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Eine Einführung in die Schwarzen Löcher

Schwarze Löcher sind Objekte im Universum, in deren Grenzen so viel Masse eingeschlossen ist, dass sie unglaublich starke Gravitationsfelder haben. Tatsächlich ist die Gravitationskraft eines Schwarzen Lochs so stark, dass nichts mehr entweichen kann, wenn es erst einmal hineingegangen ist. Nicht einmal Licht kann aus einem Schwarzen Loch entweichen, es ist zusammen mit Sternen, Gas und Staub im Inneren eingeschlossen. Die meisten Schwarzen Löcher enthalten ein Vielfaches der Masse unserer Sonne und die schwersten können Millionen von Sonnenmassen haben.

Dieses computer-simulierte Bild zeigt ein supermassereiches Schwarzes Loch im Kern einer Galaxie. Der schwarze Bereich in der Mitte repräsentiert den Ereignishorizont des Schwarzen Lochs, in dem kein Licht dem Gravitationsgriff des massiven Objekts entkommen kann. Die starke Schwerkraft des Schwarzen Lochs verzerrt den Raum um ihn herum wie ein Funhouse-Spiegel. Licht von Hintergrundsternen wird gedehnt und verschmiert, während die Sterne am Schwarzen Loch vorbeiziehen. NASA, ESA und D. Coe, J. Anderson und R. van der Marel (Weltraumteleskop-Wissenschaftsinstitut), Science Credit: NASA, ESA, C.-P. Ma (Universität von Kalifornien, Berkeley) und J. Thomas (Max-Planck-Institut für außerirdische Physik, Garching, Deutschland).

Trotz all dieser Masse wurde die tatsächliche Singularität, die den Kern des Schwarzen Lochs bildet, nie gesehen oder abgebildet. Es ist, wie das Wort schon sagt, ein winziger Punkt im Raum, aber es hat eine Menge Masse. Astronomen können diese Objekte nur durch ihre Wirkung auf das sie umgebende Material untersuchen. Das Material um das Schwarze Loch bildet eine rotierende Scheibe, die direkt hinter einem Bereich liegt, der als „Ereignishorizont“ bezeichnet wird und der Gravitationspunkt ohne Rückkehr ist.

Die Struktur eines Schwarzen Lochs

Der grundlegende „Baustein“ des Schwarzen Lochs ist die Singularität: ein punktgenauer Raumbereich, der die gesamte Masse des Schwarzen Lochs enthält. Um ihn herum befindet sich eine Raumregion, aus der kein Licht entweichen kann, was dem „Schwarzen Loch“ seinen Namen gibt. Der äußere „Rand“ dieser Region bildet den Ereignishorizont. Es ist die unsichtbare Grenze, an der die Anziehungskraft des Gravitationsfeldes der Lichtgeschwindigkeit entspricht. Hier werden auch Schwerkraft und Lichtgeschwindigkeit ausgeglichen.

Die Position des Ereignishorizonts hängt von der Anziehungskraft des Schwarzen Lochs ab. Astronomen berechnen den Ort eines Ereignishorizonts um ein Schwarzes Loch mit der Gleichung R s=2GM / c 2R ist der Radius der Singularität,  G ist die Schwerkraft, M ist die Masse, c ist die Lichtgeschwindigkeit. 

Schwarze Lochtypen und wie sie sich bilden

Es gibt verschiedene Arten von Schwarzen Löchern, die auf unterschiedliche Weise entstehen. Der häufigste Typ ist als Schwarzes Loch mit Sternmasse bekannt .  Diese enthalten ungefähr bis zu ein paar Mal die Masse unserer Sonne und entstehen, wenn großen Hauptreihensternen (10 – 15 mal die Masse unserer Sonne) der Kernbrennstoff in ihren Kernen ausgeht. Das Ergebnis ist eine massive Supernova-Explosion. die die äußeren Schichten der Sterne in den Weltraum sprengt. Was zurückbleibt, bricht zusammen und erzeugt ein schwarzes Loch.

Die Vorstellung eines Künstlers von einem schwarzen Loch mit Sternmasse (in Blau) entstand wahrscheinlich, als ein supermassiver Stern zusammenbrach und sich von Material ernährte, das von einem nahe gelegenen Stern ausgestoßen wurde. ESA, NASA und Felix Mirabel)

Die beiden anderen Arten von Schwarzen Löchern sind supermassive Schwarze Löcher (SMBH) und Mikro-Schwarze Löcher. Ein einzelnes SMBH kann die Masse von Millionen oder Milliarden Sonnen enthalten. Mikro-Schwarze Löcher sind, wie der Name schon sagt, sehr klein. Sie könnten vielleicht nur 20 Mikrogramm Masse haben. In beiden Fällen sind die Mechanismen für ihre Schaffung nicht ganz klar. Mikroschwarze Löcher existieren theoretisch, wurden jedoch nicht direkt nachgewiesen.

