Schwarzes Loch

in Schwarzes Loch ist ein Bereich im Raum, in dem die Gravitation so stark ist, dass selbst Elektromagnetische Wellen, wie etwa Licht, den Bereich nicht verlassen können und dieser daher schwarz erscheint. Die durch die hohe Gravitation angezogene Materie wird jedoch vor dem Sturz ins schwarze Loch so heiß, dass dieses von außen als hell leuchtend beoachtet wird.

Schwarze Löcher können als Endzustand eines Sternes bei einer Supernova (Explosion eines Sternes) entstehen. Andere Endzustände von Sternen sind Weiße Zwerge und Neutronensterne. Ein Schwarzes Loch ist ein Objekt mit der Masse des Sterns, allerdings mit wesentlich geringerer Ausdehnung als ein Stern. Ein so entstandenes Schwarzes Loch nennt man stellares Schwarzes Loch.

Ein Teil der Masse des ursprünglichen Sterns wird bei der Supernova-Explosion weggeschleudert, der Rest wird komprimiert, so dass der Umfang deutlich kleiner ist als zuvor. Dabei wird die Dichte des neuen Körpers unglaublich erhöht und die Anziehungskraft (Gravitation) steigt dermaßen an, dass die Fluchtgeschwindigkeit, die ein Körper aufbringen müsste, um das Gravitationsfeld dieses Objekts zu überwinden, größer als die Lichtgeschwindigkeit wäre. Laut der Speziellen Relativitätstheorie ist das Überschreiten der Lichtgeschwindigkeit (im Vakuum) nicht möglich. Das bedeutet, dass nichts, also auch kein Licht, das Gravitationsfeld dieses Objekts überwinden kann.

Die Größe eines nichtrotierenden Schwarzen Lochs wird durch den Schwarzschildradius angegeben, der proportional zur Masse des Loches ist. Jedem Teilchen innerhalb dieses Umkreises ist es unmöglich, ihn wieder zu verlassen. Auch elektromagnetische Strahlen können ein Schwarzes Loch nicht verlassen. Neue Überlegungen haben allerdings gezeigt, daß schwarze Löcher Energie (und damit Masse) in Form von Hawking-Strahlung (nach dem britischen Physiker Stephen Hawking) abgeben, so dass die Aussage, nichts könne aus einem Schwarzen Loch entkommen, nur noch bedingt richtig ist.

Der Schwarzschildradius für ein Schwarzes Loch der Sonnenmasse beträgt knapp 3 km.

Man unterscheidet stellare Schwarze Löcher (stellar black hole), supermassereiche Schwarze Löcher (supermassive black hole) und primordiale Schwarze Löcher:

Stellare Schwarze Löcher sind eine Folge der Sternentwicklung: Während massearme Sterne, wie unsere Sonne, ihr Leben recht unspektakulär als auskühlender Sternenrest beenden (als so genannter Weißer Zwerg), sieht das bei Sternen, die die vielfache Masse unserer Sonne haben anders aus: Sie explodieren am Ende ihres Lebens als Supernova und der übrig bleibende Sternenrest kann zu einem Schwarzen Loch kollabieren. Diese Schwarzen Löcher haben etwa acht bis 15 Mal die Masse unserer Sonne.

Mittelschwere Schwarze Löcher sind möglicherweise die Folge von Sternenkollisionen. Ihre Existenz ist noch nicht sicher erwiesen, allerdings veröffentlichten Forscher Anfang 2004 Ergebnisse einer Untersuchung von Nachbargalaxien mit dem Weltraumteleskop Chandra, in der sie Hinweise auf Mittelschwere Schwarze Löcher fanden.

Supermassereiche (auch supermassiv genannt) Schwarze Löcher können die millionen- bis milliardenfache Masse unserer Sonne haben und finden sich vermutlich in den Zentren der meisten Galaxien. Wie sie entstanden sind und wie ihre Entstehung mit der Entwicklung der Galaxien zusammenhängt ist Gegenstand aktueller Forschung.

