff in Helium (Kernverschmelzung). Durch die freigesetzte Energie wird genügend Druck erzeugt, um den Stern

vor seiner eigenen Gravitation zu bewahren. Der Radius beträgt in etwa fünfmal soviel wie der Radius unserer Sonne.

Die oben erwähnte Fluchtgeschwindigkeit beträgt etwa 1000 km/s. Wenn der Stern seinen Brennstoff verbraucht hat,

erzeugt er keine Energie mehr und nichts schützt ihn davor, infolge der eigenen Schwerkraft in sich zusammenzufallen.

Die Fluchtgeschwindigkeit auf seiner Oberfläche wird während dieses Prozesses immer größer, da der Radius immer

kleiner wird. Man könnte auch sagen, das Gravitationsfeld an der Oberfläche wird stärker, da es sich dem Zentrum der

Masse immer weiter nähert. Wenn der Radius des Sternes nur noch 30 Kilometer beträgt, ist die Fluchtgeschwindigkeit

auf 300 000 km/s (=Lichtgeschwindigkeit) angewachsen. Ab diesem Zeitpunkt kann auch das Licht die Oberfläche des

Sternes nicht mehr verlassen (Licht wird nach Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie ebenso abgelenkt wie Masse; also

gilt auch die Fluchtgeschwindigkeit für das Licht). Wenn der Stern weiter schrumpft und somit zum Schwarzen Loch

wird, bleibt der Radius, ab dem das Licht nicht entweichen kann, an exakt derselben Stelle. Die Grenze des Schwarzen

Loches - der Ereignishorizont - ist der Radius, auf dem die Fluchtgeschwindigkeit genau Lichtgeschwindigkeit beträgt.

Also kann das Licht, wenn es sich innerhalb dieses Radiuses befindet, nicht fliehen, und es wird in den Mittelpunkt

hineingezogen. Da nichts schneller sein kann als das Licht, heißt das, daß nichts aus diesem Loch entkommen kann. Der

Ereignishorizont (auch Schwarzschildradius genannt) bildet somit eine Grenze zwischen innen und außen, denn da keine

Lichtteilchen von innen nach außen gelangen, kann man auch nicht sehen, was in seinem Inneren passiert. Der

Ereignishorizont bleibt für eine konstante Masse immer gleich. Der Radius des Sternes verkleinert sich immer weiter, bis

er schließlich zu einem Punkt unendlicher Dichte zusammengeschrumpft ist, zu einer Singularität. Dort ist die Krümmung

im Raumzeit-Gefüge unendlich. Zu diesen Ergebnissen kommt man unter der Verwendung von Einsteins Allgemeiner

Relativitätstheorie. Allerdings ist die Allgemeine Relativitätstheorie auch nicht anwendbar auf einen solchen Punkt der

unendlichen Raumzeit-Krümmung. Da keine Informationen von innen nach außen gelangen können, ergeben sich für

einen Beobachter außerhalb des Schwarzschildradiuses keine Konsequenzen durch den Zusammenbruch der

Naturgesetze. Roger Penrose spricht in diesem Zusammenhang von einer Kosmischen Zensur. Obgleich sich solche

Schwarzen Löcher allein mit Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie vorhersagen lassen, nahmen bis in die sechziger

Jahre nur wenige Wissenschaftler diese Vorraussagen tatsächlich ernst. Einer der Gründe dafür war, daß als tatsächlich

existierende dichteste Objekte bis 1967 nur die Weißen Zwerge bekannt waren. Diese toten Sterne hatten etwas

weniger als eine Sonnenmasse, aber waren auf die Größe der Erde zusammengepreßt. Doch 1967 wurden die Pulsare

entdeckt. Das waren Radioquellen, die mit einer bestimmten Frequenz in ihrer Strahlung schwankten. Diese

Schwankungen wurden durch die Schwingungen eines sehr kompakten Sternes erklärt. Doch bald stellte sich heraus,

daß solch ein Stern dichter sein mußte als ein Weißer Zwerg. Die Quantentheorie lieferte auch die Erklärung: wenn der

Druck zu stark wird, dann verschmelzen Elektronen und Protonen miteinander und werden zu Neutronen. Diese können

wesentlich dichter gepackt werden. Der Stern wird zu einem Neutronenstern mit außerordentlich hoher Dichte. Obwohl

diese Dichte nicht hoch genug ist, um ein Schwarzes Loch zu bilden, macht sie doch auch die Existenz von Schwarzen

