Über Schwarze Löcher

   







D i s k u s s i o n


 Beitrag 0-192
Schwarze Löcher sind extrem komprimierte Himmelskörper

 
 

 
Was ist ein Schwarzes Loch?

 
 
Als Schwarzes Loch bezeichnet man jeden Himmelskörper, dessen tatsächlicher Radius kleiner als sein Schwarzschild-Radius ist.
 
Was nun bedeutet das?
 
Wer einen Ball in die Höhe wirft, wird sehen, dass er zurück auf die Erde fällt, der Scheitelpunkt seiner Flugbewegung aber umso höher liegt, je größer die Anfangsgeschwindigkeit ist, mit der er hochgeworfen wird.
 
Unter der Fluchtgeschwindigkeit eines Himmelskörpers versteht man die Geschwindigkeit, mit der ein Objekt die Oberfläche des Himmelskörpers verlassen muss, damit es sich von ihm befreien kann. Diese Geschwindigkeit — im Fall der Erde etwa 40.000 km/h — ist
     
  • unabhängig von der Masse des Objekts
     
  • umso größer, je größer die Masse des Himmelskörpers ist
     
  • und auch umso größer, je kompakter der Himmelskörper, d.h. je kleiner sein Radius ist.

 
Unsere Erde etwa hat einen Radius von ca. 6.000 km, und in dieser Entfernung von ihrem Schwerpunkt beträgt die Gravitationskraft 1 G.
 
Würde unsere Erde so zusammengepresst, dass ihr Radius sich halbiert, so würde auf ihrer Oberfläche eine Gravitationskraft von 4 G wirken, woraus sich eine um den Faktor 1,4 höhere Fluchtgeschwindigkeit ergäbe (dann etwa 56.000 km/h).
 
Die Fluchtgeschwindigkeit würde auf Lichtgeschwindigkeit anwachsen, wenn man die Masse der Erde so weit komprimieren könnte, dass der Radius der Erde nur noch knapp 1 cm betrüge. Das also ist ihr Schwarzschild-Radius ( meist auch ihr Ereignishorizont ).

 
 
Ein Himmelskörper ist genau dann ein Schwarzes Loch,
 
wenn er so stark komprimiert wurde, dass seine Fluchtgeschwindigkeit nun größer ist als die Lichtgeschwindigkeit.

 
 
Es kann dann nichts mehr aus ihm herauskommen — sein Inneres wurde eine eigene, in sich abgeschlossene Welt (auf Quantenfluktuation zurückführbare Effekte mal ausgenommen).
 
Unsere Sonne würde ein Schwarzes Loch sein, wenn sie bei heutiger Masse nur einen Radius von etwa 3 km hätte.
 
 
Lies auch:

 

 Beitrag 0-54
Schwarze Löcher sind nur in zeitlicher Hinsicht singulär — sie haben weder Radius noch Mittelpunkt

 
 

 
Zur Natur der Singularität Schwarzer Löcher

 
 
       

Die Gummibran-Analogie ( nach H.G.Klug )

 
 
Die Gummibran-Analogie (siehe das Bild oben) suggeriert uns, dass die Singularität im Inneren eines Schwarzen Lochs ein einziger Punkt sei, an der die Raumzeit undefiniert sei. Tatsächlich aber gilt:
 
 
 
Die Singularität, von der man hier spricht, ist nur eine  z e i t l i c h e , aber keine  r ä u m l i c h e . Genauer:
 
 
Die Singularität eines Schwarzen Lochs

ist ein Bereich des Raumes, in dem die  Z e i t  singulär (undefiniert) ist.

 
 
So jedenfalls erklärt uns das der Physiker Martin Bojowald auf den Seiten 213-223 seines Buches » Zurück vor den Urknall « (Fischer Taschenbuch, 2012).
 
Seine Beweisführung nutzt Penrose Diagramme, die ich persönlich aber nicht wirklich verstehe (ebenso wenig wie die eines anderen Fachmanns, der schreibt:
A Black Hole is a Waterfall of Space).
 
 
Insbesondere würde ich gerne wissen,
  • ob der Raumbereich, in dem die Zeit nicht mehr existiert, wirklich  a l l e s  umfasst, was sich innerhalb des Ereignishorizonts des Schwarzen Lochs befindet,
     
  • und ob die Zeit dort vielleicht nur aus der Sicht von Beobachtern nicht existiert, die sich  a u ß e r h a l b  des Horizonts befinden.
     
    Die meisten Physiker glauben, dass sich für einen Raumfahrer, der von außen kommend den Ereignishorizont überquert (d.h. ins Loch fällt), rein gar nichts ändern würde: Sein Eintreten ins Schwarze Loch würde er selbst gar nicht bemerken.
     
    Aus seiner eigenen Sicht heraus wird er auch im Schwarzen Loch normal weiter altern, denn erst in der Singulariät (am unteren Ende des unendlich tiefen Trichters) existiert keine Zeit mehr. Eine ganz andere Sache ist, dass die an ihm zerrende Gravitationskraft umso stärker wird, je tiefer im "Trichter" er sich schon befindet. Sie wird ihn schließlich zerreißen, da er Ausdehnung hat und die Kraft an seiner der Singularität zugewandten Seite bald deutlich größer sein wird als an seiner ihr abgewandten Seite.
     
    Das Trichterbild macht auch klar, warum Schwarze Löcher nur von außen gesehen einen endlich großen Radius haben — von innen gesehen wäre er unendlich groß, der Weg hin zur Singularität unendlich weit.
     
    Dass Joe Plochinskis Firewall Theorie — siehe [1] und [2] — richtig ist, kann ich, wie so viele andere auch, eher nicht glauben, denn:
     
    Dass der Raumfahrer seinen Fall ins Schwarze Loch selbst nicht wahrnehmen kann, ist — so die üblicherweise gegebene Begründung — eine Folge von Einsteins Äquivalenzprinzip: Schließlich fällt er ja entlang einer Geodäte im All, was bewirkt, dass er sich schwerelos fühlt.

 
Note: In der allgemeinen Relativitätstheorie ist der Radius des Ereignishorizonts eines Schwarzen Lochs nicht als Abstand zur inneren Singulaität definiert, sondern über die Oberfläche von Kugeln. Ein kugelförmiger Ereignishorizont mit Radius r hat dieselbe Fläche wie eine Kugel vom gleichen Radius im euklidischen Raum. Aufgrund der Raumzeitkrümmung im Schwarzen Loch sind die radialen Abstände im Gravitationsfeld vergrößert (sprich: der Abstand zweier Kugelschalen mit – über die Kugeloberfläche definierten – Radialkoordinaten r1 und r2 ist größer als die Differenz dieser Radien). [ Quelle: Wikipedia ]
 
Nebenbei: Punktförmig ist die Singularität eines Schwarzen Lochs nur, wenn das Loch nicht rotiert. Bei rotierenden, so schreibt Rüdiger Vaas, ist sie ein unendlich dünner Ring.
 
 
Weiterführende Literatur:

 

 Beitrag 0-113
Warum Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie im Inneren Schwarzer Löcher versagt — ebenso wie direkt nach dem Urknall

 
 

 
Warum Einsteins Theorie im Zentrum Schwarzer Löcher versagt

 
 
Wie genau lässt sich in Streuexperimenten die Position einzelner Teilchen bestimmen?

     
    Die Quantenmechanik — ja selbst Heisenbergs Unbestimmtheitsrelation — setzen der Genauigkeit solcher Beobachtung keine Grenzen. Unter Mit­berücksichtigung der Gravitations­kraft allerdings, stellt sich das schnell ganz anders dar.
     
    Betrachten wir dazu ein Experiment, in dem z.B. zwei Elementarteilchen miteinander kollidieren:
     
    Kommen sich die beiden Teilchen sehr nahe, so wird unterhalb eines bestimmten Abstands die Gravitationskraft stärker sein als alle anderen Kräfte.
    Schlimmer noch: Bei hinreichend kleinem Abstand Amin werden die beiden Teilchen zu einem Schwarzen Loch verschmelzen.
     
    Dies gilt für Teilchen jeder Art, also z.B. auch für Photonen oder Gravitationswellen.

 
Damit ist Amin der kleinste Abstand, den ein Teilchenbeschleuniger noch aufzulösen gestattet.
 
Versucht man, die Energie noch weiter zu erhöhen, so wird das erzeugte Schwarze Loch größer — da es dann ja mehr Energie besitzt —, und sein Ereignishorizont wächst an. Dadurch aber wird die bestmögliche Ortsauflösung, die wir erzielen können, sogar wieder schlechter.
 
Dieses Verhalt steht nicht im Widerspruch zur Quantenmechanik, zeigt uns aber, dass wir bei sehr kleinen Abständen unsere Vorstellung von Raum und Zeit neu formulieren müssen. Dies zu tun wurde die Theorie der Quantengravitation geschaffen.
 
 
Zunächst aber ist interessant, wie klein die Abstandsgrenze Amin denn nun eigentlich ist.
 
Dazu betrachtet man die Situation, in der die gravitative Anziehung zwischen zwei Elektronen ebenso groß wird wie die sie von einander abstoßende elektromagnetische Kraft.
 
Auflösung der entsprechenden Gleichung liefert die Plancksche Energie EPlanck und die dazu äquivalente Plancksche Masse
 
MPlanck  =  2.176 • 10-8 kg

 
Dies ist eine relativ große Masse, die 1016 mal so groß wie die des top-Quarks, des schwersten Elementarteilchen. Noch anschaulicher: Ein Floh wiegt ungefähr 4000 Planckmassen. Um ein Elementarteilchen auf diese riesige Energie zu beschleunigen, wäre ein Ringbeschleuniger mit dem Durchmesser unseres Sonnensystems notwendig.
 
Da Energie und Länge i.W. zueinander invers proportional sind, gibt es im Einheitensystem von Max Planck auch die Plancksche Länge
 
LPlanck  =  1.6 • 10-35 Meter

 
 
Dies ist ein extrem kurzer Abstand: Die uns bekannte Welt des Standardmodells der Elementarteilchenphysik spielt sich bei 1016 mal so großen Abständen ab.
 
Zur Planchschen Länge gehört schließlich noch die Planksche Zeit
 
tPlanck  =  5.4 • 10-44 sec

 
das besondere an diesen 3 Planckschen Größen ist, dass sie gerade Ausdehnung und Energiedichte unseres Universums zum Zeitpunkt des Urknalls beschreiben.
 
Insbesondere lässt sich der Urknall mit Hilfe von Einsteins Theorie zeitlich nicht genauer als durch tPlanck eingrenzen.
 
Man kann lediglich noch die Temperatur angeben, die beim Urknall geherrscht haben muss. Man nennt sie die Plancksche Temperatur:
 
TPlanck  =  1.4 • 1032 Kelvin

 
 
Die Planckschen Größen markieren die Grenzen der Anwendbarkeit der Allgemeinen Relativitätstheorie. Sie muss jenseits dieser Grenzen als undefiniert gelten, da dort die Wirkung von Quanteneffekten den Einfluss der Gravitationskraft als vergleichsweise unbedeutend dastehen lässt.
 
Theorien, die speziell diese Lücke zu schließen versuchen, nennt man
 
 
Quantengravitation

 
 
Da Raum und Zeit in der Quantengravitation diskret sind, erwartet man, dass die Singularitäten der Einsteinschen Theorie dort nicht mehr gegeben sein werden.
 
Die kanonische Theorie der Quantengravitation — auch Schleifen-Quanten-Gravitation genannt — wurde in den 90-er Jahren entwickelt.

     
    Sie wird kanonisch genannt, da man annimmt, dass unter ihr die Metrik von Raum und Zeit wohldefinierte Quanteneigenschaften hat und die Ortskoordinate — ganz wie in der normalen Quantenmechanik — der Heisenbergschen Unschärfe-Relation gehorcht.
     
    Sie führt zu einer diskreten, schaumartigen Raumzeit, ohne dass man hierfür die Einsteinsche Theorie fundamental abändern müsste.
     
    Die "Schleifen" der Theorie sind gravitative Kraftlinien analog den elektromagnetischen (durch Faraday entdeckten).

 
Die Schleifen-Quanten-Gravitation sagt die Existenz von Raumzeitatomen voraus, welche ein dichtes, sich ständig wandelndes Gewebe darstellen. Das Quanten-Vakuum besteht aus der paarweisen Erzeugung und Vernichtung solcher Raumzeitatome. Somit sind Raum und Zeit in dieser Theorie keine vorgegebenen Größen: Sie ergeben sich aus dem quantenmechanischen Verhalten des Quanten-Vakuums.
 
 
Der Schleifen-Quanten-Gravitation zufolge sollten weder der Urknall noch die Schwarzen Löcher singulär sein, denn die Lösungen der Gleichungen dieser Theorie weisen keinerlei Unendlichkeiten auf.
 
Und tatsächlich hat Martin Bojowald 2008 ein sehr einfaches Modell vorgeschlagen, welches den Urknall durch einen sog. » bounce « ersetzt. In diesem Modell zieht das Universum sich unter dem Einfluss der Gravitation erst zusammen bis hin zu einem Punkt, an dem seine Dichte so groß wird, dass die Quanteneigenschaft der Gravitation zu einer abstoßenden Kraftkomponente führt. Dies sei dann der Augenblick des » bounce « (des Urknalls also, der so zu einer Folge der zuvor stattge­fundenen Implosion wird). Die darauf folgende Ausdehnung, so zeigt die Theorie, wird durch Quanteneffekte verursacht.
 
In Bojowalds Version der Schleifen-Quanten-Gravitation gibt es deswegen eine Zeit vor dem Urknall.
 
 
 
Quelle: Dieter Lüst: Quantenfische, DTV 2014, S. 226-232

 

 Beitrag 0-284
Der Gravitationskollaps — wie er sich aus unterschiedlicher Perspektive darstellt

 
 

 
Wie sich ein Gravitationskollaps dem Beobachter darstellt

 
 
Wegen der enormen Konzentration der Masse in einem kleinen Volumen sind auch die Gezeitenkräfte in der Nähe eines Schwarzen Lochs größer als bei noch nicht kollabierten Sternen. So würde beispielsweise ein Forscher, der in ein Schwarzes Loch von etwa Sonnenmasse (1 M) fällt, schon außerhalb des Horizonts durch die Gezeitenkräfte verzerrt, gleichzeitig aber auch zusammengedrückt werden.
 
Die Spannungen, die dabei entstehen, sind am Horizont sehr groß — bis zu 100 000 Atmosphären für ein Loch mit etwa einer Sonnenmasse –, fallen aber mit dem Quadrat der Masse ab. Die Gezeitenkräfte wirklich großer Schwarzer Löcher lassen sich deswegen — an ihrem Horizont — gut auszuhalten.
 
Ein Stern großer Masse, der den Kernbrennstoff in seinem Inneren verbraucht hat, zieht sich unter dem Einfluss seiner Schwerkraft zusammen und schrumpft durch den Horizont in Richtung Singularität.
     
  • Für einen Beobachter auf der Sternoberfläche geschieht dies in der Zeit, die er im freien Fall bis hin zum Horizont brauchen würde: einige wenige Sekunden für einen Stern von wenigen Sonnenmassen.
     
  • Aus Sicht eines Beobachters im Außenraum aber nähert sich die Sternoberfläche dem Horizont immer langsamer und erreicht in nie. Dies hängt mit der Ausbreitung der Strahlung in der Nähe des Horizonts zusammen.
     
    Sendet ein Objekt beim Fall ins Loch in regelmäßigen Abständen Strahlungsblitze aus, so empfängt der Beobachter im Außenraum sie in immer größeren Zeitabständen. Ein direkt am Horizont ausgesandtes Signal erreicht ihn gar nicht mehr bzw. » erreicht ihn erst nach unendlich langer Zeit « wie die Physiker sagen.
     
    Das ist im Prinzip so richtig, praktisch aber wird der Stern plötzlich unsichtbar, denn die Wellenlänge des nahe am Horizont ausgesandten Lichts erreicht den Beobachter nur mit extrem großer Rotverschiebung exponentiell anwachsend mit dem schrumpfenden Abstand der Quelle zum Horizont.
     
    Die Zeit, die das Licht braucht, den Schwarzschild-Radius einmal zu durchlaufen, beträgt etwa n • 10-5 Sekunden für einen Stern mit n-facher Sonnenmasse — und in genau dieser Zeitspanne verschwindet der kollabierende Stern aus Sicht des außen verweilenden Beobachters.


 
Quelle: Gerhard Börner: Schöpfung ohne Schöpfer? (2006), S. 107-109


 
 
Ganz grundsätzlich ist jedes Schwarze Loch schon durch Angabe seiner Masse, seines Drehimpulses und seiner Ladung komplett beschrieben.
 
Schwarzschild-Lösungen haben weder Drehimpuls noch Ladung. Da aber fast alle Sterne rotieren, muss sich - wegen der Erhaltung von Drehimpuls - durch ihren Kollaps ein rotierendes Schwarzes Loch ergeben. Sein Horizont hat nicht ganz so einfache Struktur wie der einer Schwarzschild-Lösung.
 
