Die physikalischen Eigenschaften der Schwarzen Löcher

Inhaltsverzeichnis

1. Großes mediales Interesse am Thema

2. Forschungsgeschichte der Schwarzen Löcher

3. Physikalische Eigenschaften
3.1 Fluchtgeschwindigkeit
3.2 Ereignishorizont
3.3 Singularität

4. Entstehung der Schwarzen Löcher
4.1 Hydrostatisches Gleichgewicht und Gravitationskollaps
4.2 Chandrasekhar-Grenze

5. Kategorisierung nach Masse und Entstehungsweise
5.1 Stellare Schwarze Löcher
5.2 Mittelgroße Schwarze Löcher
5.3 Supermassereiche Schwarze Löcher

6. Beobachtung von Schwarzen Löchern
6.1 Grundlagen der Beobachtung
6.2 Sagittarius A*

7. Faszination für Schwarze Löcher im Film

8. Literaturverzeichnis

1. Großes mediales Interesse am Thema

„Astronomen entdecken Schwarze Löcher in Kugelsternhaufen“ (Mainpost 2012), so lautet der Titel eines Artikels, der am 04.10.2012 in der Online-Aus- gabe der Regionalzeitung Main-Post zu lesen gewesen ist. Dieser Artikel ist keine Ausnahme, denn auch die Online-Redakteure renommierter, aufla- genstarker Zeitungen wie beispielsweise der Zeit oder der Welt publizieren häufig Artikel über die neuesten Erkenntnisse oder Beobachtungen über Schwarze Löcher. Kaum ein anderer Himmelskörper hat eine - im wahrsten Sinne des Wortes - so große Anziehungskraft auf die Menschen wie ein Schwarzes Loch. Dieses Phänomen zeigt, dass dieser doch sehr geheimnisvol- le und vermeintlich dunkle Themenbereich der Astrophysik keinesfalls nur für Physiker oder Science-Fiction-Liebhaber, sondern eben auch für die breite Masse der Leser interessant ist. Doch aus welchen Gründen erfreuen sich Schwarze Löcher einer derart großen Beliebtheit? Das liegt zum einen an der Ergiebigkeit dieses physikalischen Bereichs. So kommen Forscher fast monat- lich zu neuen Erkenntnissen über Schwarze Löcher, was erst aufgrund der im- mer besser werdenden Teleskope und Beobachtungsmethoden möglich ist. Zum anderen liegt das mediale Interesse aber auch in der Vorstellung der Men- schen begründet, nach der Schwarze Löcher geheimnisvoll und schwer zu ver- stehen sind und gerade das wirkt faszinierend. Doch dabei sind diese angeblich geheimnisvollen Objekte gar nicht so kompliziert und bizarr, wie die meisten denken. In dieser Arbeit möchte ich die wichtigsten Fakten und Grundlagen zu diesem Thema herausarbeiten:

Nach einem kurzen Überblick über die Forschungsgeschichte zu Schwarzen Löchern werden die wichtigsten physikalischen Eigenschaften wie Ereignishorizont, Fluchtgeschwindigkeit und Singularität erklärt. Darauf folgt ein Einblick in die Entstehung aus massereichen Sternen und die Kategorisierung in verschiedene Arten von Schwarzen Löchern. Anschließend stehen die Beobachtungsmethode und die aktuelle Forschung am Beispiel von dem Schwarzen Loch in unserer Milchstraße im Mittelpunkt.

2. Forschungsgeschichte der Schwarzen Löcher

Die Forschungsgeschichte in diesem Bereich der Astrophysik wurde maßgeblich von angloamerikanischen Wissenschaftlern geprägt.

1783 veröffentlicht John Mitchell einen Artikel an der Londoner Royal Society in dem er zu dem Ergebnis kommt, dass es Sterne geben könnte, die ein ausreichend starkes Gravitationsfeld haben, dem das Licht nicht entfliehen kann. Diese Objekte können wir nicht sehen, da ihr ausgestrahltes Licht aufgrund ihrer hohen Gravitation nie zu uns durchdringen kann.

1915 veröffentlicht der deutsche Forscher Albert Einstein seine Allgemeine Relativitätstheorie. Mithilfe von Einsteins Veröffentlichungen gelingt es Schwarzschild nun ein Schwarzes Loch genauer zu beschreiben.

„Die erste exakte Lösung der Gleichungen der allgemeinen Relativitätstheorie gelang dem deutschen Astronomen Karl Schwarzschild. […] Die Schwarzschildlösung, wie man sie heute nennt, beschreibt die Auswirkungen eines Gravitationsfelds auf Raum und Zeit in der Umgebung einer beliebigen kugelförmigen Massenkonzentration. Erst später bemerkt man, dass Schwarzschilds Ergebnisse die Beschreibung eines Schwarzen Loches enthielten.“ (Al-Khalili 2004, 125)

Der indische Student Subrahmanyan Chandrasekhar reist 1928 nach England um dort zu studieren. Auf seiner Reise stellt er fest, dass es eine Massengrenze gibt, ab der die Gravitation überwiegt und der Stern zu einem sehr kompakten Objekt wird. Heute bezeichnen wir diese je nach Masse und Durchmesser als Neutronensterne oder Schwarze Löcher. Der von Chandrasekhar errechnete Wert für die nach ihm benannte Grenze liegt bei dem 1,46-fachen der Sonnen- masse. (vgl. Hawking 1988, 107ff.) (Siehe Kapitel „Entstehung Schwarzer Lö- cher“).