Neben solchen durch Supernovae entstandenen Schwarzen Löchern, könnte es aber auch so genannte primordiale Schwarze Löcher geben. Das sind Schwarze Löcher, die sich, ohne eine Supernova, als "Raumverwerfungen" bereits im Urknall gebildet haben.

Man geht heute davon aus, dass viele Spiralgalaxien, unsere eigene Milchstraße eingeschlossen, in ihrem Zentrum ein supermassives Schwarzes Loch haben. Das supermassive Schwarze Loch im Zentrum der Milchstrasse trägt den Namen Sagittarius A* (Sgr A*) und besitzt 2,6 Millionen Sonnenmassen.

Neueste Forschungsergebnisse zeigen, dass sich in der Sternengruppe IRS 13, welche nur 3 Lichtjahre von Sgr A* entfernt liegt, ein zweites Schwarzes Loch mit vergleichsweise geringen 1300 Sonnenmassen befindet. Es ist derzeit nicht geklärt, ob es sich in Zukunft mit Sgr A* vereinigen wird, oder ob es sich auf einer stabilen Umlaufbahn befindet bzw. sich sogar von ihm entfernt.

Die hohe Leuchtkraft der Quasare wird auf Strahlung zurückgeführt, die Materie beim Sturz in ein Schwarzes Loch abgibt, bzw. wenn die Materie selbst in Energie umgewandelt wird.

Eine direkte Beobachtung von Schwarzen Löchern ist, da sie selbst keine Strahlung abgeben, problematisch. Die um Schwarze Löcher erwarteten Akkretionsscheiben sollten allerdings klar erkennbare Strahlung abgeben. Mit der Fertigstellung von Gravitationsteleskopen sollte es möglich werden, die Geburt Schwarzer Löcher zu beobachten.

Trotz ihrer Eigenschaften, alles zu verschlucken, haben Schwarze Löcher dazu beigetragen, dass das Universum seine gegenwärtigen Eigenschaften besitzt.

Nach dem Urknall entstanden aus den Gaswolken die ersten, wahrscheinlich sehr massiven Sterne, die nach kurzer Zeit (einige 100 Millionen Jahre) per Supernova explodierten. Durch diese Supernovae wurde zum einen Material ins Weltall verstreut, zum anderen durch die Druckwellen benachbarte Gaswolken komprimiert, so dass dort neue Sterne entstanden.

Die ersten Schwarzen Löcher zogen Materie an, und wurden zu den ersten Quasaren, die sich dann weiter (eventuell nach Verschmelzen mehrerer Schwarzer Löcher) zu den Mittelpunkten von Spiralgalxien entwickelten. Eine solche Spiralgalaxis ist unsere Milchstraße.

Formell ergibt sich ein Schwarzes Loch als spezielle Vakuum-Lösung der allgemeinen Relativitätstheorie, der so genannten Schwarzschild-Lösung (nach Karl Schwarzschild, der diese Lösung gefunden hat), beziehungsweise für rotierende und elektrisch geladene Schwarze Löcher aus der Kerr-Newman-Lösung. "Vakuumlösung" bedeutet hierbei, dass das Schwarze Loch aus nichts anderem besteht als aus leerem Raum, der allerdings stark gekrümmt ist. In der Mitte des Schwarzen Loches befindet sich allerdings eine Singularität, das bedeutet, dass an dieser Stelle die Gleichungen der Relativitätstheorie versagen. Die ganze Masse des Schwarzen Loches ist in einem Punkt ohne Ausdehnung konzentriert. Nach heutigem Stand des Wissens kann dies zustande kommen, weil die Gravitation in einem Schwarzen Loch so groß ist, dass keine der anderen drei Grundkräfte der Physik der Komprimierung entgegenwirken kann. Die gesamte Materie stürzt in sich zusammen und konzentriert sich in der Singularität. Aus diesem Grund ist die Dichte der Singularität unendlich.