Löchern mit extrem hohen Dichten sehr viel wahrscheinlicher. Außerdem hatte man schon 1963 Quasare entdeckt. Sie

strahlen so hell wie 300 Milliarden Sterne. Um dieses Phänomen erklären zu können, nahm man schon damals an, daß

sich dabei ein riesiges, extrem schweres Objekt inmitten einer Galaxie befindet und diese verschluckt. Die Masse der

Galaxie wird dabei in einer großen heißen Scheibe in den massereichen Körper gezogen, wobei durch die Umwandlung

von Masse in Energie riesige Energiemengen entstehen. Somit hatte man die Existenz von extrem schweren Körpern

bereits akzeptiert, man ging jedoch bisher davon aus, daß sie sehr groß wären und somit eine geringere Dichte

aufwiesen.

Eigenschaften eines Schwarzen Lochs

Es ist unsichtbar, da auch das Licht das Schwarze Loch nicht mehr verlassen kann. Schwarze Löcher sind deshalb nur

indirekt nachweisbar und daher können über ihre Eigenschaften nur Vermutungen angestellt werden. Allerdings sind

diese theorethisch sehr gut begründet, daß man annimmt, daß sie weitgehend mit der Wirklichkeit über einstimmen. Ein

schwarzes Loch ist im eigentlichen Sinn kein Körper. Es ist mehr oder weniger ein leerer Raum in dem sich eine

Singularität (Punkt in der Raumzeit mit unendlicher Raumzeitkrümmung und unendlicher Gravitation.) befindet. Im

Gegensatz zu einem weißen Zwerg oder einem Neutronenstern besitzt es keine feste Oberfläche bzw. Grenzschicht.

Lediglich der Schwarzschildradius bildet eine Begrenzung. Jedem Objekt ist es unmöglich diesen Umkreis wieder zu

verlassen.Ein schwarzes Loch ist auch als Loch im Raum-Zeit-Gefüge anzusehen. Denn würde man in jedem Punkt des

Raumes eine Uhr befestigen, würden sie unterschiedlich schnell gehen. Denn umso näher dem Schwarzen Loch desto

langsamer vergeht die Zeit. Elektrische Ladungen, Drehimpuls und Magnetfelder bleiben erhalten, sofern sie schon vor

dem Supernovaausbruch existent waren. Ebenso entsteht Strahlung, wenn Masse in den Horizont eintritt.

Der hypothetische Fall ins Schwarze Loch:

Man kann die Vorgänge im Universum, speziell das Phänomen der 'Schwarzen Löcher' nur verstehen, wenn man sich

Modelle schafft, die einen Bezug zu Dingen auf unserer Erde haben. Menschen begreifen Dinge nämlich besser, wenn sie

wahrnehmbar, be'greif'bar sind. Ein todesmutiger Astronaut begibt sich also in die Nähe eines Schwarzen Loches. Er

wird wahrscheinlich sofort von der Gravitation ergriffen, 'angesaugt' werden, wobei die Kräfte unterschiedlich stark

wirken. Die Gravitation wirkt nämlich umso schwächer, je weiter man vom Mittelpunkt einer Masse entfernt ist. Sein

Kopf ist 1,80m weiter als seine Füße vom Schwarzen Loch entfernt, und weil der Gravitationsunterschied so groß ist,

wird er wie eine Spaghetti in die Länge gezogen. Schließlich wird er immer mehr beschleunigt werden, bis auf

Lichtgeschwindigkeit. Moment mal, einen Körper auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigen? Das ist unmöglich, und

deshalb wird der Astronaut zerrissen, 'entmaterialisiert' und in pure Energie umgewandelt. Nehmen wir an, er ist

unbeschadet in das Schwarze Loch hineingefallen. Da dieses nicht vorstellbar ist (eine 'unsichtbare Masse'?), vergleichen

wir es hier mit einem Tunnel.Dieser Tunnel hat die seltsame Eigenschaft, dass man von außen gesehen nie das Ende

erreicht (bzw. je wieder aus dem Loch herauskommt), obwohl er von außen nur 200 m lang ist. Wie kann das erklärbar

sein? Nehmen wir weiterhin an, dass ein Fußgänger mit einer Schrittlänge von 1 m in den Tunnel eintritt, und nach einem

Meter auf die Hälfte seiner Größe zusammenschrumpft, wobei seine Schrittlänge ebenfalls halbiert wird. Also ist der