Interessant auch: Schwarzschild konnte zeigen, dass der Radius einer Kugel mit konstanter Dichte stets größer als ihr Schwarzschild-Radius ist.
 
 
Im Inneren des Horizonts stürzt die gesamte Masse übrigens unaufhaltsam weiter zusammen. Bei ihrer Kompression zu immer größerer Dichte wird irgendwann die Beschreibung der Raumzeit durch Einsteins Theorie immer ungenauer und schließlich ungültig, denn auch ein anfangs großer, ausgedehnter Stern wird dann in gewissem Sinne zu einem Quantenobjekt. Schließlich - so vermuten die Physiker - wird auch die Beschreibung der klassischen Raumzeit als ein Kontinuum, in dem beliebig kleine Abstände zwischen zwei Punkten möglich sind, nicht weiter gelten. Sie muss irgendwann in eine quantisierte Struktur, vielleicht mit einer fundamentalen, kleinsten Länge übergehen.

 

 Beitrag 0-283
Raum und Zeit im Schwarzen Loch

 
 

 
Raum und Zeit im Schwarzen Loch

 
 
In populärwissenschaftlichen Büchern und Schriften, die Schwarze Löcher erklären (z.B. auf Seite 114 in Gerhard Börner: Schöpfung ohne Schöpfer?) wird auch von Physikern oft behauptet, dass im Inneren eines Schwarzen Lochs Zeit und Raum ihre Rollen tauschen würden.
 
Diese Erklärung allerdings ist allzu grob und sollte nicht ernst genommen werden (wie ja wenigstens im letzten Abschnitt der Seite Einstein Online: Space and Time inside a Black Hole angedeutet wird).
 
 
Was genau passiert, kann viel besser so beschrieben werden:
 
Man kann sich jedes Schwarze Loch vorstellen wie einen unendlich tiefen Trichter in der Raumzeit. Objekte, die hineingeraten rutschen sozusagen die Innenwand des Trichters hinunter und verlieren — sofort nach Überschreiten der Linie, die den Schwarzschild-Horizont des Lochs darstellt — jede Möglichkeit zurückzukehren, denn ab da verliert der Raum zunehmend deutlicher seine Eigenschaft, in mehr als nur einer Richtung durchquerbar zu sein.
 
Er bekommt also eine Eigenschaft, die anderswo nur die Zeit hat.
 
Schuld daran sind Gezeitenkräfte, die mit zunehmender Tiefe im Trichter schnell stärker werden und schon ab dem Schwarzschild-Radius keine Umkehr, ja bald sogar kein sich Umdrehen mehr erlauben.

 
 

 
 
Nach H.G. Klug:
 
Der rot eingezeichnete Kreis markiert die Lage des Schwarzschild-Radius.
 
Von außen in den schwarzen Bereich hineinzusehen ist umöglich.
 
 
Note: Dieses Bild vergleicht die 4-dimensionale Raumzeit mit der 2-dimensionalen Oberfläche einer aus Gummi bestehenden Membran.
 
Mulden und Trichter darin sind Orte, an denen sich Masse, bzw. extrem viel Energie konzentriert.
 
Treffender als der Künstler A.H. Klug hat das bisher niemand darstellen können.


 

 Beitrag 0-159
Warum Weiße Löcher einfach nur extrem kleine Schwarze Löcher sind

 
 

 
Steven Hawking ist überzeugt:

Weiße und Schwarze Löcher sind ein und dasselbe

 
 
Penrose aber denkt: Es gibt keine Weißen Löcher.

 
 


Hawking ( 1996 im Streitgespräch mit Penrose ):
 
Ich habe in meinen Vorträgen bereits dargelegt, warum meiner Meinung nach der Keine-Rand-Vorschlag den beobachteten Zeitpfeil in der Kosmologie ohne CPT-Verletzung erklären kann.
 
Nun werde ich erläutern, warum ich im Gegensatz zu Roger [Penrose] meine, dass es auch bei Schwarzen Löchern keine zeitliche Asymmetrie gibt.
 
In der klassischen ART wird ein Schwarzes Loch als ein Gebiet definiert, in das Objekte zwar eindringen, dann aber nicht mehr herauskommen können.
 
Warum, so mag man sich fragen, gibt es anscheinend keine Weißen Löcher: Gebiete also, aus denen Objekte kommen, dann aber nicht mehr hineingelangen können? Meine Antwort lautet, dass Schwarze und Weiße Löcher zwar sehr verschieden sind aus Sicht klassischer Theorie, aus Sicht der Quantentheorie aber doch ein und dasselbe darstellen.
 
Schwarze Löcher können emittieren, Weiße vermutlich absorbieren.
 
Ich schlage vor, dass wir ein Gebiet als Schwarzes Loch bezeichnen, wenn es groß [massereich] ist und nicht viel emittieren kann. Andererseits verhält sich ein kleines Loch, das große Mengen an Quantenstrahlung [ sog. Hawking-Strahlung ] aussendet, doch gerade so, wie wir es von einem Weißen Loch erwarten würden.
 
...
 
Schließlich will ich zu meiner Behauptung Stellung nehmen, dass Schwarze und Weiße Löcher ein und dasselbe seien:
 
Roger brachte den Einwand vor, dass die entsprechenden [ die Löcher beschreibenden ] Carter-Penrose-Diagramme sehr verschieden sind. Dem stimme ich zu, doch meine ich, dass sie nur ein klassisches Bild darstellen. Ich behaupte, dass in der Quantentheorie Schwarze und Weiße Löcher für einen äußeren Beobachter identisch sind.
 
Was gilt, so könnte Roger einwenden, für jemanden, der in ein Loch fällt? Würde er oder sie das Carter-Penrose-Diagramm des Loches wahrnehmen?
 
Ich sehe den Schwachpunkt dieses Arguments darin, dass angenommen wird, es gebe — wie in der klassischen Theorie — nur eine einzige Metrik.
 
In der Quantentheorie aber muss man ein Pfadintegral über alle möglichen Metriken ausführen [ der Unschärferelation wegen? ]. Nun ergeben sich aber für unterschiedliche Fragestellungen unterschiedliche Sattelpunktsmetriken. Insbesondere werden sich jene für die Fragestellung eines äußeren Beobachters von denen eines ins Loch fallenden Beobachters unterscheiden.
 
Auch dass das Schwarze Loch einen Beobachter ausstößt, ist möglich (wenn auch nur mit extrem kleiner Wahrscheinlichkeit). Vermutlich entspräche die Sattelpunktsmetrik für einen solchen Beobachter dem Carter-Penrose-Diagramm eines Weißen Lochs.
 
Meine Behauptung, dass Weiße und Schwarze Löcher ein und dasselbe sind, ist demnach in sich konsistent.
 
Es handelt sich um die einzige Möglichkeit, die Quantengravitation CPT-invariant zu machen.

 


 
 
Quelle: Hawking und Penrose: Raum und Zeit, Rowohlt 1998, Seite 169-170 und 182-183
 
Titel der Originalausgabe: The Nature of Space and Time, Princeton University Press (1996)


 

 Beitrag 0-285
Wie man Schwarze Löcher finden und – stets nur indirekt – beobachten kann

 
 

 
Wie man Schwarze Löcher entdecken und beobachten kann

 
 
Es gibt hierfür mindestens 3 Wege:
     
  • Schwarze Löcher emittieren — die extrem schwache Hawking-Strahlung ausgenommen — kein Licht. Wenn sie jedoch Materie aufsammeln, wird die bei ihrem Fall ins Loch stark aufgeheizt. Diese Wärmestrahlung kann registriert werden.
     
     
  • Absuchen des Himmels nach Röntgenlichcht hat Hinweise auf die Existenz von Doppelsternsystemen erbracht, in denen ein sichtbarer Stern und eine kompakte Röntgenquelle einander umkreisen. In einigen dieser Fälle kam man zum Schluss, dass die Röntgenquelle ein Schwarzes Loch sein müsse. Diese Folgerung beruht auf Schätzungen der Masse, die möglich sind, wenn das System mit Hilfe der periodischen Schwankungen der optischen und der Röntgenstrahlung genau vermessen wird. Stellt sich dabei heraus, dass die Masse der Röntgenquelle deutlich größer als die maximal mögliche Masse eines Neutronenstern ist, so muss es sich um ein Schwarzes Loch handeln.
     
    Berühmtester Kandidat hierfür ist der Röntgenstern Cygnus X-1, der 9 bis 16 Mal so schwer wie unsere Sonne ist.
     
     
  • Genaue Beobachtung der Zentren aktiver Galaxien zeigt, dass sich dort i.A. hohe Konzentrationen von Masse und Energie in relativ kleinen Regionen sehr schnell bewegen.
     
    Schönes Beispiel ist die Galaxie M87. In ihrem inneren Bereich — Durchmesser etwa 500 Lichtjahre — findet sich eine Gasansammlung, die mit einer Geschwindigkeit von etwa 750 km/s rotiert. Diese schnelle Rotation lässt sich am plausibelsten als Bewegung um ein Schwarzes Loch von etwa 109 Sonnenmassen deuten.
     
    Sogar im Zentrum unserer Milchstraße scheint es ein Schwarzes Loch zu geben: Messungen im infroroten Spektralbereich ergaben nämlich, dass die Sternbewegungen innerhalb eines Radius von 0,3 Lichtjahren durch eine Masse von etwa 106 Sonnenmassen beeinflusst werden. Die Annahme, dass es sich dabei um ein Schwarzes Loch handelt, liegt nahe, denn jede andere denkbare Konfiguration wäre instabil und würde sich in wenigen Millionen Jahren ohnehin zu einem Schwarzen Loch entwickeln.


 
Quelle: Gerhard Börner: Schöpfung ohne Schöpfer? (2006), S. 109-110


 

 Beitrag 0-175
Wirkung und Schicksal Schwarzer Löcher

 
 

 
Wirkung und Schicksal Schwarzer Löcher

 
 
Man geht heute davon aus, dass sich im Zentrum jeder nicht allzu kleinen Galaxis ein Schwarzes Loch findet.
 
Das im Zentrum der Milchstraße heißt Sagittarius A* ( kurz: Sgr A* ).
 


Uteausmuenchen, Experte für Astrophysik auf gutefrage.net, schrieb (2016):
 
Nein, das Schwarze Loch in der Mitte der Milchstraße hält die Milchstraße nicht zusammen. Das macht die Schwerkraft der 100 Milliarden Sterne in der Milchstraße vermehrt um die der Dunklen Materie. Im Vergleich dazu ist die Masse von Sgr A* von gut 4 Millionen Sonnenmassen nicht die dominante Masse in der Milchstraße.
 
Schwarze Löcher sind auch keine Staubsauger. So ein Loch schluckt nur, was ihm zu nahe kommt. In seiner unmittelbaren Umgebung verlieren die Sterne wegen der hohen Gasdichte Bewegungsenergie und nähern sich deshalb allmählich dem Ereignishorizont des Schwarzen Loches an.
 
Im Moment und noch für einige Zeit muss Sgr A* hungern, da derzeit kein Stern nahe genug an seinem Ereignishorizont ist. Genauer:
    Messungen im Röntgenbereich haben, dass Sgr A* neben noch aktiven Sternen auch von bis zu 20.000 Neutronensternen und kleineren Schwarzen Löchern im Abstand von bis zu 70 Lichtjahren umkreist wird. Man geht davon aus, dass alle paar Millionen Jahre eines dieser Objekte der zentralen Gravitationsfalle zu nahe kommt und dann von dieser wirklich verschluckt wird. Lies auch, wie uteausmuenchen erklärt, warum alles darauf hindeutet, dass im Bereich SGR A tatsächlich ein Schwarzes Loch Sgr A* existiert:

 
Sagittarius A im Zentrum der Milchstraße

 
 
Theoretisch, wenn das Universum sehr, sehr, sehr, sehr ..... sehr lange besteht, dann, ja dann könnte Sgr A* die Milchstraße irgendwann ganz verschlungen haben. Möglicherweise, denn Vorhersagen über solche Zeiträume sind entsprechend ungenau.
 
Im Falle des Big Freeze — dem allmählichen Auskühlen des Universums — hätte das Universum diese Zeit.
Schätzungen zufolge würden die Schwarzen Löcher dann in grob 101026 bis 101076 Jahren ihre Galaxien verschlungen haben.
 
Bis derart vollgefressene Schwarze Löcher — ihrer sog. Hawking-Strahlung wegen — verdampft sind, vergeht dann zusätzlich noch ein Vielfaches dieser Zeit.
 
Die Sonne existiert noch rund 5 Milliarden Jahre, das ist eine 5 mit 9 statt mit 1026 Nullen.
 


 
Mehr zu SGR A* findet sich auf Seite 19 von Gerhard Graw: 2004 wurde nachgewiesen, dass SGR A* zu 4,31 Mio Sonnenmassen äquivalent ist.

 

 
Schwarze Löcher sind keineswegs selten

 
Man geht heute davon aus, dass es im All vor Schwarzen Löchern nur so wimmelt:
 
2004 etwa hat man gleich neben Sagittarius A eine zweites, kleineres Schwarzes Loch entdeckt: IRS 13E.
 
Im Januar 2005 wurden mit Hilfe von Chandra, einem Röntgen-Teleskop-Satelliten, Helligkeitsausbrüche in der Nähe von Sagittarius A beobachtet, die darauf schließen lassen, dass dieses supermassive zentrale Schwarze Loch in einem Umkreis von etwa 70 Lichtjahren von sogar tausenden Schwarzer Löcher umkreist wird (man spricht von 10 bis 20 Tausend).

 

 Beitrag 0-196
Schwarze Löcher können rotieren und pulsieren

 
 

 
Schwarze Löcher können rotieren und pulsieren

 
 
Der Horizont nicht rotierender Schwarze Löcher hat exakt die Form einer Kugel. Wenn sie aber rotieren, erzeugen sie nicht nur einen Strudel im Raum, sondern auch eine Verzerrung ihres Horizonts (ähnlich der Verzerrung der Erdoberfläche aufgrund der Rotation der Erde. Zentrifugalkräfte wölben den quator der Erde gegenüber den Polen um 22 km nach außen): Der Horizont bekommt dann die Form eines Ellipsoids.
 
Kein Schwarzes Loch kann beliebig schnell rotieren: Seine maximale Rotationsgeschwindigkeit ist dadurch gegeben, dass sie auf dem Ereignishorizont stets kleiner als die Lichtgeschwindigkeit sein muss.
 
So benötigt z.B. ein Schwarzes Loch mit der Masse unserer Sonne wenigstens 0,62 Microsekunden für eine Umdrehung. Ein 1000 Mal so schweres Scwarzes Loch hätte einen 1000-fach größeren Umfang, würde also mindestens 62 sec für eine Umdrehung benötigen.
 
 
1971 hatten Comutersimulationen ebenso wie andere Rechnungen gezeigt, das die Raumzeit sich in naher Umgebung rotierender Schwarzer Löcher kräuselt. Man hat diese Kräuselung interpretiert als Gravitationswellen, sah dann aber, dass diese hin und her wogenden Kräuselungen sich auch als ein Pulsieren des Lochs auffassen lassen — als Schwingungen seines Ereignishorizonts.
 
Da Glocken und Sterne natürliche Eigenfrequenzen haben, mit denen sie bevorzugt schwingen, hat man sich gefragt, ob das nicht vielleicht auch für Schwarze Löcher gilt. Und in der Tat: Computersimulation bewies, dass das so ist.
 
Wenn ein schlecht ausgewuchteter Autoreifen sich zunehmend schnell dreht, entzieht die hierbei entstehende Vibration seiner Drehbewegung Energie. Hierdurch wird die Vibration stärker, und im Extremfall kann der reifen sich losreißen. Physiker bezeichnen dieses Phänomen als » instabile Vibration «.
 
Da man sich einer ähnlichen Erscheinung bei rotierenden Sternen bewusst war, dachte man zunächst, auch der Drehbewegung eines Schwarzen Lochs könne so Energie entzogen werden bis hin zu dem Ausmaß, dass das Loch schließlich zerbersten könnte.
 
Wie Rechnungen und Computersimulation dann aber gezeigt haben, ist das nicht der Fall. Es gilt vielmehr: Ganz gleich, wie schnell ein Schwarzes Loch rotiert, seine pulsierende Bewegung bleibt stabil und klingt langsam ab: Zwar entziehen die Schwingungen dem Loch in der Tat Rotationsenergie, doch sie strahlen auch Energie in Form von Gravitationswellen ab. Die Rate, mit der sie Energie ausstrahlen ist jedoch stets größer als die, mit der sie Energie aus der Rotation des Lochs gewinnen.
 
Ihr Pulsieren wird deswegen ständig schwächer, so dass ein Schwarzes Loch durch sein Pulsieren niemals entzweigerissen werden kann.

