Schwarze Löcher
Das Phänomen der schwarzen Löcher beschäftigte nicht nur Einstein, dem diese Erscheinung zu abwegig erschien, sondern auch Astrophysiker der ganzen Welt.
Sie kommen wesentlich häufiger vor, als ursprünglich gedacht. Praktisch jede Galaxie beherbergt eines dieser Monster, so übrigens auch die unsere.
In unserer Galaxie handelt sich es dabei um Sagittarius A (Sgr. A), wie es benannt wurde. Im Sternbild Schütze brauchen sie nur links am Gürtel hinzusehen. Zwecklos natürlich, weil ein schwarzes Loch eben für uns
unsichtbar ist. Sgr A hat rund 4,3 Millionen Sonnenmassen. Eine Sonnenmasse wiederum entspricht rund einer Million Erden.
(wikipedia; Röntgenbild von Sagittarius A* und von zwei Lichtechos (markiert) einer früheren Explosion)
Ganz in der Nähe befindet sich in unserer
Milchstraße sogar noch ein zweites schwarzes Loch mit 1300 Sonnenmassen (IRS 13).
Den Rest überlasse ich Ihrem Vorstellungsvermögen.
Der Witz an der Sache ist, dass diese schwarzen Löcher nicht riesig sind, sondern unglaublich klein. Pressen sie unsere gesamte Erde auf eine Erbse zusammen (9mm), dann hätten sie es geschafft, ein sogenanntes schwarzes Loch mit der Masse einer Erde zu kreieren. Die Gravitation allerdings bliebe gleich. Unsere Mondbahn und die Erbsenbahn um die Sonne würden sich nicht verändern.
Als man Einsteins Relativitätstheorie rein
rechnerisch verfolgte, ergab es sich, dass einer derart verdichteten Materie nichts mehr entkommen kann. Nicht einmal Licht. Der berühmte Astronom Archibald Weeler etablierte daher den schnalzenden Begriff „black hole“.
Sie werden erstaunt sein, dass menschliche Vorstellungskraft schon wesentlich früher, als Einstein die Idee dieser dunklen Sterne entwickelte. Bekannt ist, dass schon 1783 John Michell der Meinung war, dass es Sterne gäbe, die eine so starke Gravitation hätten, dass ihnen selbst Licht nicht entkommen würde.
Inzwischen hat die Erforschung der schwarzen Löcher besondere Wertschätzung
erlangt.
Hervor zu heben ist dabei in neuerer Zeit Steven Hawking, der die sogenannte Hawking-Strahlung postulierte.
Einige Dinge sind selbst den Laien bekannt. Es gibt einen sogenannten Ereignishorizont. Dies ist die Grenze zwischen noch entkommen können (vorausgesetzt man verfügt über Lichtgeschwindigkeit) und absolut unaufhaltsamen Verderben in das schwarze Loch verschluckt zu werden und damit aus unserem wahrnehmbaren Universum zu verschwinden.
Alles, was so in der Umgebung eines schwarzen Lochs herum turnt, wird von der ungeheuren Gravitation angezogen. Immer
näher, immer näher. Dabei werden Sterne zerrissen, wobei sie eine charakteristische Röntgenstrahlung abgeben, und die Teilchen werden immer weiter um das schwarze Loch beschleunigt.
(wikipedia: dem Stern wird Masse abgezogen - es bildet sich die Akkreditionsscheibe)
Immer schneller, immer enger rotieren die Teilchen um das schwarze Loch. Es bildet sich die sogenannte Akkreditionsscheibe. Die Geschwindigkeit erhitzt die Teichen auf ultra hohen Temperaturbereich (einige Millionen Grad Kelvin). Dieses ionisierte Plasma sendet Röntgenstrahlung aus, die wir ebenfalls beobachten können.
Wenn man in das Loch herein gefallen ist, dann zieht es einen in die Länge und man wird zum Mittelpunkt gezogen, der eigentlich gar keiner ist. Hier versagt unsere Physik auf Grund unendlicher Größen. Dieser imaginäre Punkt nennt sich dann Singularität.
So weit, so gut, aber leider wirft dieses
Gebilde immer mehr Fragen auf.