Tunnel für den durchquerenden Körper unendlich lang. Bei dieser ersten Variante kann er nie den Tunnel durchqueren,

von außen gesehen. In der zweiten Variante soll der durchquerende Körper es aus seiner Sicht schaffen, durch den

Tunnel zu gelangen. Die halbierte Schrittlänge gleicht sich hierbei dadurch aus, dass seine Geschwindigkeit immer nach

einem Schritt verdoppelt wird, bis sie schließlich unendlich wird. Bei unendlicher Eigengeschwindigkeit vergeht für ihn

keine Zeit mehr, also kann er in einer Sekunde eine unendliche Strecke zurücklegen und wieder aus dem Tunnel

herauskommen. Wenn er wieder herauskommt, ist allerdings im übrigen Universum eine unendliche Zeitspanne

vergangen.

Nachweise für Schwarze Löcher

Da Schwarze Löcher weder strahlen, noch Licht und Radiowellen reflektieren kann man nur indirekt auf ihre Existenz

schließen. Dennoch gibt es zahlreiche Möglichkeiten festzustellen, ob es tatsächlich Schwarze Löcher gibt. Zuerst einmal

gibt es Hinweise auf enorme Massen komprimiert in winzigste Volumen. Wenn dieser Körper auch noch schwarz ist,

kann man mit guter Wahrscheinlichkeit auf ein schwarzes Loch schließen.Eine zweiter Nachweis wäre auch, daß

Doppelsternsysteme entdeckt wurden, welche eine intensive Röntgenstrahlung aussenden. Diese abgestrahlte Energie

übertrifft dabei oft die Größenordnung von 10000 Sonnenleuchtkräften. Zusätzlich kommt noch, daß manche

Röngtenquellen nur Bruchteile von Sekunden aufflackern. Eine solch intensive, extrem kurzfristig variierende Strahlung

könnte nur durch winzige, aber enorm massenreiche Objekt erzeugt werden. Auch gibt es Doppelsternsysteme, in denen

der eine Partner ein schwarzes Loch ist. Hierbei kann hin und wieder Materie vom einem Stern an das schwarze Loch

abgegeben werden. Dabei wird ein enormes Röntgenlicht erzeug. Allerdings fallen die Gasmassen nicht direkt ins

schwarze Loch, da das System um einen gemeinsamen Schwerpunkt rotiert. Aus diesem Grund laufen die Gasströme

spiralförmig auf das schwarze Loch zu. Es bildet sich Akkretionsscheibe, eine Scheibe aus enorm heißen Gas, die um

das schwarze Loch kreist.Ein weitere Hinweis auf ein schwarzes Loch wäre, daß man spiralförmige Galaxien beobachtet

hatte, die mit einer derart hohen Geschwindigkeit rotierten, daß sie aufgrund der Fliehkraft schier auseinander gerissen

werden würden. Um dennoch stabil zu bleiben müsste sich in ihrem Zentrum ein Objekt mit gigantischer Masse befinden.

Da dieser Körper weder Licht noch sonstige Strahlung abstrahlt sind die Wissenschaftler der Meinung, daß sich es hier

um ein schwarzes Loch handeln muß. Ebenso könnte man einem schwarzen Loch aufgrund des Dopplereffekts auf die

Spur kommen, indem man die Rot-Blau-Verschiebung misst.

Ende eines schwarzen Lochs

Dies ist ein sehr umstrittenes Problem. Es ist eine noch nicht geklärte Frage ob und wie sich ein schwarzes Loch auflösen

kann.Der erste der ein mögliches Ende eines schwarzen Lochs entdeckte war Steven Hawkin. Er stellte eine Theorie auf,

daß ein schwarzes Loch masselose Teilchen (17% Photonen, 2% Gravitonen und 81& Neutrinos) produziert um sie

mittels Wärmestrahlung abstrahlt. Diese abgestrahlte Energie läßt sich in Masse umrechnen (E=m*c²). Mit diesem

Massenverlust wird auch der Schwarzschildradius kleiner und immer weniger vobeifliegende Teilchen können

aufgenommen werden. Demzufolge würde es mit abnehmender Masse immer schneller kleiner werden. Nach dieser

Theorie könnte ein Schwarzes Loch je nach Anfangsmasse 10 bis 20 Milliarden Jahre bestehen.