 
 
Quelle: Kip S. Thorne: Gekrümmter Raum und verbogene Zeit (1995), S. 335-338


 

 Beitrag 0-198
Warum es heute kaum noch extrem kleine Schwarze Löcher geben kann

 
 

 
Extrem kleine Schwarze Löcher in großer Zahl

kann es heute nicht geben

 
 
Je größer ein Schwarzes Loch ist, desto geringer sind seine Temperatur und seine Hawking-Strahlung und desto langsamer wird es verdampfen.

 
Seine Lebensdauer ist proportional zur 3-ten Potenz seiner Masse.
 
Nach Rechnungen aus 1975 beträgt die Lebensdauer eines Schwarzen Lochs mit doppelter Sonnenmasse etwa 1067 Jahre.

 
Beides zusammen zeigt uns, dass im Urknall entstandene Schwarze Löcher (sog. primordiale – urzeitliche –) nur dann heute noch existieren können, wenn sie damals mindestens die Masse eines mittelgroßen Berges hatten.
 
Derart kleine Schwarze Löcher können im heutigen Universum nicht entstehen, da der Entartungsdruck sowie der Druck aufgrund von Kernreaktionen den Gravitationskollaps solch kleiner Massen verhindern. Sie könnten aber im Urknall entstanden sein, da alle Materie damals einem Druck unterworfen war, der den im Inneren eines heutigen Sterns bei weitem übertraf.
 
Rechnungen — durchgeführt von Hawking und unabhängig davon seitens russischer Wissenschaftler — zeigen, dass winzige Klumpen in der aus dem Urknall entstandenen Materie kleine Schwarze Löcher gebildet haben könnten, wenn die Zustandsgleichung dieser Klumpen » weich « war, d.h. wenn der Druck bei Volumenverminderung nur langsam anstieg.
 
Wenn solche Klumpen dann nämlich durch sie umgebende Materie stark komprimiert wurden, könnten sie zu Schwarzen Löchern geworden sein (eine Vorgang, der vergleichbar wäre mit dem Entstehen von Diamanten, wenn gewaltige Kräfte Kohlenstoff zusammen drücken).
 
 
Heute noch existierende primordiale Schwarze Löcher müssten in hohem Maße Teilchen abdampfen — Teilchen jeder Art, also z.B. auch Gammastrahlung (d.h. hochenergetische Photonen, die auf zufälligen Bahnen den Raum durchqueren).
 
Solche Gammastrahlung existiert, doch lässt sie sich in der beobachteten Intensität durch andere Prozesse erklären. Da also nicht mehr beobachtet wird, folgt aus Rechnungen von Hawking und Page, dass jedes Kubik-Lichtjahr unseres Universums höchstens 300 heute noch nicht verdampfter primordialer Schwarzer Löcher enthalten kann.
 
 

Quelle: Kip S. Thorne: Gekrümmter Raum und verbogene Zeit (1994), S. 512-513


 

 Beitrag 0-263
Schwarze Löcher » verdampfen « mit wachsender Geschwindigkeit und explodieren schließlich

 
 

 
Wie stark strahlen Schwarze Löcher?

 
 
Hawking wurde bekannt durch seine Entdeckung, dass auch Schwarze Löcher Strahlung, ja sogar Materie abgeben, sozusagen "verdampfen".
 
Ein Schwarzes Loch mit n-facher Sonnenmasse wird in 1064n3 Jahren verdampft sein.



Hawking schrieb dazu (1977 im Scientific American):
 
Inzwischen ist die mathematische Evidenz dafür, dass Schwarze Löcher thermisch emittieren können, durch einige andere Forscher mittels verschiedenster Verfahren bestätigt worden. Ich will nur eine Möglichkeit beschreiben, wie man sich das erklären kann:
 
Die Quantenmechanik sagt, dass der Raum mit Paaren virtueller Teilchen erfüllt ist, die ständig paarweise entstehen (als Teilchen und ihm zugeordnetes Antiteilchen), um sich dann aber schnell wieder – durch Zusammenkommen – gegenseitig zu vernichten. Man kann sie nicht direkt, einzeln also, beobachten, wohl aber über indirekte Effekte messen (die sog. Lamb-Verschiebung, welche sie im Lichtspektrum angeregter Wasserstoffatome hervorrufen, bestätigt ihre Existenz).
 
In Gegenwart eines Schwarzen Lochs kann nun ein Partner so eines Paares virtueller Teilchen ins Loch fallen. Das im Stich gelasse Teilchen oder Antiteilchen kann ihm entweder folgen oder kann ins Unendliche entwichen, wo es dann den Eindruck hervorruft, es sei vom Schwarzen Loch emittierte Strahlung.
 
Dieser Prozess läasst sich aber auch so verstehen, dass der ins Schwarze Loch fallende Partner – nehmen wir an, das Antiteilchen – in Wirklichkeit ein Teilchen ist, das sich in der Zeit rückwärts bewegt, also aus dem Schwarzen Loch herauskommt. Wenn es den Punkt erreicht, an dem sich das Paar ursprünglich materialisiert hat, wird es vom Gravitationsfeld gestraut, so dass es sich nun vorwärts durch die Zeit bewegt.
 
So ist es nach der Quantenmechanik einem Teilchen möglich, aus dem Inneren eines Schwarzen Lochs zu entwichen – etwas, das die klassische Mechanik nicht zulässt. Die Atom- und Kernphysik kennt noch viele andere Situationen, in denen es eine Art Barriere gibt, die nach klassischen Prinzipien für Teilchen undurchdringlich ist, welche sie dank quantenmechanischer Prinzipien aber dennoch durchtunneln können.
 
Die Dicke der Barriere um ein Schwarzes Loch ist proportional zu seiner Größe, so dass ein messereiches Schwarzes Loch nur wenig, ein extrem kleines aber sehr stark strahlen kann:
     
  • Ein Schwarzes Loch mit Sonnenmasse hat eine Temperatur von nur etwa 10-7 Kelvin,
     
  • eines mit etwa einer Milliarde Tonnen — d.h. ein urzeitliches Schwarzes Loch von etwa der Größe eines Protons — aber hat eine Temperatur von etwa 120 Milliarden Kelin. Es ist deswegen in der Lage, Elektron-Positron-Paare und masselose Teilchen zu erschaffen, beispielsweise Photonen, Neutrinos und Gravitonen und würde Energie so viel freisetzen wie etwa 6 große Kernkraftwerke zusammen.

Solcher Teilchenemission wegen verliert ein Schwarzes Loch ständig an Masse und Größe, wird sich also irgendwann verflüchtigen.
 
Bei großen Schwarzen Löchern wird dieser Prozess sehr viel Zeit in Anspruch nehmen — etwa 1066 Jahre, falls so ein Loch Sonnenmasse hat.
 
Je kleiner das Loch wird, desto mehr beschleunigt sich der Verdampfungsprozess, und so sollten urzeitliche Schwarze Löcher von [ damals? ] Protonengröße sich heute fast völlig aufgelöst haben. Sie müssten jetzt harte Gammastrahlen von etwa 100 Mio eV emittieren.
 
Nach Berechnungen von Don N. Page, die auf Messungen des kosmischen Gammastrahlenhintergrunds durch den Satelliten SAS-2 beruhen, sollte die durchschnittliche Dichte urzeitlicher (man sagt: primordaler) Schwarzer Löcher heute bei etwa 200 pro Kubiklichtjahr liegen, so dass das der Erde nächstgelege von uns etwa so weit entfernt sein könnte wie Pluto.
 
Das letzte Stadium der Auflösung eines Schwarzen Lochs würde sich so rasch vollziehen, dass es in einer gewaltigen Explosion mündet. Wie stark sie sein würde, hinge ab von der Zahl der vorhandenen Elementarteilchen-Familien:
     
  • Bestünden alle Teilchen aus — wie wir heute (1977) annehmen — sechs Arten von Quarks, würde die abschließende Explosion ein Energiäquivalent von etwa 10 Mio Wasserstoffbomben zu je einer Megatonne aufweisen.
     
  • Andererseits hat Rolf Hagedorn (CERN) eine Theorie vorgeschlagen, derzufolge es unendliche viele Familien von Elementarteilchen mit immer größerer Masse geben muss. Während das Schwarze Loch dann also immer kleiner würde, würde es zunehmend mehr Elementarteilchen — und auch Arten von Elementarteilchen — emittieren und schließlich in einer Explosion enden, die womöglich 100 000 Mal heftiger sein könnte als die nach der Quark-Hypothese.

Und so könnte Beobachtung der Explosion eines Schwarzen Lochs sehr wichtige Information über die Physik der Elementarteilchen liefern — Information, die möglicherweise auf keinem anderen Weg zu beschaffen ist.
 
Ein vorläufiges Experiment von Neil A. Porter und Trevor C. Weekes (Dublin) deutet darauf hin, dass — wenn Hagedorns Theorie zutreffen sollte — es pro Jahrhundert und Kubiklichtjahr in unserer Region der Milchstraße ein bis zwei Explosionen Schwarzer Löcher geben könnte. Von ihnen ausgesandte Elektronen und Positronen würden eine Stoßwelle im elektrischen Feld verursachen: sog. Cherenkov-Strahlung, die von der Erde aus als Lichtblitz wahrnehmbar wäre.
 


 
Quelle: Stephen Hawking: Einsteins Traum, Expeditionen an die Grenze der Raumzeit, Rowohlt 1993, S. 104-110

 


Hawking erklärte dort weiter:
 
Die von einem Schwarzen Loch emittierten Quanten kommen aus einer Region heraus, die ein außen weilender Beobachter nur nach Masse, Drehimpuls und elektrischer Ladung kennen kann. Alle aus ihr kommenden Konfigurationen emittierter Teilchen, welche [ als Konfiguration ] gleiche Energie, gleichen Drehimpuls und gleiche Ladung haben, sind gleich wahrscheinlich. Tatsächlich könnte es sich dabei — allerdings nur mit extremst geringer Wahrscheinlichkeit — auch um einen Fernsehapparat oder Prousts Werke in 10 Lederbänden handeln. Die wahrscheinlichsten Konfigurationen aber entsprechen einer Emission mit nahezu thermischem Spektrum.
 
Prinzipiell gilt: Das Schwarze Loch wird vorzugweise Teilchen emittieren, deren Ladung das gleiche Vorzeichen hat wie seine eigene, wird also an Ladung verlieren. Gleiches gilt für Drehimpuls.
 
Das Schwarze Loch "erinnert sich" sozusagen an die elektrische Ladung, den Drehimpuls und die Masse der kollabierten Materie — aber an nichts sonst, da nur diese drei Größen an fernwirkende Felder gekoppelt sind: Ladung ans elektrische Feld, Masse und Drehimpuls ans Gravitationsfeld.
 
Experimente von Robert H. Dicke (Princeton) und Wladimir Braginskij (Moskau) deuten darauf hin, dass kein fernwirkendes Feld mit der Quanteneigenschaft Baryonenzahl verknüpft ist. Deshalb würde ein Schwarzes Loch, das seine Existenz dem Zusammensturz einer Ansammlung von Baryonen verdankt (Proton und Neutron gehören dazu) seine Baryonenzahl "vergessen" und somit Baryonen und Antibaryonen in gleicher Zahl abstrahlen. Durch sein Verdampfen würde es daher gegen eines der heiligsten Gesetze der Quantenphysik verstoßen: das Gesetz der Baryonenerhaltung. Es lautet: Wo in einem Quantenereignis Teilchen verschmelzen und neu entstehen, bleibt die Anzahl der Baryonen minus die Anzahl der Antibaryonen konstant. Gleichbedeutend damit ist, dass die Zahl der Baryonen erhalten bleibt [1].
 



 

 Beitrag 0-289
Warum Physiker die Planck-Länge als untere Grenze gerade noch Sinn machender Abstandsangaben sehen

 
 

 
Warum Physiker die Planck-Länge als untere Grenze
 
aller gerade noch Sinn machenden Abstandsangaben sehen

 
 
Der Physiker Gerhard Graw erklärt uns das in seinem Aufsatz Kosmologie, einfach auf Seite 20-21 wie folgt:

Gerhard Graw:
 
Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie kennt den Urknall nur als Singularität, in der alle Abstände zu Null schrumpfen. Diese mathematische Aussage widerstrebt dem physikalischen Denken. Wie kleine Abstände also kann man sich als gerade noch sinnvoll vorstellen?
 
Auch wenn wir noch keine Theorie haben, die Gravitation und Quantenmechanik vereinigt, kann man folgende Überlegung anstellen:
 
Heisenbergs Unschärferelation besagt, dass bei extremer Beschränkung des Raums der Impuls und damit die Energie sehr groß werden. Nun lässt sich aber jeder Masse (bzw. jeder Konzentration von Energie) ihr sog. Schwarzschild-Radius zuordnen. Wird er größer als die betrachtete Lokalisation, so diskutiert man eine Lokalisation innerhalb eines Schwarzen Lochs. Das aber ist von einem Standpunkt außerhalb des Lochs physikalisch sinnlos.
 
Daher also wird eine Länge von 10-35 Meter, als kleinster, physikalisch gerade noch Sinn machender Wert für Abstandsangaben gesehen.
 



 

 Beitrag 0-291
Zum Schicksal Schwarzer Löcher

 
 

 
Zum Schicksal Schwarzer Löcher



Rüdiger Vaas ( in Hawkings Kosmos einfach erklärt, 2011, S. 172-175 ):
 
Bekenstein konnte zeigen, dass die Entropie eines Schwarzen Lochs proportional zur Fläche seines Ereignishorizonts ist. Doch was Entropie hat, besitzt auch Temperatur und muss daher Wärme abgeben. Dies — so hat Hawking erkannt — bedeutet, dass selbst Schwarze Löcher nicht völlig schwarz sein können: Sie müssen Strahlung abgeben — wie wenig auch immer.
 
Hawkings Argumentation nach entzieht die Unschärferelation dem Gravitationsfeld eines Schwarzen Lochs Energie: Quanteneffekte an seinem Ereignishorizont sorgen dafür, dass Schwarze Löcher Energie abgeben — und zwar umso mehr, je kleiner und masseärmer sie sind. Ab einer hinreichend kleinen Größe explodieren sie dann förmlich.
 
Ihre Temperatur ist im Normalfall winzig — bei einem stellaren Schwarzen Loch beträgt sie noch nicht mal 10-7 Kelvin —, doch wenn der Raum ständig expandiert und das Universum beliebig alt werden kann, werden irgendwann sämtliche Schwarzen Löcher tatsächlich verdampfen. Gegenwärtig allerdings gewinnen sie schon allein durch die kosmische Hintergrundstrahlung noch mehr dazu als sie verlieren.
 
Bis ein stellares Schwarzes Loch verdampft ist, dauert das etwa 1066 Jahre. Für eines der besonders großen, wie sie sich im Zentrum von Galaxien finden, sogar bis zu 10100 Jahre.
 
Nun lässt zwar das Ende gewöhnlicher Schwarzer Löcher ja noch lange auf sich warten, aber vielleicht kann man solche Explosionen dennoch schon heute beobachten: Hawking und andere halten es nämlich für möglich, dass Dichteschwankungen während des Urknalls kleine Schwarze Löcher geschaffen haben, die so klein waren, dass sie heute nahezu verdampft sein müssten (man nennt sie primordale Schwarze Löcher).
 
Einige von ihnen könnten noch heut durchs All schwadronieren und intensive Gammastrahlung abgeben. In der Größe eines Protons hätten sie eine Masse vergleichbar des des Mount Everest (fast 1 Mrd. Tonnen). Im Zuge ihrer Explosion freigesetzte Energie entspräche der Sprengkraft, welche der simultanen Detonation einiger Millonen Atombomben entspräche.
 
Gammastrahlen-Teleskope haben zwar noch keine solchen Blitze erspäht, aber vielleicht nur deswegen, weil sie relativ selten sein müssten: Man rechnet mit höchstens einem pro Jahrhundert und Kubik-Lichtjahr.
 



 

 Beitrag 0-292
Können Schwarze Löcher Information exportieren?

 
 

 
Können Schwarze Löcher Information exportieren?
 
Welche genau?

 
 
Hawkings Argumentation, dass Schwarze Löcher Strahlung abgeben und daher irgendwann "verdampft" sein werden, wird allgemein anerkannt und gilt — obgleich experimentell noch nicht nachgewiesen — als eine der wichtigsten Erkenntnisse Theoretischer Physik.
 
Doch steht seitdem die Frage im Raum, ob — und wenn ja, in welchem Sinne genau — das Verdampfen Schwarzer Löcher Information zerstört.
 
Hawking selbst war ursprünglich der Meinung, die von ihm entdeckte Strahlung sei zu 100% thermisch, würde als keinerlei Information aus dem Schwarzen Loch heraustragen können. Da ins Schwarze Loch fallende Materie aber auf jeden Fall Informationsträger ist, müsste — spätestens nachdem das Loch verdampft ist — Information aus unserem Universum verloren gegangen sein.
 
Viele Physiker — insbesondere Susskind und Preskill — widersprachen ihm heftig und sind fest davon überzeugt, dass Information nicht verloren gehen kann. Dies hat zu zwei wichtigen Fragen geführt:
     
  • Gibt es einen Erhaltungssatz für Information?
     