Zur Zeit des Zweiten Weltkrieges stellt der Amerikaner Robert Oppenheimer, der auch an der Entwicklung der Atombombe beteiligt ist, fest, dass es einen Ereignishorizont um Schwarze Löcher geben muss. (vgl. Hawking 1988, 112 f.) (Siehe Kapitel „Physikalische Eigenschaften“). Ab diesem Zeitpunkt gehen die Wissenschaftler also davon aus, dass Schwarze Löcher aus Sternen entstehen und so kompakt sind, sodass nicht einmal Licht entkommen kann. Diese Objek- te werden jedoch durch einen Ereignishorizont von der Außenwelt abgeschirmt. 1967 beweist der kanadische Wissenschaftler Werner Israel, dass Schwarze Löcher sehr einfach sind, nur von ihrer Masse abhängen und durch die bereits vorher erwähnte Schwarzschildlösung beschrieben werden können. Doch Isra- els Beweis trifft nur auf Schwarze Löcher zu, die aus nichtrotierenden Körpern entstehen. Für die rotierenden Schwarzen Löcher findet der neuseeländische Mathematiker Roy Kerr bereits im Jahre 1963 Lösungen der Allgemeinen Rela- tivitätstheorie. Diese Art von Schwarzen Löchern rotieren mit einer gleichblei- benden Geschwindigkeit und hängen nur von ihrer Masse und Rotationsge- schwindigkeit ab. Ein paar Jahre später, im Jahr 1973, gelang David Robinson der Beweis: Jeder zu einem Schwarzen Loch kollabierende Körper endet schließlich in einem rotierenden Kerrschen Schwarzen Loch, dessen Größe und Gestalt nur von seiner Masse und Rotationsgeschwindigkeit abhängen und nicht etwa von der Beschaffenheit des zusammengestürzten Objektes. Diese Ergebnisse werden auch unter der Maxime: Ein Schwarzes Loch hat keine Haare bekannt. Da Schwarze Löcher keine Haare haben , kann es nur wenige unterschiedliche Arten geben, die man unterscheiden kann, aufgrund der feh- lenden Haare fehlt ihnen auch die Individualität. (vgl. Hawking 1988, 119ff.)

Schließlich entdeckt Stephen Hawking 1974 die heute sogenannte Hawking Strahlung . Dieses Strahlung besteht aus Teilchen, die an einem Schwarzen Loch entstehen und dieses verlassen können.

Gegen Ende des 20. Jahrhunderts nehmen die Beobachtungen von Schwarzen Löchern durch Astrophysiker zu. (vgl. Müller 27.10.2012) Dies liegt an der raschen Entwicklung immer besserer Beobachtungsmöglichkeiten wie beispielsweise (Weltraum-)Teleskopen oder Satelliten.

Zu Beginn des 21. Jahrhunderts kommen Forscher um Reinhard Genzel zu dem Schluss, dass sich in der Mitte der Milchstraße ein massereiches Schwarzes Loch befindet. (vgl. Mokler 2012) (Siehe Kapitel „Sagittarius A*“) Aus diesen einzelnen Erkenntnissen ergeben sich zunächst folgende allgemeine Kennzeichen von Schwarzen Löchern:

- Sie sind Überbleibsel massereicher Sterne.
- Sie haben eine sehr hohe Gravitation und hängen nur von ihrer Masse und Rotation ab.
- Sie werden durch einen Ereignishorizont abgeschirmt.

Das nächste Kapitel vertieft diese Eigenschaften aus physikalischer Perspekti- ve.

3. Physikalische Eigenschaften

3.1 Fluchtgeschwindigkeit

Um dem Gravitationsfeld eines Körpers zu entkommen benötigt man eine ge- wisse Geschwindigkeit, die auch Fluchtgeschwindigkeit genannt wird, und sich mit der Formel:[Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] berechnen lässt, wobei g die Fallbeschleunigung auf der Oberfläche des Planeten und r sein Radius ist. Will man also wissen, welche Geschwindigkeit eine Rakete braucht, um dem Gravitationsfeld der Erde zu entkommen, muss man nur die zweifache Fallbeschleunigung der Erde (9,81 m/s2) mit deren Radius (6378 km) multiplizieren und daraus die Wurzel ziehen. So ergibt sich, dass die Fluchtgeschwindigkeit auf der Erde ca. 40300 km/h be- trägt. Je massereicher die Objekte sind, von denen man fliehen will, desto grö- ßer wird auch die benötigte Geschwindigkeit. Bei der Sonne ist die Fluchtge- schwindigkeit schon 100 mal höher als bei der Erde. (vgl. Begelman, Rees 1997, 2) Da bei Schwarzen Löchern die Gravitation und damit auch die Fallbe- schleunigung unendlich groß sind, würde man zum Entkommen eine Ge- schwindigkeit benötigen, die viel größer als die des Lichtes ist. Das Problem dabei ist: Nichts kann sich schneller als das Licht bewegen, deswegen gibt es kein Entkommen von Schwarzen Löchern. Die Grenze, ab der die Gravitation eines Schwarzen Loches und die damit verbundene Fluchtgeschwindigkeit un- endlich werden, nennt man Ereignishorizont, der im folgenden Unterkapitel ge- nauer betrachtet wird.

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