Sichtungen Schwarzer Löcher

1. Schwarze Löcher in jeder Galaxis vermutet

Neueste Messungen des Weltraumteleskops 'Hubble' legen die Existenz von Schwarzen Löchern in nahezu jeder

Galaxis des Universums nahe. Eines dieser sonderbaren Objekte, die aufgrund ihrer gigantischen Schwerkraft selbst

Licht einfangen und verschlucken, soll nach Berechnungen von Astronomen im Zentrum einer Galaxis im Sternbild

Jungfrau sein. Vorläufige Untersuchungen haben ergeben, daß in 14 von 15 weiteren Galaxienkernen Schwarze Löcher

sitzen, wie die Wissenschaftler auf einem Treffen der Amerikanischen Astronomischen Gesellschaft in Toronto

berichteten.'Da ist etwas: Es wiegt eine Menge, es ist völlig schwarz und wir wissen nicht, was es sonst sein könnte',

sagte der kanadische Astronom Scott Tremane vom Institut für Theoretische Astrophysik. Die Entdeckungen seien

bisher die stärksten Hinweise auf eine allgemein akzeptierte Theorie der Himmelsforscher. Demnach sind Schwarze

Löcher sehr verbreitet, im Zentrum einer jeden schweren Galaxis sollte es eines geben. Die Masse der Schwarzen

Löcher soll direkt von der Masse der gesamten Galaxis abhängen.

Hubble liefert nur Fingerabdrücke

Schwarze Löcher können nicht direkt beobachtet werden - auch nicht vom scharfsichtigen Teleskop 'Hubble'. Die

Forscher analysieren statt dessen die Bewegung von Sternen, die nahe um die Zentren der Galaxien kreisen. In einer

Entfernung von 50 Millionen Lichtjahren wirbeln die Sterne und extrem heiße Materie um die Mitte einer Galaxie -

angetrieben von einer mächtigen Anziehungskraft. Gase erreichen fast Lichtgeschwindigkeit und erhitzen sich dabei auf

mehrere Billionen Grad. Aus diesen Beobachtungen konnten die Wissenschaftler die Masse eines Objekts im Sternbild

Jungfrau berechnen. Es ist 500 Millionen Mal schwerer als unsere Sonne. Die Messungen von 'Hubble' liefern aber nur

Fingerabdrücke, sie sind nicht der Beweis für ein Schwarzes Loch. Für derart schwere Objekte gebe es auch noch

andere Erklärungen, gibt Reinhard Genzel vom Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik in Garching bei

München zu bedenken. Die Ergebnisse der Forscher seien interessant, aber nur Überschlagsrechnungen. Ein schlüssiger

Beweis könne nur aus der Nähe geführt werden, wenn die exakten Bewegungen einzelner Sterne gemessen werden

könnten. Genzel hat dies mit einem Teleskop der Europäischen Sternwarte im chilenischen La Silla zumindest für unsere

Milchstraße getan - und er fand ein Schwarzes Loch, 2,5 Millionen Mal schwerer als die Sonne.

Überreste von Quasaren

Aber die US-Wissenschaftler sind dennoch von ihrer Annahme von Schwarzen Löchern in fast allen anderen

Galaxienzentren überzeugt. Für Doug Richstone von der University of Michigan, dem Leiter der Teams, könnten die

Schwarzen Löcher die Überreste von sogenannten Quasaren sein. Das sind unvorstellbar helle Körper, die vor allem in

der Anfangszeit des Universums vorhanden waren. Die bisher untersuchten Quasare sind die ältesten und am weitesten

entfernten Objekte im All. Um ihre Leuchtkraft zu erklären, käme der Einfall von Materie in ein supermassives

Schwarzes Loch in Frage.

Löcher für die Ewigkeit?

Quasare sind nach Angaben von Tremane in ihrer Lebenszeit begrenzt, aber Schwarze Löcher überdauern die Ewigkeit.

Obwohl sie auf Materie der Umgebung einen riesigen Appetit hätten - wegen der Größe der Galaxien verschluckten sie

nur etwa ein Prozent der Masse. Von dieser Masse wiederum verschwinden 99 Prozent hinter dem sogenannten

Ereignishorizont des Schwarzen Lochs. Das ist der Punkt ohne Wiederkehr, den auch Licht nicht mehr verlassen kann.