  • Wenn ja: Auf welche Art von Information genau bezieht er sich?

Die zweite dieser Fragen findet man seltsamerweise nirgendwo wirklich diskutiert. Man scheint anzunehmen, dass es sich um genau die Information handelt, welche codiert ist durch die Wellenfunktion des Universums:
    A fundamental postulate of the Copenhagen interpretation of quantum mechanics is that complete information about a system is encoded in its wave function up to when the wave function collapses. The evolution of the wave function is determined by a unitary operator, and unitarity implies that information is conserved in the quantum sense.
     
    Man kann bezweifeln, ob das Argument, die Evolution sei wenigstens prinzipiell umkehrbar, hier Sinn macht: Die Umkehrung könnte ja schließlich nur dann gedacht werden, wenn die Natur für jeden Kollaps der Wellenfunktion festhalten würde, welcher Operator ihn bewirkt hat.
     
    Glaubwürdiger erscheint: Wenn ein Schwarzes Loch ein Raumschiff verschluckt, in dem jemand gerade eben ein Gedicht schrieb oder einen zündenden Gedanken hatte, wird dieses Gedicht oder dieser Gedanke ein für alle Mal verloren sein.

 
Im Juli 2004 hat Hawking sich zur Meinung seiner Kritiker bekehrt und auf der 17. Internationalen Konferenz für Allgemeine Relativitätstheorie und Gravitation Argumente vorgetragen, die ihn zu seinem Sinneswandel bewogen hatten. Seine Beweisführung allerdings scheint niemand verstanden oder gar als ausreichend nachvollziehbar eingestuft haben.
 
Erst Jahre später, in 2016, hat Hawking auf ArXiv erneut ein Papier dazu veröffentlicht, das zu einem Beweis führen könnte. Es schließt mit den Worten:
    We have reconsidered the black hole information paradox in light of recent insights into the infrared structure of quantum gravity. An explicit description has been given of a few of the pixels in the holographic plate at the future boundary of the horizon. Some information is accessibly stored on these pixels in the form of soft photons and gravitons. A complete description of the holographic plate and resolution of the information paradox remains an open challenge, which we have presented new and concrete tools to address.

 
Letztlich hat Hawking damit zugegeben, dass die Frage, ob Schwarze Löcher nicht vielleicht doch Information vernichten, bis heute noch nicht zuverlässig genug beantwortbar ist:

 
Obgleich die Mehrheit der Physiker nicht bereit ist, an Informationsverlust zu glauben, gibt es noch keinen wirklichen Konsens.
 
Insbesondere ist völlig unklar, wie Hawking-Strahlung Information aus dem Loch heraustragen könnte.


 

  Beitrag 1948-35
Von Schwarzen Löchern freigegebene Information

 
 
E... aus 1948-31:
Guten Morgen Grtgrt.

Dein Erhaltungssatz bzw. Definition bezieht sich auf abgeschlossene Systeme. Nun ist ein schwarzes Loch mit Sicherheit ein abgeschlossenes System.
Was geschieht Deiner Meinung nach mit den Informationen die in ihm (dem schwarzen Loch) verschwinden? Bleiben sie dergestalt erhalten das man sie wieder ans Tageslicht befördern kann?

Hi E...,

diese Frage solltest du Steven Hawking stellen. Soweit ich weiß
  • war er urprünglich der Meinung, in einem Schwarzen Loch festgehaltene Information wäre daraus nicht mehr zu befreien.
  • Später aber hat er erkannt, dass dem nicht so ist, da Schwarze Löcher sich (sehr) langsam, aber doch sicher selbst auflösen durch Abgabe von etwas, das man heute wohl die "Hawking Strahlung" nennt. Sie "verdampfen" regelrecht. Damit wird auch jene Information wieder frei: in Form vom Schwarzen Loch abgegebener Entropie.

Gruß, grtgrt
 

PS: In Wikipedia liest man: "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 in Form von Strahlung abgegeben, was einen tieferen Zusammenhang zwischen beiden Größen nahelegt."

 

  Beitrag 2024-1
Was abgeht, wenn Schwarze Löcher zusammenstoßen ...

 
 
Auf Wissen ist MAX — einem Wissensportal der Max-Planck-Gesellschaft — findet sich ein kurzer Artikel


über die Gewalt des Zusammenstoßes Schwarzer Löcher,


aus dem sehr schön klar wird, warum es so schwierig ist, Gravitationswellen zu messen, also nachzuweisen.

 

  Beitrag 2084-6
-

 
 
Hans-m in 2084-3:
 
Was wäre, wenn 2 SL mit enormer Geschwindigkeit zusammenprallen würden?
Wäre die dabei auftretende Energie ausreichend, eines, oder auch beide SL auseinderzureissen, zu "zerbröseln", ...?


Diese Frage findet sich beantwortet auf Seite What would happen if two black holes collided?

 

  Beitrag 1955-183
Was im Schwarzen Loch erhalten wird

 
 
Hans-m aus 1955-181:
 
Was ich damit sagen will ist, dass auch das, was uns das Schwarze Loch vorenthält, z.B das Licht, das darin verschwindet, uns Informationen liefern kann. So deutet die Tatsache, dass Licht in einem SL "rückstandslos verschlungen" wird, auf eine extreme Gravitation hin. Es sagt uns auch, dass die Fluchtgeschwindigkeit des SL grösser sein muss, als die Lichtgeschwindigkeit.

Henry aus 1955-177:
Die Information, die in einem SL verschwindet, ist danach nicht für alle Zeit verloren.

Informationen sind nicht verloren, sondern quasi darin konserviert. Ein aussen stehender hat darauf keinen Zugriff, was aber nicht bedeutet, dass die Information nicht mehr in unserem Universum existiert.


Hallo Hans & Henry:

was ihr beide hier mit "Information" bezeichnet, ist meiner Ansicht nach nur die Kapazität, jene Information zu speichern.

Wenn nämlich z.B. ein Heft, in dem sich jemand Telefon-Nummern notiert hat, in ein Schwarzes Loch fällt, wird das Wissen über jene Telefonnummern ganz sicher niemals mehr aus dem Schwarzen Loch rauskommen.

Gruß, grtgrt

 

  Beitrag 1955-185
-

 
 
Henry aus 1955-177:
 
Die Information, die in einem SL verschwindet, ist danach nicht für alle Zeit verloren.

Henry aus 1955-184:
 
Ich verstehe darunter elektrische Ladung, Spin, Masse, Drehimpuls, Impuls usw., kurz das, was im Wesentlichen z. B. ein Teilchen beschreibt.

Nachdem ein Schwarzes Loch ganz  e x t r e m  dicht gepackte Materie darstellt, werden die Teilchen darin doch auch besonders oft zusammenstoßen, sich in ihrem Zustand gegenseitig also ständig neu definieren (mindestens – aber wohl keineswegs nur – hinsichtlich Impuls, Drehimpuls, und Spin).

Unverändert erhalten bleiben kann eigentlich nur die Summe aller ins Loch gewanderten Energie und Ladung.

 

  Beitrag 1955-189
-

 
 
Henry aus 1955-188:
 
Ein SL hat einen inneren Aufbau (wie die mathematischen Modelle zeigen). Die Grenze zum Rest der Welt bildet der Ereignishorizont, abhängig vom Schwarzschild-Radius, das ist die Fläche, die keinerlei Materie oder Information mehr überwinden kann, wenn sie in das SL hineingefallen ist. Die Größe eines SL bemessen danach kann durchaus einige Astronomische Einheiten betragen. Was du ansprichst, ist der "Punkt" innerhalb des SL, wo die Dichte gegen unendlich geht, oder anders gesagt, wo die ART ihre Aussagefähigkeit einbüßt.

Guten Morgen, Henry,

was du mir hier erklärst, sehe ich auch so.
Ich kann aber NICHT erkennen, wieso daraus ein Widerspruch zu meiner Argumentation aus Beitrag 1955-185 folgen soll.

Was im Inneren des Schwarzen Loches liegt (d.h. schon hinterm Ereignishorizont) wird dort ja sicher mindestens so stark in Richtung der Singularität gezogen, wie etwas, das sich kurz vor dem Ereignishorizont — oder auf ihm — befindet. "Etwas" in diesem Sinne ist alles, was der Gravitationskraft unterliegt, d.h. alles, was Energie trägt, auf jeden Fall also alle Elementarteilchen. Andere Informationsträger aber kann ich nicht erkennen.

Nachdem nun aber all dieses Teilchen auf denselben Punkt hin beschleunigt werden, können sie gar nicht anders, als zuzusammenzustoßen — und zu solchen Zusammenstößen wird es allein schon der Unschärfe-Relation wegen nicht erst in der Sigularität selbst kommen.

Gruß, grtgrt

PS: In Wikipedia steht explizit:

Zitat:
 
None of the special particle physics pseudo-charges (baryonic, leptonic, etc.) are conserved in the black hole.

 

  Beitrag 1955-191
Was auf dem Ereignishorizont codierbar ist (natürlich nur in Gedanken)

 
 
Henry aus 1955-190:
Übrigens gibt es eine These (weiß im Moment nicht, von wem), die besagt, dass die Information im Ereignishorizont "codiert" ist.

So ist es. Wikipedia nennt Details:

Zitat:
 
Der Ereignishorizont, als vom Schwarzschildradius gebildete Grenzfläche des Schwarzen Loches, ist ein direktes Maß für die Entropie oder den Informationsgehalt des eingeschlossenen Raumvolumens und damit der darin enthaltenen Massen.

Ein Schwarzes Loch stellt immer die maximal mögliche Materiekonzentration eines Raumgebietes dar und somit auch die Obergrenze an möglicher Entropie oder Information in dem von ihm eingenommenem Raumvolumen (Bekenstein-Grenze).

Das holografische Prinzip postuliert, dass jede Information, die den Ereignishorizont eines Schwarzen Loches überschreitet, auf der vom Schwarzschildradius aufgespannten Grenzfläche vollständig codiert wird, ähnlich einem zweidimensionalen Hologramm, das eine dreidimensionale Bildinformation enthält.

Da der Schwarzschildradius eines Schwarzen Loches lediglich direkt proportional zu dessen Masse ist, wächst das codierbare Volumen mit dem Quadrat der Oberfläche. Um das vierfache Volumen zu codieren ist so lediglich eine Verdoppelung der Grenzfläche vonnöten, oder anders ausgedrückt, die Informationsdichte eines Raumgebietes nimmt mit dessen Volumen ab (wie analog, mit der Größe eines Schwarzen Lochs auch dessen mittlere Massendichte abnimmt). Oder knapper: Information gleich Fläche.
 

PS: Dass jene Info auf dem Ereignishorizont kodiert ist, darf man wohl nicht wörtlich nehmen. Wirklich gemeint ist, dass sie dort kodiert sein  k ö n n t e  (denkt man sich jene Fläche nämlich zerlegt in Quadrate, deren Seitenlänge gerade ein Planck-Länge ist, so ist die Zahl dieser Quadrate gleich der Zahl der Bits, die notwendig sind, die maximal im Schwarzen Loch vorhande Information binär zu kodieren).

 

  Beitrag 1955-195
Wie konkret das Holographische Prinzip (theoretischer Physik) wirklich ist

 
 
Henry aus 1955-192:
 
... gemeint ist die Äquivalenz der Beobachtung direkt am Horizont und weit weg davon. Der Beobachter am Ereignishorizont sieht die Information der Materie "codiert" im Ereignishorizont.

Durch die Hawking-Strahlung wird die Information (sehr viel später) wieder freigesetzt. Susskind heißt der Mensch übrigens.

Hallo Henry,

mir scheint, wir haben beide das sog.   holographische Prinzip (im Sinne der Physik)  konkreter verstanden, als es bisher ist:
  • Du denkst » Der Beobachter am Ereignishorizont  s i e h t  die Information der Materie "codiert" im Ereignishorizont «.
  • Ich dachte bisher, es sei eine » mathematisch exakte Isomorphie des 3-dimensionalen Raumes innerhalb des Ereignishorizonts eines materie-behafteten physikalischen Objekts auf seinen 2-dimensionalen Ereignishorizont «.

Wir liegen da wohl beide falsch, denn
  • zum einen ist der Ereignishorizont ist eine nur gedachte Kugeloberfläche (auf der man deswegen nichts wirklich sehen kann),
  • und zum anderen liest man in Wikipedia, dass das holographische Prinzip "in Theorien der Quanten-Gravitation" nur eine  V e r m u t u n g  sei (statt mathematisch exakter Isomorphie also nur eine  A n a l o g i e ).

Mit anderen Worten: Wer, wie wir beide, die Stringtheorie nicht wirklich versteht, für den bleibt das Ganze nur ein Wort, dessen Sinn man nicht wirklich verstehen kann.
Schade — aber wohl nicht zu ändern.

Beste Grüße,
grtgrt

 

  Beitrag 2009-5
Was man unter dem » Verdampfen « Schwarzer Löcher versteht

 
 
Henry aus 2009-4:
Rockdee aus 2009-3:
 
Habe mal ne Frage ...
Die Hawking-Strahlung besagt doch, dass SL Strahlung emittieren.
Würde das nicht heißen, dass der Kosmos doch noch Zugang zu Informationen des SL habe?
Oder muss ich hier den informationsbegriff anders verstehen?

Diese Strahlung entsteht dadurch, dass direkt am Ereignishorizont so genannte "virtuelle Teilchen" entstehen. Die entstehen immer als Teilchen-Paare, Teilchen - Antiteilchen. Die Teilchen-Paare Vernichten sich gewöhnlich sofort wieder - deshalb "virtuell" -, aber am Ereignishorizont kann eins der Teilchen im SL verschwinden, und das andere entweicht ins All - und aus diesen Teilchen besteht die Strahlung.

Es ist also keine Information über das SL, außer, das sich seine Masse vergrößert.


Nein Henry,

es ist keineswegs so, dass die Masse des Schwarzen Lochs sich so vergrößert —  genau das Gegenteil ist richtig: Sie  v e r k l e i n e r t  sich  ( weswegen man denn auch sagt, das SL "verdampfe" ).

Folgende Erklärung auf ThinkQuest.org begründet das:

Zitat:
 
Da virtuelle Teilchen überall, sogar im Vakuum auftauchen können, stellen wir uns vor, dass ein Paar virtueller Photonen direkt vor dem Ereignishorizont eines schwarzen Loches mit entgegengesetztem Spin und Impuls auftauchen. Stellen wir uns nun vor, dass die Gezeitenkräfte des Loches es schaffen, in der kurzen Verweildauer von nur das virtuelle Photonenpaar zu trennen und sich ein Photon einzuverleiben, während das andere Photon den Gezeitenkräften des schwarzen Loches entkommt. (Dies kann nur an der Grenze geschehen, an der die Fluchtgeschwindigkeit des schwarzen Loches die des Lichts (300000 km/s) übersteigt, d.h. am Ereignishorizont.)

Während sich das eine Photon also wieder in die Weiten des Alls begibt, ist das andere Photon unwiderruflich hinter dem Ereignishorizont verschwunden und somit vom restlichen Universum für immer abgeschnitten. Nun ist es aber so, dass der Energieerhaltungssatz nach der Heisenbergschen Unschärferelation nur sehr kurz verletzt werden darf. Die Energie, die dem System "Vakuum und Schwarzes Loch" durch das Auftreten des virtuellen Photonenpaares entzogen wurde, muß ihm wieder zurückgegeben werden. Das ist in diesem Fall die Energie zweier Photonen.

Vom entkommenden Photon kann allerdings keine Energie zurückgegeben werden, denn es wechselwirkt nicht mehr mit dem schwarzen Loch. Durch den Verlust seines Partners wurde es in ein reelles Photon umgewandelt. Dieses Photon ist in den Weltraum entflohen. Aber auch das vom schwarzen Loch eingefangene Photon kann seine Energie an das Vakuum nicht zurückgeben, denn es ist für immer aus dem Universum verschwunden. Also muß das schwarze Loch sich dazu bereit erklären, dem Vakuum seine Energie zurückzugeben, damit der Energieerhaltungssatz wieder zutrifft. In diesem Fall muß es die Energie des eingesogenen und des entkommenen Photons zurückgeben. Da es die Energie des eingesogenen Photons für sich gewinnen konnte, büßt es dennoch die Energie des ent­kommenden Photons ein. Durch diesen Energieverlust verliert es Masse. Das schwarze Loch "verdampft" also.

Da Photonen nicht nur Energie, sondern auch Impuls und Drehimpuls besitzen, behält das schwarze Loch nicht nur die Energie des eingefangenen Photons (die es dem Vakuum aber wieder zurückgeben mußte), sondern auch dessen Impuls und Drehimpuls. Dadurch, dass das reelle Teilchen entkommt, erscheint es einem äußeren Beobachter, als ob das schwarze Loch strahle.
 