In den Kernen der meisten Galaxien gibt es supermassereiche Schwarze Löcher, deren Ursprung noch immer heiß diskutiert wird. Es ist möglich, dass supermassereiche Schwarze Löcher  das Ergebnis einer Fusion zwischen kleineren Schwarzen Löchern mit Sternenmasse und anderer Materie sind. Einige Astronomen schlagen vor, dass sie entstehen könnten, wenn ein einzelner hochmassiver Stern (hunderte Male die Masse der Sonne) zusammenbricht. In beiden Fällen sind sie massiv genug, um die Galaxie auf vielfältige Weise zu beeinflussen. Sie reichen von Auswirkungen auf die Sternengeburtenrate bis hin zu Umlaufbahnen von Sternen und Material in ihrer näheren Umgebung.

Viele Galaxien haben supermassereiche Schwarze Löcher in ihren Kernen. Wenn sie aktiv „essen“, geben sie riesige Jets ab und werden als aktive galaktische Kerne bezeichnet. NASA / JPL-Caltech

Andererseits könnten bei der Kollision zweier sehr energiereicher Partikel Mikro-Schwarze Löcher entstehen. Wissenschaftler vermuten, dass dies kontinuierlich in der oberen Erdatmosphäre geschieht und wahrscheinlich während Teilchenphysik-Experimenten an Orten wie dem CERN geschieht. 

Wie Wissenschaftler schwarze Löcher messen

Da Licht nicht aus der Region um ein vom Ereignishorizont betroff
enes Schwarzes Loch entweichen kann, kann niemand ein Schwarzes Loch wirklich „sehen“. Astronomen können sie jedoch anhand ihrer Auswirkungen auf ihre Umgebung messen und charakterisieren. Schwarze Löcher, die sich in der Nähe anderer Objekte befinden, üben einen Gravitationseffekt auf sie aus. Zum einen kann die Masse auch durch die Materialbahn um das Schwarze Loch bestimmt werden.

Ein Modell eines Schwarzen Lochs abzüglich seiner umgebenden Materialscheibe.
Ein Modell eines Schwarzen Lochs, das von erhitztem ionisiertem Material umgeben ist. So könnte das Schwarze Loch in der Milchstraße „aussehen“. Brandon DeFrise Carter, CC0, Wikimedia.   

In der Praxis leiten Astronomen die Anwesenheit des Schwarzen Lochs ab, indem sie untersuchen, wie sich das Licht um es herum verhält. Schwarze Löcher haben wie alle massiven Objekte genug Anziehungskraft, um den Weg des Lichts im Vorbeigehen zu biegen. Wenn sich Sterne hinter dem Schwarzen Loch relativ dazu bewegen, erscheint das von ihnen emittierte Licht verzerrt oder die Sterne bewegen sich auf ungewöhnliche Weise. Aus diesen Informationen können Position und Masse des Schwarzen Lochs bestimmt werden.

Dies zeigt sich insbesondere in Galaxienhaufen, in denen die kombinierte Masse der Haufen, ihre dunkle Materie und ihre schwarzen Löcher seltsam geformte Bögen und Ringe erzeugen, indem sie das Licht entfernterer Objekte im Vorbeigehen biegen. 

Astronomen können auch schwarze Löcher an der Strahlung erkennen, die das erhitzte Material um sie herum abgibt, wie z. B. Radio- oder Röntgenstrahlen. Die Geschwindigkeit dieses Materials gibt auch wichtige Hinweise auf die Eigenschaften des Schwarzen Lochs, dem es zu entkommen versucht.

Hawking-Strahlung

Der letzte Weg, wie Astronomen möglicherweise ein Schwarzes Loch entdecken könnten, ist ein Mechanismus, der als Hawking-Strahlung bekannt ist. Hawking-Strahlung, benannt nach dem berühmten theoretischen Physiker und Kosmologen Stephen Hawking. ist eine Folge der Thermodynamik, die das Entweichen von Energie aus einem Schwarzen Loch erfordert.

Die Grundidee ist, dass aufgrund natürlicher Wechselwirkungen und Schwankungen im Vakuum die Materie in Form eines Elektrons und eines Anti-Elektrons (Positron genannt) erzeugt wird. Wenn dies in der Nähe des Ereignishorizonts geschieht, wird ein Teilchen vom Schwarzen Loch weggeschleudert, während das andere in die Gravitationsbohrung fällt.

Für einen Beobachter ist alles, was „gesehen“ wird, ein Teilchen, das vom Schwarzen Loch emittiert wird. Das Teilchen würde eine positive Energie haben. Dies bedeutet symmetrisch, dass das Teilchen, das in das Schwarze Loch fiel, negative Energie haben würde. Das Ergebnis ist, dass ein Schwarzes Loch mit zunehmendem Alter Energie und damit Masse verliert (nach Einsteins berühmter Gleichung E=MC 2 , wobei E=Energie, M=Masse und C die Lichtgeschwindigkeit ist).

Bearbeitet und aktualisiert von Carolyn Collins Petersen.

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