Nur ein Prozent wird in Strahlungsenergie umgewandelt, wie Berechnungen des Astronomen Ralph Narayan an kleineren

Schwarzen Löchern und ihren Begleitsternen gezeigt hätten. 'Das Gebiet innerhalb des Ereignishorizonts ist für immer

von der Außenwelt abgeschnitten', sagte Narayan. Nach einer Theorie des britischen Astrophysikers Steve Hawkings

allerdings brökeln die 'Black Holes' durch quantenmechanische Effekte langsam ab.

2. M87 - ein alternder Quasar

Die Physik der Quasare ist ein Arbeitsgebiet der Theoriegruppe an der Landessternwarte. Quasare (quasi-stellare

Objekte) sind die sehr leuchtkräftigen Zentren von sehr weit entfernten Aktiven Galaxien. Sie strahlen ihre Energie in

allen möglichen Energiebereichen ab (von der Radiostrahlung bis zu hochenergetischer Gammastrahlung). Die ersten

Vertreter dieser kosmischen Objekte wurden im Jahre 1963 entdeckt. Die besondere Aktivität dieser Galaxien wird auf

die Existenz eines supermassereichen Schwarzen Lochs im Zentrum der Galaxie zurückgeführt. Die Masse dieser

Objekte beträgt Millionen bis zu Milliarden von Sonnenmassen und ist damit ein beträchtlicher Bruchteil der

Gesamtmasse der ganzen Galaxie. Die uns nahen Galaxien waren kurz nach ihrer Entstehung vermutlich ebenfalls Aktive

Galaxien, und da die Masse von Schwarzen Löchern im Laufe der Zeit nicht abnehmen kann, sollten diese Objekte auch

in den Zentren unserer Nachbargalaxien gefunden werden. Die riesige elliptische Galaxie M87 im Virgo-Galaxienhaufen

in einer Entfernung von nur 50 Millionen Lichtjahren ist ein guter Kandidat dafür, ein Schwarzes Loch zu enthalten. Auch

diese Galaxie ist aktiv, sie ist aber kein Quasar, sondern eine Radiogalaxie, sozusagen ein alternder Quasar. Das

Hubble-Weltraumteleskop hat nun im Zentrum dieser Galaxie eine spiralförmige Gasscheibe entdeckt, die mit 550 km/s

rotiert. Daraus leitet man ab, daß sich im Zentrum ein 3 Milliarden Sonnenmassen schweres Schwarzes Loch von der

Größe unseres Sonnensystems befindet. Im Unterschied zu M87 enthalten Quasare auf der Skala von einigen

Lichtjahren viel mehr Gas, welches in der Umgebung des zentralen Lochs hell aufleuchtet.

Wurmlöcher:

Tatsächlich ist ein Wurmloch eine besondere Form eines Schwarzen Loches. Einstein und Rosen zeigten die Endform

der Raumkrümmung in einem Schwarzen Loch. Zu Ihrer Überraschung öffnete sich das Diagramm wieder und verband

den Raum mit einem anderen Paraleluniversum. Weiter Überlegungen zeigten, daß unter bestimmten Umständen der

Ausgang eines solchen schwarzen Loches nicht in ein Paraleluniversum enden muß, sondern auch im eigenen Universum

enden kann. Die Grundidee eine Wurmlochs war geboren. Hier gibt es jedoch ein gravierendes Problem für einen

potentiellen Reisenden. In einem statischen Schwarzen Loch muß auf dem Weg ins andere Universum die Singularität

gekreuzt werden muß. Ein Ding der Unmöglichkeit derartiges zu überleben. Aufregend ist jedoch, daß dieses Problem

theoretisch umgangen werden kann wenn man dem Schwarzen Loch eine Rotation zuordnet (Kerr-Newmann Black

Hole). In diesem Objekten sind Reisen in Paraleluniversen theoretisch zulässig. Allerdings muß man dabei bedenken, daß

ein solches Objekt auch eine wahre Zeitmaschiene ist. Denkbar ist, daß man unser eigenes Universum wieder betritt

jedoch zu einem oder verschiedenen Zeitpunkten. Die Wissenschaftler gehen heute davon aus das in der Realität fast alle

Schwarzen Löcher eine Eigenladung oder eine Rotation besitzen. Kandidaten für Schwarze Löcher kennt man heute zu

genüge und in den letzten Jahren erhärten sich die Indizien, daß es sich bei den Objekten tatsächlich um Schwarze

Löcher handelt. Das gilt vor allen Dingen für die riesigen Objekte im Zentrum unserer und anderer Galaxien.

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