 

  Beitrag 2009-7
-

 
 
Henry aus 2009-6:
 
Das SL verdampft, das ist richtig, aber erst dann, wenn die Temperatur der Umgebung, also des gesamten Kosmos unter die Temperatur des SL gefallen ist, in 10 hoch 100 Jahren, und damit ist überhaupt nicht gesagt, dass die Information, die in das SL gefallen ist, verloren ist - Hawking hat seine Ansicht darüber geändert, die Information ist nicht verloren.


Der erste Teil dieser Aussage ist absolut falsch.

Tatsache ist, dass ein Schwarzes Loch erst dann Masse zu verlieren beginnt, wenn seine Temperatur unter eine — von seiner Masse abhängige — Schwelle sinkt.
Falsch aber ist, dass es dazu erst mal 10100 Jahre alt geworden sein muss. In Wikipedia liest man:

Zitat:
 
Quantentheoretische Überlegungen zeigen, dass jedes Schwarze Loch auch Strahlung abgibt. Es findet dabei kein Materie- oder Energietransport aus dem Inneren des Schwarzen Lochs statt. Tatsächlich entstehen Paare von virtuellen Teilchen in der unmittelbaren Umgebung (Casimir-Effekt), von denen manchmal nur eines in das Schwarze Loch gerät und dort anschaulich als negative Energie verrechnet werden muss und somit die Gesamtenergie des Schwarzen Lochs vermindert. Dem außerhalb verbliebenen Teilchen wird gleichzeitig Energie zugeführt und dieses wird letztlich real.

Durch theoretische Betrachtungen kann diesem Teilchen eine Wellenlänge und damit auch eine Temperatur zugeordnet werden. Von außen betrachtet sieht es also so aus, als würde das Schwarze Loch "verdampfen" und somit langsam kleiner werden. Die beobachtbare Temperatur bzw. Strahlungsfrequenz hängt umgekehrt proportional von der Masse ab. Dies bedeutet für sehr kleine primordiale Schwarze Löcher, dass sie sehr heiß sein und dementsprechend stark strahlen müssten, aber auch schnell verdampfen sollten, eventuell sogar so schnell, dass die beim Urknall entstandenen bereits alle zerstrahlt sein könnten.

Die dabei entstehende Strahlung wäre aber sehr charakteristisch und könnte vielleicht als Nachweis solcher Löcher dienen. Andererseits gibt die Tatsache, dass man diese Strahlung bisher nicht gesehen hat, eine Obergrenze für ihre Anzahl. Umgekehrt gilt jedoch schon für Schwarze Löcher stellarer Größe, dass sie sehr kalt sein müssen und damit nur sehr langsam an Masse verlieren würden. Ein Schwarzes Loch mit einer Masse von zehn Sonnenmassen hat eine Temperatur von nur wenigen Milliardstel Kelvin und ist damit viel kälter als seine Umgebung (rund 4 K). Effektiv würde es also sogar von seiner Umgebung aufgewärmt und gewänne daher Masse hinzu. Die Lebensdauer eines stellaren Schwarzen Lochs, die durch die Hawking-Strahlung begrenzt ist, ist größer als das bisherige Alter des Universums (rund 14 Milliarden Jahre).

 

 Beitrag 0-52
Warum Hawking-Strahlung nur kleine Schwarze Löcher schrumpfen (verdampfen) lassen kann

 
 

 
Warum nur kleine Schwarze Löcher verdampfen können

 
 
Wie Steven Hawking 1973 entdeckt hat, kann Strahlung — können virtuelle Teilchen einzeln — aus der Umgebung eines Schwarzen Loches verschwinden.
 
Genauer: Die überall gegenwärtige Erzeugung und Vernichtung virtueller Teilchen durch Quantenfluktuation findet natürlich auch beliebig nahe am Ereignishorizont jeden Schwarzen Loches statt. Virtuelle Teilchen entstehen stets paarweise als Teilchen und entsprechendem Antiteilchen, wobei aufgrund der Energieerhaltung der eine Partner negative und der andere Partner positive Energie haben wird. Virtuelle Teilchen mit negativer Energie können ins Schwarze Loch fallen, womit es dann von seinem Partner durch den Ereignishorizont des Lochs getrennt wird und so als reales Teilchen in den freien Raum entkommen kann.
 
Das hineinstürzende Teilchen mit negativer Energie setzt dabei eben so viel potenzielle Energie frei, wie für eine Paarbildung sowie das Hinauskatapultieren des anderen Teilchens aus dem Gravitationsfeld nötig ist.
 
Nach Einsteins Gleichung E = mc2 sind Masse und Energie ein und dasselbe. Fließt also negative Energie in das Schwarze Loch, so verringert das seine Masse.
 
Diejenigen Teilchen, die dem Schwarzen Loch als reelle Teilchen entkommen, nennt man die Hawking-Strahlung. Bei großen schwarzen Löchern handelt es sich dabei fast ausschließlich niederenergetische Photonen. Der Grund hierfür: Je kleiner ein Schwarzes Loch ist, desto näher ist seine Hülle seinem singulären Mittelpunkt und entsprechend größer sind dann die Kraftdifferenzen in unmittelbarer Umgebung der Hülle.
 
 
Nur bei hinreichend kleiner Masse des Schwarzen Loches ist die Hawking-Strahlung intensiver als die kosmische Hintergrundstrahlung,
 
und so können nur  k l e i n e  Löcher mehr Energie durch Hawking-Strahlung verlieren als sie durch Aufsaugen von Hintergrundstrahlung gewinnen.

 
 
Wo nun aber die Hawking-Strahlung intensiver als die kosmische Hintergrundstrahlung ist, wird die Hülle ständig näher an die Singularität heranrücken, was ständig intensiver werdene Hawking-Strahlung zur Folge hat. Der Verdampfungsprozess schaukelt sich demnach von selbst auf.
 
Was schließlich im Grenzfall genau passiert, weiß man heute nicht wirklich; die Möglichkeiten — so schreibt Martin Bojowald — reichen von kompletter Verdampfung bis hin zu einem Verschwinden der Hülle. Träte letzteres ein, würde sich das als Explosion bemerkbar machen, in der ein Teil der vorher kollabierten Materie wieder zum Vorschein kommt — eben der Teil, der nich durch Hawking-Strahlung verloren ging.
 
 
Nebenbei: Obgleich die kosmische Hintergrundstrahlung heute schon auf -270 Grad Celsius abgekühlt ist, ist sie intensiver als die Hawking-Strahlung sämtlicher durch Astronomen heute beobachtbaren Schwarzen Löcher. Erst in sehr ferner Zukunft wird sich der Mikrowellen-Hintergrund infolge der Expansion des Raumes so weit verdünnt haben, dass dann auch schwere Schwarze Löcher verdampfen. Die sich dadurch ergebenden Phänomene werden wir Menschen sicher nicht mehr beobachten können.

 

  Beitrag 2009-86
Zur Temperatur Schwarzer Löcher (nach Lisa Randall)

 
 
Henry aus 2009-10:
 
... habe mich leider durch dich in die Irre führen lassen, denn wenn ein SL "verdampft" ist das ein termischer Prozess, und ein Objekt kann nur verdampfen, wenn es WÄREMER ist als die Umgebung. Die Temperatur eines SL ist aber nahe dem absoluten Nullpunkt. Erst in Äonen wird die Temperatur des Alls darunter gefallen sein (Expansion, kosmische Hintergrundstrahlung).


Hallo Henry,

ob das "Verdampfen" eines Schwarzen Lochs wirklich ein thermischer Prozess ist, sei mal dahingestellt (ich denke, es handelt sich hierbei eher um einen quanten­mechanischen Prozess, und das Wort "verdampfen" signalisiert nur eine Analogie: das Schrumpfen infolge des Prozesses).

So richtig klar wir das aber auch bei Lisa Randall nicht.

Völlig falsch aber ist deine Aussage, die Temperatur Schwarzer Löcher sei grundsätzlich eine nahe dem absolutem Nullpunkt. Hierzu wenigstens ist Lisas Aussage ganz klar.


Sie schreibt (aus Seite 201-202 ihres Buches "Die Vermessung des Universums"):

Zitat von Lisa Randall:
 
Die Oberfläche eines schwarzen Loches ist » heiß « und besitzt eine Temperatur, die von der Messe abhängt. Schwarze Löcher strahlen wie heiße Kohlen und geben Energie in alle Richtungen ab.

Sie saugen zwar immer noch alles auf, was ihnen zu nahe kommt, aber die Quantenmechanik sagt uns, dass Teilchen von der Oberfläche eines schwarzen Lochs als sog. Hawking Strahlung freigesetzt werden und dadurch Energie abtransportieren, so dass es sich langsam wieder auflöst. Dieser Prozess ermöglichst selbst einem großen schwarzen Loch, alle seine Energie letztlich abzustrahlen und zu verschwinden.

Da der LHC [ der Large Hadron Collider im CERN bestenfalls gerade genug Energie zur Erzeugung eines schwarzen Lochs hätte, wären die einzigen schwarzen Löcher, die er überhaupt bilden könnte, klein.
    Wenn ein schwarzes Loch zu Beginn klein und heiß wäre — wie z.B. eines, das möglicherweise im LHC erzeugt werden könnte — würde es höchstwahrscheinlich sofort verschwinden: Der auf die Hawking-Strahlung zurückgehende Zerfall würde es auf sehr wirksame Wiese auf nichts zurückschrumpfen lassen.
    Selbst wenn sich höher-dimensionale schwarze Löcher bildeten (unter der Annahme, dass [es zusätzliche Dimensionen wirklich gibt und diese Überlegung über­haupt richtig ist), würden sie daher nicht lange genug existieren, um irgendwelchen Schaden anzurichten.

Große schwarze Löcher verdampfen zwar langsam, aber winzige schwarze Löcher sind extrem heiß und verlieren ihre Energie beinahe augenblicklich.

In dieser Hinsicht sind schwarze Löcher recht merkwürdig: Die meisten Gegenstände, z.B. Kohlen, kühlen sich ab, wenn sie strahlen. Schwarze Löcher dagegen werden heißer. Die kleinsten sind die heißesten und strahlen daher am stärksten.
 

 

 Beitrag 0-111
Zur Temperatur Schwarzer Löcher (nach Dieter Lüst)

 
 

 
Temperatur und Zerfallszeit Schwarzer Löcher

 
 
Beim Betrachten des Energiespektrums der sog. Hawking-Strahlung Schwarzer Löcher stellt sich heraus, dass jedes Schwarze Loch eine Temperator besitzt, die umgekehrt proportional zur Masse des Lochs ist:
 
T  ≅  ( h/2π ) c3/M

 
 
Demnach strahlen schwere Löcher weniger als leichte.
 
Der Grund hierfür: Je geringer der Schwarzschild-Radius eines Schwarzen Lochs ist, desto stärker ist die Raumzeit an seinem Horizont gekrümmt. Eben diese Krümmung aber begünstigt das Entstehen von Hawking-Strahlung.
 
Dass die Hawking-Strahlung Schwarzer Löcher quantenmechanischer Natur ist, beweist die Tatsache, dass in die Formel zur Berechnung ihrer Temperatur das Plancksche Wirkungsquantum eingeht.
 
 
Ein 1012 kg schweres Scharzes Loch hat eine Temperatur von etwa 1012 Kelvin, eines, dessen Masse der unserer Sonne enspricht, eine von nur 10-18 Kelvin.
 
 
 
Die Zerfallszeit eines Schwarzen Lochs steigt mit der dritten Potenz seiner Masse.

 
 
Ein Schwarzes Loch mit der Masse der Sonne hat eine Lebensdauer von 1064 Jahren.
 
Entspricht die Masse eines Schwarzen Lochs aber der eines Elementarteilchens, so wird es schon in Bruchteilen einer Sekunde verdampft sein.
 
Aus eben diesem Grund muss man nicht fürchten, dass in Beschleuniger-Experimenten (am CERN etwa) entstehende Schwarze Löcher irgend welchen Schaden anrichten oder gar unkontrolliert wachsen könnten.
 
 
 
Quelle: Dieter Lüst: Quantenfische, DTV 2014, S. 208-209

 

  Beitrag 2009-90
-

 
 
Henry aus 2009-89:
 
Und was das Zerstrahlen angeht - natürlich ist die Hawking-Strahlung ein quantenmechanischer Effekt, aber die Strahlung ist eben nichts anderes als Wärmestrahlung (Photonen), also thermisch.


Virtuelle Teilchen können ganz grundsätzlich von jedem Typ sein.
Es wird lediglich so sein, dass der weitaus größte Prozentsatz davon wirklich Photonen sind.

 

  Beitrag 2009-24
Könnte unser Universum Schwarzes Loch eines größeren Universums sein?

 
 
Hans-m aus 2009-22:
Grtgrt aus 2009-20:
 
Was du [ Henry zu sagen versuchst, scheint zu sein:

Das SL (als Ganzes, als "Black Box" sozusagen) ist sehr wohl Teil des Universums,
dessen Raumzeit aber ist was anderes als die Raumzeit im INNEREN des SL.

War das so gemeint?

Ich denke je näher ich dem Zentrum des SL komme, desto mehr weichen die Bedingungen von den normalen Raumzeitbedingungen des Universums ab.
Im Zentrum vermute ich die maximale Abweichung.


Hallo Hans,

da die ART im Zentrum des Schwarzen Loches singulär wird, kann man eigentlich nur sagen: Ihren Aussagen ist umso weniger zu trauen, je näher man jenem Zentrum kommt.

Wenn ich mal unterstelle, dass Henry mit seinen Gegenfragen in Beitrag 2009-21 einfach nur "JA" meint, scheint mir, was er sich da vorstellt, vor allem deswegen interessant, da man dann jedes Schwarze Loch (als Black Box) auch als besonders großes Elementarteilchen unseres Universums sehen kann.

Das brächte mich dann zur Frage:

Kann es sein, dass der gesamte Kosmos eine Menge ineinander geschachtelter Raumzeiten ist?

Jedes Universum also Schwarzes Loch eines noch größeren Universums?


Gruß, grtgrt
 

  Beitrag 2009-49
-

 
 
Henry aus 2009-32:
 
Noch eine Frage an Gebhard:
Wie kommst du auf die absurde Idee, Schwarze Löcher seien "die Elementarteilchen" des Kosmos?

Auf diese Idee komme ich gar nicht, denn was ich tatsächlich schrieb, war ja:


grtgrt aus 2009-24:
 
Wenn ich mal unterstelle, dass Henry mit seinen Gegenfragen in Beitrag 2009-21 einfach nur "JA" meint, scheint mir, was er sich da vorstellt, vor allem deswegen interessant, da man dann jedes Schwarze Loch (als Black Box) auch als besonders großes Elementarteilchen unseres Universums sehen kann.

Und an was ich dabei dachte war:


Seinem Typ nach wird
  • jedes Elementarteilchen,
  • ebenso wie auch jedes Schwarze Loch
eindeutig charakterisiert durch nur 3 seiner Eigenschaften: Masse, Ladung, und Spin.


Beweis: SM und

Zitat von Brian Greene, page 281 of "The Hidden Reality":
 
According to the [no hair theorems, any two black holes that have the same mass, charge, and angular momentum (rate of rotation) are identical.

Was Greene hier mit "are identical" meint, muss man wohl korrekt übersetzen als "ununterscheidbar".


Abstrakt gesehen kann demnach jeder konkrete Wert eines Tripels ( Masse, Ladung, Spin ) als Typ eines Objekts gesehen werden, welches entweder Elementarteilchen oder Schwarzes Loch sein kann —  o h n e  dass wir mit Sicherheit sagen könnten, welcher der beiden Fälle denn nun tatsächlich vorliegt, wo man so ein Objekt beobachtet.

Auch Thomas Görnitz scheint Schwarze Löcher als Elementarteilchen einzuordnen (so jedenfalls suggeriert der letzte Satz des in Beitrag 2009-1 abgedruckten Zitats).

 

  Beitrag 2009-27
-

 
 
Hans-m aus 2009-26:
Grtgrt aus 2009-24:
 
Hallo Hans,

da die ART im Zentrum des Schwarzen Loches singulär wird, kann man eigentlich nur sagen: Ihren Aussagen ist umso weniger zu trauen, je näher man jenem Zentrum kommt.

Meinen und umschreiben wir hier nicht das gleiche, lediglich mit anderen Worten?
unter normalen Raumzeitbedingungen verstehe ich die Gesetzmässigkeiten von ART und SRT, sowie sonstige allgemeingültige Naturgesetze


Das sehe ich differenzierter:
  • N a t u r g e s e t z e  (wie etwa die Konstanz und die Größe der Lichtgeschwindigkeit) gelten wohl auch noch im Inneren eines Schwarzen Lochs.
  • ART und SRT aber sind lediglich  M o d e l l e  — Bilder also, die die Folgen gegebener Naturgesetze beschreiben. Und das keineswegs überall mit gleicher Genauigkeit.

 

  Beitrag 2009-41
-

 
 
Henry aus 2009-32:
 
Wenn gesagt wir, die Aussagekraft der ART verliert ihre Gültigkeit, ist damit die (angenommene) Singularität im Zentrum des SL gemeint, und nur die.
Dafür gibt es einen ganz simplen Grund: Die Singularität ist dimensionslos, also schlich null, und eine Division durch null ist nicht gestattet.