Die Grenze, bei der auf der einen Seite noch Licht entweichen kann, auf der anderen Seite nicht mehr, heißt Ereignishorizont oder Schwarzschild-Singularität. Da ein nicht-rotierendes Schwarzes Loch von außen gesehen kugelförmig ist, hat auch der Ereignishorizont die Form einer Kugeloberfläche. Der Radius dieser Kugel ist der Schwarzschildradius. Die Schwarzschild-Singularität ist jedoch keine echte Singularität, sondern nur eine Koordinatensingularität (vergleichbar dem Nordpol, an dem ebenfalls eine Koordinatensingularität auftritt, ohne dass jemand, der den Nordpol überquert, irgend etwas Besonderes merken würde).

Für rotierende und/oder geladene Schwarze Löcher ist der Ereignishorizont nicht mehr kugelförmig, und seine Größe ist auch nicht mehr durch den Schwarzschildradius gegeben. Rotierende Schwarze Löcher haben zudem außerhalb des Horizonts einen Bereich (Ergosphäre genannt), in dem es einem Objekt nicht möglich ist, nicht zu rotieren.

Der Ereignishorizont wird, bei Sternen, die zu schwarzen Löchern kollabierten, von Lichtstrahlen begrenzt. Diese Lichtstrahlen sind die letzten, die noch nicht von der Gravitation des schwarzen Loches eingesaugt wurden. Man kann sie allerdings nicht sehen, da sie sich ständig im Kreis um das schwarze Loch bewegen.

Für Schwarze Löcher folgen aus der Allgemeinen Relativitätstheorie Gesetze, die auffallend jenen der Thermodynamik gleichen. Es gelten im einzelnen die folgenden Gesetze:

Der Erste Hauptsatz der "Schwarzloch-Dynamik" ist, wie in der Thermodynamik (und allen anderen nichtrelativistischen Theorien), die Erhaltung der Energie. Zusätzlich gelten auch die anderen Erhaltungssätze der Mechanik und Elektrodynamik: Neben der Energie sind Impuls, Drehimpuls und Ladung erhalten.

Der Zweite Hauptsatz der "Schwarzloch-Dynamik" – von Stephen W. Hawking entdeckt – besagt, dass die Summe der Flächen der Ereignishorizonte niemals abnehmen kann, egal, was mit den Schwarzen Löchern passiert. Dies gilt nicht nur, wenn Materie in das Schwarze Loch fällt (was dessen Masse – und damit dessen Ereignishorizont – vergrößert), sondern auch beispielsweise für die Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher, und jeden anderen denkbaren Prozess. Dies entspricht dem Zweiten Hauptsatz der Thermodynamik, wobei die Fläche des Ereignishorizonts die Rolle der Entropie übernimmt.

Quantentheoretische Überlegungen, die zuerst von Hawking durchgeführt wurden, zeigen, dass bei Berücksichtigung quantenmechanischer Effekte in der Schwarzschild-Metrik auch ein Schwarzes Loch Strahlung abgeben müsste, die so genannte Hawking-Strahlung. Diese Strahlung müsste gerade das Spektrum eines schwarzen Strahlers haben, wobei die Temperatur der Strahlung mit wachsender Masse des Schwarzen Loches sinkt. Große Schwarze Löcher, wie sie aus Supernova entstehen, haben dadurch eine so geringe Strahlung, dass diese im Universum nicht nachweisbar ist. Kleine Schwarze Löcher hingegen haben nach dieser Theorie eine deutliche Wärmestrahlung, was dazu führt, dass ihre Masse rasch abnimmt. Da dadurch ihre Strahlung weiter ansteigt, zerstrahlt so ein kleines Loch in relativ kurzer Zeit völlig. Dies ist von Bedeutung für die bereits erwähnten primordialen Schwarzen Löcher: Da diese generell sehr klein sind, könnten sie bereits zerstrahlt sein. Durch die dabei entstandene charakteristische Strahlung könnte man solche Löcher nachweisen. Andersherum gibt die Tatsache, dass man diese Strahlung bisher nicht gesehen hat, eine Obergrenze für ihre Anzahl.