(wikipedia: Ein fiktives nichtrotierendes Schwarzes Loch mit Raumzeitkrümmung von 10 Sonnenmassen aus 600 km Abstand.)
Wie schnell dreht sich dieses Objekt selbst? Unendlich schnell, je mehr man sich der Singularität nähert?
Kann ein schwarzes Loch anwachsen?
Wenn immer mehr Materie verschlungen wird, dann müsste doch das black hole anwachsen, oder nicht?
Und was passiert, wenn sich zwei schwarze Löcher treffen? Verschmelzen sie dann zu einem doppelt so großen Loch?
Gibt es die Möglichkeit, dass sich schwarze Löcher gar nicht drehen?
Theoretisch schon.
Ein paar dieser Fragen können bereits beantwortet werden. Wird Masse dem
schwarzen Loch zugeführt, wird es immer Größer. Wenn zwei schwarze Löcher verschmelzen, entsteht ein schwarzes Loch in der Größe der beiden Massen. Dass dieses Ereignis gewaltige Raumzeitverwirbelungen auslösen muss, dürfte klar sein.
Gerade aber darauf spechten die Wissenschaftler. Ein solch gewaltiger, apokalyptischer Crash müsste sehr starke Gravitationswellen der Raumzeit erzeugen. Diese Gravitationswellen wären dann vielleicht endlich nachweisbar.
Neueste Theorieansätze vermuten sogar, dass es innerhalb des schwarzen Loches noch eine weitere, innere Barriere geben
könnte.
Stephen Hawking, der durch sein Buch „Ein kurze Geschichte der Zeit“ der Allgemeinheit bekannt wurde, hat kürzlich einen Aufsatz heraus gebracht, in dem er behauptet, dass es gar keine Singularität geben könnte. Da er weltbekannt ist, er bis 2009 den Lucasischen Lehrstuhl für Mathematik (wie Helmut Newton) inne hatte, wurde dieser Artikel veröffentlicht, wenn auch noch nicht als offizielle, wissenschaftliche Arbeit akzeptiert.
Es bleibt ominös.
Allerdings sind auch Fortschritte erzielt worden.
Es ist zweifelsfrei bewiesen: Es gibt sie, diese
Gravitationsmonster. Sie kommen im Weltall sehr häufig vor. Fast jede Galaxie beherbergt eines. Es gibt sie allen möglichen Größenordnungen. Das kleinste entdeckte hat nur 3-8 Sonnenmassen (Teil des Doppelsternsystems XTE J1650-500 und wurde 2001 vom Rossi X-ray Timing Explorer der NASA aufgespürt), während das bisher größte schwarze Loch 2011 mit 21 Milliarden Sonnenmassen entdeckt wurde (im Zentrum der Galaxie NGC 4889).
Auf solche supermassiven schwarze Löcher legt die Wissenschaft ihren Fokus, denn in der Anfangsphase des Universums spielten sie wohl eine entscheidende Rolle bei der Bildung von Galaxien.
Geklärt ist auch, wie die black holes
entstehen. Sie sind Überbleibsel von explodierenden Sternen, sofern sie vorher genügend groß waren, also vor ihrem Ende über genügend Masse verfügt haben..
Daher ist zu vermuten, dass es früher wesentlich größere Sterne gab, als heute.
Ebenfalls ist das Phänomen der Quasare einigermaßen verstanden.
Die ungeheure Strahlungsenergie, die von ihnen ausgehen, rührt von ihren superaktiven Löchern in der Mitte der Quasare. Da stellt sich sofort die logische Frage: Was strahlt denn da, wenn sowieso nichts dem schwarzen Loch entkommt?
Wie oben gesagt, werden die Teilchen um das schwarze Loch dermaßen beschleunigt,
dass sogenannte Synchrotonstrahlung entsteht. Das führt zur Bildung zweier Jets senkrecht zur Rotationsachse des schwarzen Lochs. Diese gewaltigen Jets sind so energiereich, dass sie Gammastrahlung abgeben und Hunderte von Lichtjahren in das Weltall hinaus schießen.