Nein, Henry,

das Modell versagt keineswegs nur im singulären Punkt selbst — dort also, wo es gar nicht mehr definiert ist.

Die Tatsache, dass ein für das Modell singulärer Punkt existiert, bedeutet, dass dieses Modell auch in kleinen Umgebungen jenes Punktes schon ungenau ist (und zunehmend ungenauer wird, je näher man ihm kommt). Wie singulär die Natur selbst sich in jenem Punkt verhält, bleibt dabei weitgehend offen.

Gruß, grtgrt
 

  Beitrag 2009-48
-

 
 
Henry aus 2009-47:
Grtgrt aus 2009-46:
 
Wir dürfen NICHT davon ausgehen, dass physikalische Modelle die Natur mit letzter Genauigkeit beschreiben.

Wir haben aber nur die "Modelle". Alles andere ist müßige Spekulation.


Alles andere ist keineswegs müßige Spekulation sondern guter Grund dafür, dass wir ständig nach besseren Modellen suchen.

Nebenbei: Von der ART weiß man, dass sie spätestens unterhalb der Planck-Skala keine sinnvollen Aussagen mehr macht (und damit auch in keiner Umgebung einer Singularität mehr, deren Radius kleiner als 10-33 cm ist).


Rüdiger Vaas schreibt:

Zitat:
At this scale, Einstein′s theory of general relativity fails.
Its subject is the connection between space, time, matter and energy. But on the Planck scale it gives unreasonable values — absurd infinities and singularities.

It carries therefore — as the American physicist John Wheeler, who knew Einstein personally, used to say — the seeds of its own destruction.
That means the theory indicates the limitations of its own applicability.

This is a restriction, but at the same time also an advantage: physicists cannot avoid looking for a better and more complete theory for the laws of nature at this fundamental level.

 

  Beitrag 2009-53
-

 
 
Stueps aus 2009-52:
Hallo Gebhard,

ich persönlich bin sehr vorsichtig, Elementarteilchen mit schwarzen Löchern zu vergleichen, aus folgenden Gründen:

1. Zeige mir ein schwarzes Loch mit Spin 1/2.
2. sind Spin eines Elementarteilchens und Drehimpuls eines SL anscheinend nicht das selbe:
 

Hi Stueps,

dein Argument 1 würde ich nicht gelten lassen,
dein Argument 2 aber sehr wohl.

Im übrigen bin auch ich keineswegs davon überzeugt, dass ein Schwarzes Loch sich wirklich in  j e d e r  Hinsicht wie ein (echtes) Elementarteilchen verhält.
Mir fällt nur auf, dass einige Physiker — mindestens Greene und Görnitz — das so andeuten.
Man müsste sie vielleicht mal explizit darauf ansprechen, wie ernst sie das meinen.

Auf jeden Fall gilt (siehe Abschnitt 7 eines Aufsatzes von Bertram Köhler):

Zitat:
 
Schwarze Löcher können in der M-Theorie als Schwingungszustände eines 3-Bran dargestellt und damit als Elementarteilchen mit Masse, Ladung und Spin aufgefaßt werden.

Zwei Physiker — Coyne und Cheng — gehen noch weiter:
Sie halten es für nicht unmöglich, dass sogar  j e d e s  Elementarteilchen einfach nur ein Schwarzes Loch sein könnte.

Gruß, grtgrt

 

  Beitrag 2009-70
Unterscheide echte und nur scheinbare Elementarteilchen

 
 

Über echte und nur scheinbare Elementarteilchen


Unter einem Elementarteilchen kann man grundsätzlich zweierlei verstehen:
  • ein Teilchen, das elementar im Sinne der Natur ist
  • oder ein Teilchen, das elementar im Sinne aktueller physikalischer Erkenntnis ist.

Wie sich am Beispiel der Protonen und Neutronen zeigt, sind beide Begriffe wahrscheinlich noch NICHT identisch, denn:

Vor Entdeckung der Quarks galten Proton und Neutron als elementar, seitdem aber weiß man, dass sie keineswegs elementar sind, denn jedes von ihnen ist eine Konfiguration von Quarks und Gluonen (3 Valenz-Quarks, jede Menge virtueller Quarks, und zahlreicher Gluonen).

Genauer noch: Je schneller sich ein Proton oder Neutron bewegt, desto größer ist die Zahl darin vorhandener virtueller Quarks und Gluonen (die sog. Quark Sea), und beim Zusammenstoß zweier Protonen etwa kann es sich auch einfach nur um einen Zusammenstoß solch virtueller Teilchen handeln (genau das übrigens macht den LHC so effektiv).

Wenn also jemand (wie etwa Coyne und Cheng über die Stringtheorie) Anzeichen dafür findet, dass jedes Elementarteilchen ein Schwarzes Loch sein könnte, dann können damit eigentlich nur Elementarteilchen im Sinne der Natur gemeint sein, also nicht notwendig all die Teilchen, die unser Standardmodell der Elementarteilchen­physik heute als elementar sieht, denn:

Dieses Modell könnte ja noch zu ungenau sein, da heutige Experimentalphysik nichts aufzulösen gestattet, was kleiner als 10-18 m ist.
Und warum sollten wir glauben müssen, dass die weiteren 17 Größenordnungen bis hin zur Plancklänge nicht noch weitere Struktur enthalten können?


Interessant in diesem Zusammenhang scheint mir, was Lisa Randall auf Seite 117-118 ihres Buches "Die Vermessung des Universums" schreibt:

Zitat von Randall:
 
... sagt uns die Quantenmechanik, dass die Untersuchung [ zunehmend kleiner Skalen [ zunehmend höhere Energien erfordert.

Aber sobald die Energie, die in einer kleinen Region eingefangen wurde, zu groß ist, kollabiert die Materie zu einem Schwarzen Loch.


Von diesem Punkt an dominiert die Gravitation. Mehr Energie vergrößert dann diese schwarzen Löcher ... und so wissen wir einfach nicht, wie wir irgend eine Ent­fernung, die kleiner als die Plancklänge ist, erforschen sollen.

Nebenbei: Diese Festellung ist die einzige, die ich bislang als gutes Argument dafür sehen kann, dass auch die Raumzeit selbst gequantelt sein könnte.

 

  Beitrag 2068-1
Fragen zur Relativität Schwarzer Löcher

 
 

In Jukka Maalampis Buch » Die Weltlinie – Einstein und die moderne Physik (2008) « liest man:

Zitat von Maalampi (S. 128):
 
Ein Schwarzes Loch ist ein extremes Beispiel für die von der Relativitätstheorie vorhergesagte Gravitations-Rotverschiebung: Je näher sich das in Bewegung setzende Licht am Ereignishorizont befindet, desto größer wird seine Wellenlänge. Die Wellenlänge des vom Horizont ausgehenden Lichtes dehnt sich ins Unendliche aus. So etwas ist gar keine Welle mehr, und auch die Energie geht gegen Null, so dass dort Strahlung aufhört Strahlung zu sein.


Da frägt man sich nun unwillkürlich, wie sich denn dort Längen und Horizont (des Schwarzen Loches) relativieren:

FRAGEN also:

Wenn wir uns einen Beobachter vorstellen, der direkt vor dem Ereignishorizont eines Schwarzen Loches sitzt,
  • wie groß ist seiner Wahrnehmung nach der Radius des Schwarzen Loches bzw. sein Horizont?
  • Ist es richtig, dass aus Sicht eines sich dem Horizont näherenden Beobachters beide gegen Null gehen?
  • Und was genau sieht die ART als singulär (nur den Mittelpunkt des Schwarzen Lochs oder tatsächlich die gesamte Region im Inneren seines Horizonts)?

Schon auf dem Horizont jedenfalls steht die Zeit offenbar still, denn:

Zitat von Maalampi (S. 129, gekürzt, nicht wörtlich):
 
Wenn jemand frägt, wie man die Zeit anhalten — bzw. aus Sicht anderer ewig jung bleiben — könne, gibt es mindestens eine Antwort: Man begebe sich an den Horizont eines Schwarzen Loches. Wenn für jemand in unmittelbaren Nähe eines solchen Horizonts Wochen, Tage, oder gar nur Stunden vergehen, entspricht das auf der Erde Jahrtausenden.
 

 

  Beitrag 2084-11
Was passiert, wenn Schwarze Löcher kollidieren?

 
Grtgrt in 2084-6:
 
Hans-m in 2084-3:
 
Was wäre, wenn 2 SL mit enormer Geschwindigkeit zusammenprallen würden?
Wäre die dabei auftretende Energie ausreichend, eines, oder auch beide SL auseinderzureissen, zu "zerbröseln", ...?


Diese Frage findet sich beantwortet auf Seite What would happen if two black holes collided?

 

Dort werden mögliche Szenarien beantwortet, aber nicht wenn sich die SL auf absolutem Kollisionskurs befinden.
Die SL werden nur abgelenkt, oder aus ihrer Bahn geworfen, wenn sie nicht exakt aufeinander zufliegen.
Dabei entsteht eine resultierende Kraft, von denen eine Komponente eine Bahnveränderung bewirkt.
Im übertragenen Sinne könnte man dies als "Streifschuss" bezeichnen, und nicht als "Volltreffer"
Bei absolutem Kollisionskurs, also Zentrum auf Zentrum des SL gibt es keine resultierenden Querkräfte, sondern nur die beschleunigende Gravitationskraft, die sich auf das Zentrum des jeweils anderen SL bezieht.
 

  Beitrag 2084-12
-

 
Hans-m in 2084-3:
Mir kommt dabei aber eine andere Frage:
Was wäre, wenn 2 SL mit enormer Geschwindigkeit zusammenprallen würden. Wäre die dabei auftretende Energie ausreichend, eines, oder auch beide SL auseinderzureissen, zu "zerbröseln", so dass die Masse der einzelnen "Trümmer" wieder niedriger wäre als die eines SL.
Somit würde alles, was sich im Lauf der Zeit im SL angesammelt hatte, auch das Licht, wieder freigegeben.

Hallo Hans-m,

soweit ich weiß, treffen die SL immer mit extremer Geschwindigkeit aufeinander, aufgrund der zunehmenden Beschleunigungskraft, je näher sie sich kommen. Sie verschmelzen dann meines Wissens nach innerhalb von Millisekunden. Auseinandergerissen werden kann meinem Kenntnisstand nach nichts.

Hab eben mal nach Quellen gesucht. Vielleicht beantwortet folgender Link deine Fragen (habe das Video nicht angeschaut). Der zweite Teil findet sich glich rechts oben neben dem Video:
http://www.youtube.com/watch?v=pVaa9ArdBQc


Grüße
 

  Beitrag 2084-13
Hubble zeigt uns zwei fast schon kollidierene Schwarze Löcher

 
 
Hier Bilder, die Hubble 2009 lieferte:

2 Schwarze Löcher, die demnächst verschmelzen werden ( und ganz hell strahlen (!) )


 

  Beitrag 2084-15
-

 
Ozcrates in 2084-8:
Die Masse der Sonne wiegt 1,989·1030 kg. Der äußerste Planet Neptun dagegen wiegt 1,0243 · 1026 kg. Kann es ein Schwarzes Loch geben, das die Sonne nicht einsaugen kann, aber trotzdem den äußersten Planeten anziehen kann, der 4,5 Milliarden Kilometern von der Sonne entfernt ist? Wie berechnet man sowas?

Ozcrates,


lass doch mal alles Geheimnisvolle bzgl. SL´s weg, dann bleibt das, was ein SL auf seine Umgebung bewirken kann, und das ist in der Hauptsache Gravitation. Sollte die Sonne urplötzlich zum SL werden, würden wir das überhaupt nicht bemerken - jedenfalls nachts nicht, denn dann ist es sowieso dunkel. Womit ich sagen will: Die Masse eines SL von der Masse der Sonne wirkt sich nicht anders aus als die Sonne selbst, nur ist diese Masse auf einen viel kleineren Raum konzentriert, für die Sonne wären das etwas drei Kilometer im Durchmesser(!). Das Extreme ergibt sich einfach aus der physikalischen Gesetzmäßigkeit, dass die Gravitation mit dem Quadrat der Entfernung abnimmt, wie es so schön heißt. Logischer Weise ist die Gravitation anderthalb Kilometer von einem Massezentrum VIEL größer, als siebenhundert Millionen Kilometer davon entfernt.

Ansonsten tun zwei SL, wenn sie einander begegnen, nichts anderes als zwei Planeten oder zwei Sterne, die einander begegnen - sie werden einander umkreisen, dabei durch ihre große Masse Energie durch "Gravitationswellen" verlieren, sich einander annähern und dann letztlich verschmelzen. Die Vorstellung, sie würden quasi "auseinander platzen" und das "Licht in ihrem Inneren wieder freigeben" ist völlig absurd. SL sind nicht kompakt wie Planeten oder Sonnen, was ihren "äußere Grenze", den Ereignishorizont, angeht, das ist materiell betrachtet eine fiktiver Grenze, sie zeigt einfach die Fläche an, hinter der es kein Zurück mehr gibt, auch für das Licht nicht.

Die Masse eines SL ist - so die Vorstellung - auf einen winzigen Bereich im inneren beschränkt (ich vermeide bewusst den Begriff der "Singulariät", das ist einfach nur ein Hinweis darauf, dass die Mathematik hier ihre Gültigkeit verliert).

Ob SL schon einmal einen Stern "verschlungen" haben? Aber ja klar, davon leben die, und von jeder Art anderer Materie sowie Energie natürlich. Das ist doch genau der Grund, warum man SL in fernen Galaxien beobachten kann sie hießen ja nicht "Schwarze Löcher", wenn man sie nur anzuschauen bräuchte. Das SL in unserer Milchstraße hat auch einigen Millionen Sonnenmasse, alles Materie, die es sich im Laufe von Milliarden Jahren vereinnahmt hat. Das Licht, aus dem man auf das Vorhandensein eines SL schließen kann, stammt selbstverständlich nicht von ihm selbst oder gar aus seinen Inneren, sonder von ultrahoch erhitzten Gasen, die auf dem Weg ins Innere des SL Strahlung abgeben.

Die Vermutung, dass es "Mini-Black-Holes" geben könnte, ist bislang eben nur eine Vermutung. Wenn es sie gäbe, gäbe es sie nur äußerst kurz, denn die "Lebenserwartung" eines SL hängt von seiner Größe ab, je kleiner, deso kürzer; würde im CERN tatsächlich ein SL erzeugt werden, würde es nur Millisekunden existieren - wenn überhaupt. Das Universum existiert - wie wir uns täglich überzeugen können - nach wie vor, und Prozesse, wie sie im CERN ablaufen, vollziehen sich auf natürliche Weise milliardenfach in ihm, es besteht also nicht der geringste Grund, sich über CERN deshalb Sorgen zu machen.

Was IST eigentlich ein Schwarze Loch? Es ist Materie, die ihren inneren Halt verloren hat, die sich der Gravitation beugen musste, die sich letztlich über die abstoßenden Kräfte im inneren der Atomkerne durchsetzte. Genau genommen ist die Vorstellung, ein Atom oder auch ein Atomkern wäre etwas Festes eine Illusion, es sind Kräfte, die uns Festigkeit vorgaukeln. Wir fallen nicht durch den Fußboden, weil sich Elektronen abstoßen, und nicht, weil Materie etwas undurchdringliches wäre.

Nun ja, bis denn, es wir spät!
 

  Beitrag 1985-351
Schwarze Löcher haben  u n d e f i n i e r t e n  Radius (wohl aber ein kugelförmige Oberfläche)

 
 
Bauhof in 1985-346:
 
Und darin kommt der "Einstein-Widerleger" fälschlicherweise zu dem Schluss, dass beide Eigenzeiten gleich seien.


Weder er noch ich wollen Einstein widerlegen.

Wir wollen nur Leute widerlegen, die gewissen Halbwissens wegen Einsteins Theorie nicht richtig verstehen.


Nebenbei: Es freut mich zu lesen, dass jener Herr — ein an Naturwissenschaften interessierter Laie wie wir alle hier — sogar begriffen hat, dass die Region, die im Inneren des Ereignishorizontes eines Schwarzen Lochs liegt, zwar einen Umfang, aber keinen Radius hat.

Das sollte allen zu denken geben, die versucht sind, ihn einfach als » Einstein-Widerleger « zu diffamieren.


  Nebenbei: Wer verstehen will, warum Schwarze Löcher keinen wohldefinierten Radius haben, der lese

 Beitrag 0-91
Der Lebenslauf aller Sterne

 
 

 
Der Lebenslauf aller Sterne

 
 
Zur Geburt eines Sterns kommt es, wenn eine Wolke aus Wasserstoffgas — mehrfach so groß wie unser Sonnensystem — durch die von ihr selbst ausgehende Gravitationskraft langsam komprimiert wird. Da hierbei Gravitationsenergie in kinetische Energie der Wasserstoffatome umgewandelt wird, ergibt sich eine recht starke Erwärmung der dichter und dichter werdenden Gaswolke.
 