Als möglicher Entstehungsmechanismus gilt spontane Elektron-Positron-Paarbildung im Vakuum, die als Konsequenz der Heisenbergschen Unschärferelation bezüglich Zeit und Energie, und damit über E=mc2 auch einer entsprechenden Masse, für hinreichend kurze Zeiträume möglich ist. Geschieht sie in unmittelbarer Nachbarschaft des Schwarzen Loches, so kann eines der Teilchen hineinstürzen und damit eine potenzielle Energie freisetzen, die für eine Paarbildung inkl. das Hinauskatapultierens des anderen Teilchens aus dem Gravitationsfeld ausreicht. Als Folge des enormen Verlusts von potenzieller Energie durch das hineinstürzende Teilchens nimmt dabei die Masse des Schwarzen Loches wider Erwarten nicht zu sondern sogar ab.

Die Hawking-Strahlung bedeutet eine Verletzung des zweiten Hauptsatzes der Schwarzloch-Dynamik, da die Strahlung die Masse – und damit die Horizontfläche – des Schwarzen Loches verringert. Allerdings wird gleichzeitig eine entsprechende Menge Entropie abgegeben (eben in Form thermischer Strahlung), was einen tieferen Zusammenhang zwischen beiden Größen nahelegt.

Allerdings beruht die Vorhersage der Hawking-Strahlung auf der Kombination von Effekten der Quantenmechanik und der Allgemeinen Relativitätstheorie. Da eine Vereinheitlichung der beiden Theorien bisher nicht gelungen ist, sind solche Vorhersagen immer mit einer gewissen Unsicherheit behaftet.

Für ein Schwarzes Loch gilt das No-Hair-Theorem (Schwarze Löcher haben keine Haare) von John Wheeler. Er nimmt an, das Schwarze Loch sei vollständig charakterisiert durch Masse, elektrische Ladung und Drehmoment. Weitere Informationen aus dem Inneren seien nicht zu erhalten, auch nicht durch die Hawking-Strahlung. Roger Penrose dagegen nimmt an, dass zumindest gewisse Informationen zusätzlich nach außen dringen können. Auf der 17ten "International Conference on General Relativity and Gravitation" (18.-23.07.2004) in Dublin hat Hawking seine frühere Meinung revidiert und meint nun, dass Schwarze Löcher doch Haare haben könnten und Informationen nach außen dringen könnten.

Unzufrieden mit der Notwendigkeit einer Singularität der Raumzeit, die mit einem Schwarzen Loch verknüpft ist, wurden einige alternative Modelle für ultrakompakte dunkle Objekte vorgeschlagen. Da aber diese alternativen Modelle keine mit heutigen Mitteln beobachtbare Vorhersagen machen, mit denen sie sich von einem schwarzem Loch unterscheiden ließen, ist die Akzeptanz denkbar gering. Das bekannteste Beispiel ist der Gravastern.

• Real Video Streams: (Aus der Fernsehsendung Alpha Centauri)
  • Was sind Schwarze Löcher?
  • Wo ist das nächste Schwarze Loch?
  • Gibt es schwarze Löcher in der Milchstrasse?
  • Verschmelzen Schwarze Löcher?
  • Bewegen sich Schwarze Löcher im All?
  • Tanzen Schwarze Löcher?

• Die bunte Welt der Schwarzen Löcher: Ausführlich aber leicht verständlich.
• Andreas Müllers Astronomielexikon über Schwarze Löcher: Ausführlich und anspruchsvoll.
• Das Schwarze Loch zum Selberbauen
• extrasolar-planets-com - Schwarze Löcher (dt.)
• Schwarzes Loch im Zentrum der Milchstrasse
• Das Monster wohnt in der Mitte der Milchstrasse
• http://www.hawking.org.uk/text/public/dice.html darin Verweis auf 4 PS-Dateien Hawkings zum Herunterladen (auf Englisch): The Nature of Space and Time - Teil 1 ... 4, (Teil 2 enthält eine schöne Karikatur des No-Hair-Theorems)

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• Allgemeine Relativitätstheorie

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