Im Gegensatz dazu beruht die Hawking-Strahlung auf Quanteneffekte. In der unmittelbaren Umgebung entstehen virtuelle Teilchenpaare (Casimir-Effekt). Das eine wird real und wird mit enormer Geschwindigkeit weg gekickt, das andere verschwindet wieder im schwarzen Loch, allerdings mit negativer Energie. Daher wird auch ein schwarzes Loch mit der Zeit schrumpfen, so Hawking.
Natürlich erst dann, wenn ihm neues Futter fehlt.
Theoretisch, in Billionen von Billionen von Jahren, wird das schwarze Loch verschwinden. Man vermutet, dass es dabei zu einer letzten Explosion kommt.
Die phantastische Annahme, dass eine dieser Explosionen der Urknall, also die Entstehung unseres Universums war, ist vielleicht doch nicht ganz von der Hand zu weisen.
Messen, beziehungsweise mathematisch errechnen kann man allerdings schon heute, wie schnell sich ein schwarzes Loch dreht. Dieser "Lense dragging" Effekt besagt,
laienhaft ausgedrückt, dass die gesamte Raumzeit um das schwarze Loch verdrillt wird.
(wikipedia: rotierendes schwarzes Loch mit Ereignishorizont und Ergosphäre)
Die sogenannte Ergosphäre ist der Bereich, in dem ein Objekt unbedingt mit dem
schwarzen Loch mit rotieren muss, selbst wenn es Lichgeschwindigkeit in eine andere Richtung hat.
Ein Problem bereitet aber Kopfzerbrechen.
Denn ein Theorem haftet den black holes noch an.
Sie haben nämlich angeblich nur drei Eigenschaften:
Masse, Drehimpuls und elektrische Ladung.
Punkt und Schluss, mehr gibt's nicht!
Al Weeler prägte dann den witzigen Vergleich:
So wenige Eigenschaften, dass man keine Haare am Kopf hätte (no hair theorem - der Glatzensatz).
Konsequent weiter gedacht, bedeutet das aber auch, dass jede Information für immer
und ewig verschwinden würde.
Information muss man sich ganz einfach vorstellen. Supereinfach! Ein Atom "weiß" warum, auf welcher Bahn sich dreht, zum Beispiel.
Nischt is'!
Oh je!
Das passt leider gar nicht zu unserer Physik. Bei einem schwarzen Loch wäre dann z.B. Ursache und Wirkung aufgehoben. Was ist, wenn praktisch eine Vergangenheit aufgefressen wird?
Es ist paradox und bis heute gibt es für dieses Problem noch nicht einmal eine mathematisch erreichbare Lösung.
Im Großen und Ganzen sind die schwarzen
Löcher deshalb so populär, weil sie so derartig fremdartige, fantastische Gebilde sind, wie sie sich nur ein spintisierender Science fiction Autor erdacht haben könnte.
Für mich wäre es vor allem wichtig, dass diese Ungeheuer möglichst weit entfernt sind.
Der Stern Beteigeuze, rund 500 Lichtjahre entfernt, ein sogenannter roter Riese ist am Ende. Er stößt bereits in mehreren Impulsen Gaswolken von sich. Ein untrügliches Zeichen seiner letzten Atemzüge. Und dann macht es unweigerlich -wumm.
Diese Supernova sieht man dann genauso hell, wie den Mond.
Wann? – Jetz!
Jetzt heißt: morgen, in tausend Jahren, oder
erst in hunderttausend Jahren. Praktisch nur ein Wimpernschlag in der Geschichte eines Sternenlebens.
Die Wissenschaftler beruhigen uns. Der dabei auftretende Gammablitz wird nicht direkt die Erde treffen, so dass das Leben auf unserer Erde weiter gehen kann.
Aber das Innere von Beteigeuze wird als Rest zu einem schwarzen Loch.
Der Stern ist nämlich groß genug, hat genügend Masse.
Schließlich gibt es Wissenschaftler, die prophezeien, dass schlussendlich nur noch schwarze Löcher im Weltall übrig bleiben, wenn sie alle andere Materie in unendlichen Zeitperioden aufgefressen haben.
Das Weltall, unser Universum, als schwarzer, Schweizer Käse!