Doch an einem bestimmten Punkt — wenn die Temperatur auf 10 bis 100 Mio Grad K angestiegen ist, überwindet die kinetische Energie der Protonen (der Wasser­stoffkerne also) ihre elektrostatische Abstoßung. Sie prallen dann aufeinander und » verschmelzen « paarweise zu Helium. Dies setzt gewaltige Energiemengen frei und macht aus der Wasserstoffwolke eine Heliumwolke.
    Um zu verstehen, warum die Umwandlung von Wasserstoff in Helium Energie freisetzt, muss man wissen, dass das durchschnittliche » Gewicht « eines einzelnen Protons in Atomen umso größer ist, je leichter die Atome sind. Da Wasserstoffatome leichter als Heliumatome sind, verlieren die Protonen an Gewicht, und die entsprechende Differenz wird freigesetzte Energie ( E = mc2 ).

Zudem kommt es zu einem Balanceakt zwischen der Schwerkraft, die bestrebt ist, die Gaswolke zu kompaktifizieren und der Kernkraft, die ihr entgegenwirkt.
 
Unsere Sonne etwa ist ein sog. gelber Stern: ein Stern, der noch überwiegend aus Wasserstoff besteht. Die bei seiner Verbrennung zu Helium freigesetzte Energie bewirkt, dass die Sonne scheint.
 
Doch im Laufe von mehreren Milliarden Jahren verbraucht sich der Wasserstoff, der Kernbrennofen erlischt, die Schwerkraft setzt sich durch und lässt die Heliumwolke stark schrumpfen. Diese Schrumpfung führt zu einer Aufheizung, und schließlich verbrennt das Helium in andere Elemente wie Lithium und Kohlenstoff. Da sie höheres Atomgewicht haben, wird hierbei aus genau den gleichen Gründen wie vorhin wieder viel Energie freigesetzt.
 
Obwohl der Stern stark an Größe verloren hat, ist seine Temperatur noch ziemlich hoch, und seine Atmosphäre dehnt sich aus. Sterne in diesem Zustand nennt man » rote Riesen «.
    Wenn der Wasserstoffvorrat unserer Sonne erschöpft sein wird, und sie dann beginnt Helium zu verbrennen, wird das dazu führen, dass sich ihre Atmosphäre bis zum Mars hin ausdehnt. Unsere Erde wird dann verdampfen. Nun ist unsere Sonne aber ein Stern mittleren Alters, was bedeutet, dass noch etwa 5 Mrd. Jahre vergehen werden, bis unsere Erde auf diese Weise zerstört wird.

Wenn schließlich auch das Helium verbrannt ist, wird der Kernbrennofen erneut erlöschen: Der rote Riese schrumpft und wird zu einem weißen Zwerg. In diesem Zustand kann der Stern nur noch wenig Energie abgeben (da die Atome, aus denen er dann besteht, schon recht schwere Elemente darstellen werden).
    Kurz: In etwa 5 Mrd. Jahren wird unsere Sonne zu einem weißen Zwerg werden: zu einen (nahezu) ausgebrannten Zwergstern.

Man geht heute davon aus, dass auch weiße Zwerge ihr Material in immer noch schwerere Atome umwandeln bis hin zu dem Punkt, wo der Stern dann überwiegend aus Eisen besteht (die Protonen der Eisenatome haben nahezu minimales durchschnittliches Gewicht). Nun lässt sich keine Energie mehr aus Überschussmasse gewinnen, und so kommt die Kernschmelze endgültig zum Stillstand.
 
Damit gewinnt die Schwerkraft dann endgültig die Oberhand und presst den Stern zusammen. Er kollabiert, so dass seine Temperatur sich um einen Faktor zwischen 1000 und 10000 auf mehrere Billionen Grad K erhöht.
 
Aufgrund der gewaltigen Wärmemenge, die hierdurch freigesetzt wird, entwickelt sich eine Supernova: Eine ungeheuere Explosion reißt den Stern auseinander und verstreut die Trümmerteile als Kondensationskerne im interstellaren Raum. Um sie herum bilden sich dann neue Sterne.
 
 
Nach Erlöschen der Supernova bleibt ein vollkommen toter Stern zurück: ein Neutronenstern, dessen Durchmesser nur noch wenige Kilometer beträgt. In ihm sind die Neutronen so dicht gepackt, dass sie sich buchstäblich » berühren «.
 
Neutronensterne sind nahezu unsichtbar. Dennoch kann man sie entdecken. Das liegt daran, dass sie bei ihrer Rotation etwas Strahlung abgeben und deswegen wie kosmische Leuchttürme wirken (Pulsare genannt). Seitdem man 1967 den ersten Pulsar entdeckt hat, wurden bis heute [2010] etwa 1700 weitere gefunden.
 
 
Durch Berechnungen glauben die Physiker gezeigt zu haben, dass die meisten Elemente, die schwerer als Eisen sich, in der Hitze und dem Druck einer Supernova entstehen. Und so kommt es, dass die bei der Explosion entstehenden, weit ins All hinaus geschleuderten Trümmer auch aus höheren Elementen bestehen. Im Laufe der Zeit mischen sie sich mit Gasen, bis sich schließlich so viel Wasserstoffgas angesammelt hat, dass die Gravitation erneut zu einer Komprimierung dieser Wolken führen kann. Die hierbei entstehenden Sterne der nächsten Generation enthalten deswegen auch schwerere Elemente.
 
Damit ist nun klar, woher die schwereren Elemente in unserem Körper kommen: Vor Milliarden Jahren explodierte eine namelose Supernova und legte damit den Grundstein zu jener Gaswolke, aus der sich unser Sonnensystem gebildet hat.
 
 
 
Quelle: Michio Kaku: Die Physik der unsichtbaren Dimensionen (Rohwohlt 2013), S. 345-353

 

 Beitrag 0-147
Wie Sterne sterben — und was dann von ihnen übrig ist

 
 

 
Wie Sterne sterben

und was von ihnen übrig bleibt

 
 
Von unserer Sonne wird einmal ein nur erdgroßer Klumpen aus Kohlenstoff und Sauerstoff übrig bleiben. Der ganze Rest ihrer Masse wird als planetarischer Nebel im Raum verteilt werden, der sich dann aber in einigen 10.000 Jahren völlig aufgelöst haben wird.
 
Sterne, die etwas mehr Masse als unsere Sonne haben, hinterlassen später eine kompakte Eisenkugel im All.
 
Genauer:
    Aus einem Sternkern, der weniger als 1.44 Sonnenmassen hat, entsteht ein sog. Weißer Zwerg:
     
    • Bei sehr geringer Restmasse — wie etwa im Fall unserer Sonne —, stabilisiert der Entartungsdruck der Elektronen den Kohlenstoff-Sauerstoff-Kern gegen die Kraft der Gravitation.
       
    • Ansonsten aber wird der gesamte Kern zu Eisen (mit Spuren von Nickel).

    Bei größeren Sternen wird ihr Kern am Ende ihres Lebens zu Neutronen zusammengepresst: Es entsteht ein Neutronenstern, Die Hüllen um den Kern herum aber werden in einer Supernova-Explosion in den Raum geschossen. [ Manche Neutronensterne — sog. Pulsare — rotieren schnell und sehr präzise. Dabei senden sie an ihren beiden Polen hochenergetische Strahlungsbündel in den Raum. ]
     
    Wenn der zusammengepresste Restkern eines Sterns noch mindestens drei Sonnenmassen aufzuweisen hat, ist seine Gravitationskraft stark genug, ihn zu einem Schwarzen Loch werden zu lassen.

 
Ein Stern beginnt zu sterben, sobald sein Vorrat an Wasserstoff aufgebraucht ist:
 
Wegen der dann schwächer werdenden Kernfusionskräfte, kann die Gravitationskraft den Kern komprimieren, also schrumpfen lassen. Seine Außenhüllen aber dehnen sich mehr und mehr aus: Er wird zu einen roten Riesen. Zunächst kann der Stern seine Gravitationskraft noch einige Zeit dadurch im Zaune halten, dass er in seinem Inneren immer schwerere Elemente zur Fusion treibt (erst bei Eisen wird dann Schluss sein): Während also zunächst durch Fusion von Wasserstoff Helium entstand, zündet
  • bei etwa 100 Mio Kelvin das Heliumbrennen,
     
  • bei etwa 700 Mio Kelvin das Kohlenstoffbrennen (was Neon, aber auch Magnesium, Natrium und Sauerstoff erzeugt),
     
  • bei etwa 1200 Mio Kelvin das Neonbrennen (worin sich Sauerstoff, Magnesium und Silicium bilden),
     
  • bei etwa 1800 Mio Kelvin das Sauerstoffbrennen (es entstehen Silicium, aber auch Schwefel, Phosphor und Magnesium),
     
  • bei etwa 5000 Mio Kelvin zündet schließlich das Siliciumbrennen (was zu Eisen, aber auch Nickel und Cobalt führt).

Mit anderen Worten: Mit zunehmender Temperatur wachsen aus dem Kern heraus Schalen, deren jede durch Fusion Elemente erzeugt, die höhere Kernladungszahl haben als die schon vorhandenen. Dies funktioniert bis schließlich Eisen, Nickel und Cobalt erreicht werden.
 
Hier ist — beispielhaft anhand der Fusionen in der Schale des Siliciumsbrennens — gezeigt, wie die jeweils schwereren Element zustande kommen:

       
      Silicium-28  (14 Protonen, 14 Neutronen)
          |
          |     +   Helium-4  (2 Protonen, 2 Neutronen)   ergibt:
          |
      Schwefel-32
          |
          |     +   Helium-4
          |
      Isotop Argon-36
          |
          |     +   Helium-4
          |
      Calcium-40
          |
          |     +   Helium-4
          |
      Isotop Titan-44
          |
          |     +   Helium-4
          |
      Isotop Chrom-48
          |
          |     +   Helium-4
          |
      Isotop Eisen-52
          |
          |     +   Helium-4
          |
      Isotop Nickel-56

 
 
Gegen Ende ihres Lebens wirken große Sterne demnach wie glühend rote Zwiebeln: In 6 verschiedenen Schichten werden die Elemente von Helium bis Eisen erzeugt. Um Elemente mit noch höherer Kernladungszahl zu bekommen, muss sehr viel mehr Energie zugeführt werden — daher entstehen sie gewöhnlich nur im Zuge einer Supernova-Explosion.
 
Wenn schließlich die Kerntemperatur auf etwa 10 000 Mio Kelvin gestiegen ist, wird der Stern als Supernova explodieren.
  • Einen Tag vorher begann das Siliciumbrennen (Kerntemperatur 5000 Mio Kelvin)
     
  • 1/2 Jahr vorher begann das Sauerstoffbrennen (Kerntemperatur 1800 Mio Kelvin)
     
  • 10 Jahre voher begann (bei etwa 1200 Mio Kelvin) das Neonbrennen.
     
  • 300 Jahre vorher begann — bei 700 Mio Kelvin — das Kohlenstoffbrennen.
     
  • 100 000 Jahre vorher begann — bei 100 Mio Kelvin — das Heliumbrennen.
     
  • 500 000 Jahre vorher war die Kerntemperatur auf 40 Mio Kelvin gestiegen, der Wasserstoffvorrat weitgehend erschöpft, und das Sterben des Sterns nahm seinen Anfang.

 
 
Anhang:
    Wasserstoff verbrennt per
     
      Helium-4 + 2 Gammaphotonen  →  2 Positronen + 2 Neutrinos

    Helium verbrennt per
     
      Helium-4 + Helium-4  →  Beryllium-8
       
      Beryllium-8 zerfällt nach durcschnittlich 10-16 sec,
      kann es sich aber vorher noch mit einem weiteren Helium-4 vereinigen, entsteht angeregter Kohlenstoff-12.

    Kohlenstoff verbrennt wahlweise per
     
      Kohlenstoff-12 + Kohlenstoff-12  →  Magnesium-24 + Gammaphoton
      Kohlenstoff-12 + Kohlenstoff-12  →  Natrium-23 + Wasserstoff-1
      Kohlenstoff-12 + Kohlenstoff-12  →  Neon-20 + Helium-4
      Kohlenstoff-12 + Kohlenstoff-12  →  Sauerstoff-16 + Helium-4 + Helium-4

    Neon verbrennt wahlweise per
     
      Neon-20 + Gammaphoton  →  Sauerstoff-16 + Helium-4
      Neon-20 + Helium-4  →  Magnesium-24 + Gammaphoton, dann: Magnesium-24 + Helium-4  →  Silicium-28 + Gammaphoton
      Neon-20 + Helium-4  →  Magnesium-24 + Neutron
      Neon-20 + Neutron  →  Neon-21 + Gammaphoton

    Sauerstoff verbrennt wahlweise per
     
      Sauerstoff-16 + Sauerstoff-16  →  Schwefel-32 + Gammaphoton
      Sauerstoff-16 + Sauerstoff-16  →  Schwefel-31 + Neutron
      Sauerstoff-16 + Sauerstoff-16  →  Phosphor-31 + Wasserstoff-1
      Sauerstoff-16 + Sauerstoff-16  →  Silicium-28 + Helium-4
      Sauerstoff-16 + Sauerstoff-16  →  Magnesium-24 + Helium-4 + Helium-4

    Wie schließlich Silicium zu Eisen oder gar Nickel verbrennt, wurde oben schon dargestellt.

 
 
 
Quelle: Daniela Leitner: Als das Licht laufen lernte (Bertelsmann 2013, Seite 498-538)
 
Lies auch: Lebenslauf der Sterne


 

 Beitrag 0-148
Warum Sternpopulationen?

 
 

 
Warum Sternpopulationen?

Je später ein Stern geboren wird, desto größer ist sein anfänglicher Gehalt an "Metallen"

 
 
Zur Erinnerung: Astrophysiker verstehen unter "Metallen" alle Elemente, die schwerer sind als Helium.
 
Zudem unterscheiden sie 3 Sternpopulationen: Die Populationen III, II und I.
 
Sterne der Population III sind die besonders früh entstandenen. Da es damals aber im All noch keine "Metalle" gab (sie bilden sich ja erst, wenn Sterne beginnen zu sterben), sind junge Population-III-Sterne riesige Wasserstoffwolken, die nur leicht mit Helium gemischt sind, aber schnell zu einer Brutstätte für Helium werden.
 
Ihrer gewaltigen Größe wegen haben sie viel Masse. Dies aber bedeutet, dass sie nur kurzes Leben haben können, denn da die Gravitation sie schnell und stark komprimiert, beginnen sie schon früh, auch "Metalle" zu erbrüten.
 
Wie in Beitrag 0-147 beschrieben, beginnt der Todeskampf eines Sternes, sobald der Wasserstoffvorrat in seinem Kern zur Neige geht. Bei Population-III-Sternen ist das schon früh der Fall, denn je größer ein Stern ist, desto stärker drückt die Last seines Gewichts gegen sein Inneres, desto heißer wird es dort, desto höher ist deswegen seine Fusionsrate, desto stärker strahlt er, und desto früher ist sein Kernbrennstoff verbraucht.
 
Eben weil er so stark strahlt, werden in seiner Umgebung vorhandene Heliumatome oft wieder in Wasserstoffatome zerlegt, so dass die Wahrscheinlichkeit, dass sich nahe ihm ein anderer so großer Stern bildet, sinkt: Population-III-Sterne sind Platzhirsche; was sie nicht aufzusaugen in der Lage sind, wird durch sie zerstört.
 
 
Ein Stern mit etwa 200-Sonnenmassen ist ein recht typischer Population-III-Stern und gehört als solcher definitiv zu den größten und kurzlebigsten Sternen überhaupt. Sein Wasserstoffvorrat wird schon nach etwa 450 Mio. Jahren verbraucht sein, so dass sich dann
 
  • seine erste Schale auszubilden beginnt,
     
  • und die Hülle des sterbenden Sterns beginnt, sich auszudehnen.

Aber noch nicht einmal 100 000 Jahre kann dieser Stern von seinem Heliumvorrat zehren.
 
Wenn dann aber im Kern das Heliumbrennen einsetzt, schießt seine ohnehin schon hohe Temperatur nochmals sprunghaft nach oben, der Stern setzt dann ungeheuere Mengen von Energie frei: Er bläht sich auf zu einem roten Unter-Riesen und schließlich zu einem roten Riesen.
 
Die Leuchtkraft der Population-III-Sterne dürfte bis zu 100 Mio. mal größer gewesen sein als die unserer Sonne.
 
Eine Gesamtmasse von etwa 200 Sonnenmassen vorausgesetzt, strahlt er vor allem UV-Licht ab und hat einen 30 bis 50 mal größeren Durchmesser als unsere Sonne.
 
Sein Leben aber läuft wie im Zeitraffer ab: Sein eigenes Gewicht presst ihn gnadenlos zusammen, und in seiner Verzweiflung produziert er schnell zunehmend schwerere Elemente, die — wenn er schließlich als Supernova explodiert — weit ins All hinausgetragen werden.
 
Dies wiederum führt dazu, dass von nun an sich im Raum neu zusammenballende Gaswolken auch zunehmend Sternenstaub bestehend aus schwereren Elementen enthalten, und so kommt es zunehmend auch zur Geburt kleinerer (sog. Population-II-Sterne) und schließlich sogar zur Geburt der noch viel kleineren Population-I-Sterne, wie etwa unserer Sonne.
 
Je kleiner neu entstehende Sterne sind, desto weniger stark drückt ihr eigenes Gewicht sie zusammen, und desto länger werden sie leben. So also kommt es, dass unsere Sonne hoffen kann, etwa 10 Mrd. Jahre alt zu werden.
 
 
Nebenbei noch:
 
Menschliche Astronomen kennen keinen einzigen Population-III-Stern. Das aber ist kein Wunder, da keiner von ihnen sehr alt wurde.

 
 
 
Quelle: Daniela Leitner: Als das Licht laufen lernte (Bertelsmann 2013, Seite 538-549)


 

 Beitrag 0-92
Wie aus besonders großen Sternen Schwarze Löcher werden

 
 

 
Wie Schwarze Löcher entstehen
 
und wie (oder warum) sie durch Wurmlöcher verbunden sein könnten

 
 
Wenn ein Stern besonders große Masse hat — mindestens das zehn- oder gar 50-fache unserer Sonne — dann wird ihn die Schwerkraft selbst dann noch weiter komprimieren, wenn er schon ein Neutronenstern ist. Ohne die Fusionskraft nämlich, die sich der Gravitationskraft entgegenstellen könnte, kann nichts mehr einen noch stärkeren Kollaps aufhalten: Der Stern wird dann zu etwas, das man ein Schwarzes Loch nennt: einer Ansammlung von Energie, der selbst das Licht nicht mehr entkommen kann.
 
So groß ist die Dichte eine Schwarzen Lochs, dass selbst Licht, welches in seine Nähe kommt, in eine Kreisbahn gezwungen wird (ganz so wie eine von der Erde abgeschossene Rakete, die — wenn sie der Schwerkraft der Erde nicht entkommen kann — auf eine Bahn um die Erde gezwungen wird).
 
 
Man muss dazu wissen: Jeder Himmelskörper besitzt eine sog. Entweichgeschwindigkeit. Es ist dies die Geschwindigkeit, die ein Objekt mindestens erreichen muss, um sich der gravitativen Anziehungskraft des Himmelskörpers auf Dauer entziehen zu können.

    Die Entweichgeschwindigkeit der Erde etwa beträgt 40.000 km/h.
     
    Eine Hülle aus Sauerstoff kann die Erde nur deswegen haben, weil Sauerstoffatome sich nicht schnell genug bewegen, um dem Gravitationsfeld der Erde entkommen zu können.
     
    Jupiter etwa besteht hauptsächlich aus Wasserstoff, da seine Entweichgeschwindigkeit groß genug ist, um auszuschließen, dass Wasserstoff dem Jupiter entkommen konnte.

 
Die Höhe der Entweichgeschwindigkeit ergibt sich schon aus Newtons Gravitationstheorie:
 
Je schwerer ein Planet oder Stern und je kleiner sein Radius, desto größer seine Entweichgeschwindigkeit.

 
    Es ist tatsächlich schon 1783 der englische Astronom John Michell aufgrund der Newtonschen Gesetze zur Hypothese gelangt, dass ein überaus massereicher Stern eine Entweichgeschwindigkeit haben könnte, die der Lichtgeschwindigkeit entspricht. Von ihm ausgestrahltes Licht — so folgerte Michell — könnte ihm nicht ent­kommen und müsste ihn daher ständig umkreisen. So ein Stern müsse dem Beobachter als völlig schwarz erscheinen.
     
    Man hielt Michells Theorie — damals veröffentlich in den Philosophical Transactions of the Royal Society, 74, 1784, S. 35 — für verrückt und vergaß sie bald.
    Heute jedoch sind wir geneigt, an die Existenz Schwarzer Löcher zu glauben, da Astronomen am Himmel tatsächlich weiße Zwerge und Neutronensterne entdeckt haben.

 
 
Zu erklären, warum Schwarze Löcher schwarz sind, gibt es zwei Möglichkeiten:
  • Erstens kann die Kraft, die das Licht zum Stern hin zieht, so groß sein, dass der Lichtstrahl in einen Kreis gezwungen wird.
     
  • Man kann aber auch Einsteins Standpunkt einnehmen, von dem aus » die kürzeste Entfernung zwischen zwei Punkten eine gekrümmte Linie sein kann «.
    Die Krümmung eines Lichtstrahls zu einem vollen Kreis bedeutet dann, dass auch der Raum sich in sich selbst zurück gekrümmt hat, so dass ein Stück der Raumzeit — extrem zusammengepresst — abgetrennt worden ist, und der Lichtstrahl jetzt nur noch im abgetrennten Teil zirkulieren kann.
     
    Diese so abgetrennte, in sich geschlossene Region des Raumes könnte man dann als ein eigenes Universum begreifen — einen Teilraum, aus dem heraus uns keine Nachricht erreichen kann.

 
 
Die relativistische Beschreibung Schwarzer Löcher verdanken wir Karl Schwarzschild: Er fand — noch 1916, kurz nachdem Einstein seine Gravitationstheorie publiziert hatte — eine exakte Lösung für Einsteins Feldgleichungen zur Berechnung des Gravitationsfeldes jeden massereichen, stationären Sterns. Ihr zufolge nach gibt es in einem bestimmten Abstand um das Zentrum des Schwarzen Lochs herum eine Grenze, die sich nur hin zum Loch, aber nicht vom Loch weg überschreiten lässt. Man nennt diesen Abstand heute den Schwarzschild-Radius. Es ist der Radius einer Kugel um das Zentrum des Schwarzen Lochs herum, an deren Oberfläche die Entweichgeschwindigkeit gleich der Lichtgeschwindigkeit ist.
 
Damit aus unserer Sonne ein Schwarzes Loch würde, müsste sie auf ihren Schwarzschild-Radius von rund drei Kilometern zusammenstürzen,
die Erde auf etwa 0,9 cm.

 
Protonen und Neutronen sind um den Faktor 1039 ausgedehnter als ihr Schwarzschild-Radius (so dass in der Elementarteilchen-Theorie — aber eben nur dort — Gravitation keine irgendwie nennenswerte Rolle spielt).
 
 
Haben zwei Schwarze Löcher aus unterschiedlichen Raumgebieten denselben Punkt als singuläre Stelle, so spricht man von einer Einstein-Rosen-Brücke.
 
Solche Brücken anzunehmen war notwendig, um zu einer konsistenten Theorie der Schwarzen Löcher zu kommen.
 
Bald entdeckte man Einstein-Rosen-Brücken auch in anderen Lösungen der Einsteinschen Feldgleichungen, etwa in der Reissner-Nordström-Lösung, die ein elektrisch geladenes, nicht rotierendes Schwarzes Loch beschreibt.
 
Wirklich ernst zu nehmen begann man solche Brücken — heute Wurmlöcher genannt — erst, als 1963 der neuseeländische Mathematiker Roy Kerr eine weitere exakte Lösung der Gravitationsgleichungen fand. Kerr ging dabei von der Annahme aus, dass jeder kollabierende Stern rotiere. So wie ein Eisläufer, der eine Piruette beschreibt, seine Drehung beschleunigt, wenn er die Arme an den Körper zieht, so müsste sich auch die Drehung eines rotierenden Sterns beschleunigen, wenn sein Durchmesser sich reduziert, d.h. wenn er anfängt, zu kollabieren.
 
Kerrs Lösung bedeutete eine Sensation auf dem Gebiet der Allgemeinen Relativitätstheorie, da man mit ihr nun eine absolut genau Darstellung unzähliger massiver Schwarzer Löcher hatte, die das Universum bevölkern. Der Astrophysiker Subrahmanyan Chandrasekhar sprach gar vom einem » Schauder vor dem Schönen «, den die unglaubliche Erkenntnis in uns hervorrufe, dass eine durch die Suche nach dem Schönen in der Mathematik ausgelöste Entdeckung ihr genaues Abbild in der Natur findet. [ Zitiert in Heinz Pagels: Zeit vor der Zeit. Das Universum bis zum Urknall, Berlin 1987, S. 75 ].
 
In seiner Nobelpreis-Rede von 1983 hat Chandrasekhar das nochmals bekräftigt (Zitat):
    Black holes are macroscopic objects with masses varying from a few solar masses to millions of solar masses. To the extent they may be considered as stationary and isolated, to that extent, they are all, every single one of them, described exactly by the Kerr solution. This is the only instance we have of an exact description of a macroscopic object. Macroscopic objects, as we see them all around us, are governed by a variety of forces, derived from a variety of approximations to a variety of physical theories. In contrast, the only elements in the construction of black holes are our basic concepts of space and time. They are, thus, almost by definition, the most perfect macroscopic objects there are in the universe. And since the general theory of relativity provides a single unique two-parameter family of solutions for their descriptions, they are the simplest objects as well.

 
 
 

 
 
 
Eine Kerr- und eine Einstein-Rosen-Brücke

 
 
 
Sind S1 und S2 zwei Schwarze Löcher im All, welche durch eine solche Brücke — ein Wurmloch, wie man auch sagt — verbunden sind, so gibt es zwei Geodäten, die von S1 nach S2 führen: Die eine stellt einen möglicherweise Milliarden Lichtjahre langen Weg dar, die andere aber eine extrem kurze Verbindung, die durch das Wurmloch hindurch führt. Neueren Berechnungen zufolge erscheint das Reisen durch so ein Wurmloch zwar schwierig, aber nicht unbedingt unmöglich. Es wird da also weiter geforscht werden ...
 
 
Nebenbei: Jedes Schwarze Loch ist durch nur 3 Kenngrößen komplett beschrieben: Masse, Rotation und elektrische Ladung.
 
Das gewaltigste uns bisher bekannte Schwarze Loch liegt im Zentrum der Galaxie M87 und ist 6.6 Milliarden mal so schwer wie unsere Sonne.
 
 
 
Quelle aller wesentlichen Aussagen dieses Artikels: Michio Kaku: Die Physik der unsichtbaren Dimensionen (Rohwohlt 2013), S. 353-359
 
Das Gegenstück zum Schwarzen Loch — z.B. in einem Wurmloch — bezeichnet man auch als Weißes Loch. Wurmlöcher und Weiße Löcher sind recht instabile Singularitäten der Allgemeinen Relativitätstheorie. Siehe auch, wie ein Astronom die Frage What is a white hole? beantwortet sowie die Aussagen auf Seite 63 in Schwarze Löcher.
 
Interessantes sagt auch die Seite What is the density of a black hole?. Man liest dort: » The escape speed at the Schwarzschild radius is equal to the speed of light, and the value of the Schwarzschild radius works out to be about 3 • 105 • M/Msun , where M is the mass of the black hole and Msun is the mass of our Sun. «


 

 Beitrag 0-150
Wie es zum heutigen Zustand unseres Universums kam

 
 

 
Vom Urknall hin zum heutigen Zustand unseres Universums

 
 
Unter dem Urknall versteht man das Ereignis, in dem die Expansion des kosmischen Raumes um uns herum seinen Anfang nahm.

    Viele vermuten, dass erst der Urknall das Universum geschaffen hat.
     
    Sicher aber ist das nicht — es könnte schon vorher existiert haben, z.B. als der sich ständig unter der Gravitationskraft weiter kompaktifizierende Kern eines ganz besonders gewaltigen Schwarzen Lochs.
     
    Die moderne Physik jedenfalls geht — vor allem der Quantenmechanik wegen — keineswegs mehr von einer Singularität aus, nicht einmal von einem notwendiger Weise extrem kleinen Universum, sondern von einem extrem dichten.

 
In diesem unglaublich dichten Zustand hatte es damals, zu Beginn des Urknalls, unvorstellbar hohe Temperatur.
 
Die aber war, wie die große vereinheitlichende Theorie (GUT — Grand Unified Theory) annimmt, schon 10-38 sec nach dem Urknall
auf 10-29 Grad Kelvin gefallen. Grund hierfür war die damals noch ganz extrem starke Expansion des Raumes.
 
Bis dahin, so glaubt man, gab es nur zwei Grundkräfte im Universum: Die Gravitationskraft und die GUT-Kraft. Aus letzterer entstanden — bei etwa 1020 Grad Kelvin — die starke und die elektroschwache Kraft.
 
Diese Aufspaltung habe ungeheuere Mengen von Energie freigesetzt, so dass es zu einem inflationsartigen Ansteigen der Expansionsgeschwindigkeit des Raumes kam: Der durch Menschen heute beobachtbare Teil des Universums hat dabei seinen Durchmesser, der zunächst kleiner als der eines Atoms war, fast schlagartig auf den des heutigen Sonnensystems anwachsen lassen.
 
    Während dieser inflationären Phase (die die GUT-Ära beendete) wuchsen einst quantenmechanisch bedingte kleinste Energiefluktuationen zu jenen gleichmäßig im ganzen Raum verteilten Dichteunterschieden heran, wegen derer sich später Gaswolken, Galaxien und Filamente bilden konnten — letzlich auch Sterne und kleinere, dunkle Himmelskörper.
     
    Nebenbei: Filamente sind die gewaltigsten Strukturen im All. Sie erinnern an die Fäden eines Spinnennetzes und bestehen aus kettenförmig angeordneten großen Materie-Ansammlungen: Galaxien und ganzen Clustern von Galaxien.
     
    Der Raum zwischen diesen Fäden ist praktisch frei von Materie (sog. Voids = leere Bereiche).

 
Als die Temperatur dann — so etwa 10-10 sec nach dem Urknall — auf nur noch 1015 Kelvin gefallen war, bildeten sich W- und Z-Bosonen — es begann die sog. elektroschwache Ära.
    Dies ist keine reine Vermutung mehr, sondern konnte im derzeit weltweit mächtigsten Teilchenbeschleuniger (am CERN) schon 1983 tatsächlich rekonstruiert werden. Genau deswegen gilt es inzwischen als erwiesen, dass die weitere Entwicklung des Universums — die bis hin zu 380.000 Jahren nach dem Urknall — tatsächlich die folgende war (für die Zeit danach dokumentierte uns der 1969 entdeckte kosmische Mikrowellen- Hintergrund das Geschehen).

 
Das Auftauchen von W- und Z-Bosonen hat die elektroschwache Kraft zerlegt in das, was wir heute als schwache Wechselwirkung einerseits und als Elektromagnetismus andererseits kennen.
 
Es begann jetzt — etwa 1 Millisekunde nach dem Urknall — die sog. Hadronen-Ära . Hierunter versteht man die Zeit, in der sich Quarks, und zunehmend stabiler auch Protonen und Neutronen bilden konnten. Materie also. Genauer:
 
    Während der Hadronen-Ära war die Energiedichte noch hoch genug, um aus Licht Protonen und Antiprotonen entstehen zu lassen sowie andere Leptonen. Zunächst aber haben sie sich stets fast sofort gegenseitig wieder vernichtet oder sind zu Licht geworden. Erst bei einer Temperatur von etwa 1013 Kelvin schlossen sich Quarks endgültig zu Protonen und Neutronen zusammen.
     
    Damals, so scheint es, kam es dann auch zu einer Asymmetrie zwischen der Zahl von Teilchen und Antiteilchen: Pro 1 Mrd. Teilchen-Antiteilchen-Paare muss es etwa 1 Teilchen gegeben haben, das keinem solchen Paar zuzuordnen war.
     
    Bei später noch etwa 1011 Kelvin waren Protonen und Neutronen etwa gleich oft anzutreffen. Schließlich aber überwog die Zahl der Protonen, denn da Neutronen eine Idee schwerer sind, muss für die Wandlung eines Protons in ein Neutron Energie ausgewandt werden, wohingegen die Rückwandlung Energie freisetzt. Und so führte die Abkühlung dazu , dass plötzlich keine Neutronen mehr aus Protonen gebildet wurden, umgekehrt aber weiter Protonen aus Neutronen entstanden. Damit waren die positiv geladenen Teilchen binnen weniger Minuten, nachdem die Temperatur unter 1010 Kelvin gefallen war, in der Überzahl.

 
Da die Halbwertszeit freier Neutronen aber nur 15 Min beträgt, entschieden sich die meisten davon, zusammen mit Protonen einen Heliumkern zu bilden oder eines der Wasserstoffisotope Tritium oder Deuterium. Dies war der Beginn der Nukleosynthese-Ära.
 
    Helium entsteht, wenn 4 Protonen sich mittels Kernfusion zusammentun. Die aber kommt nur zustande, wenn Druck und Temperatatur die störrischen Wasserstoffatome dazu zwingen, gemeinsam einen Heliumkern zu bilden. Orte, an denen das heute noch passiert, sind die heißen und dichten Kerne von Sternen.
     
    Sterne gab es währen der ersten 3 Min aber noch keine — genügend heiß und dicht aber wares damals (bei eztwa 1011 Kelvin durchaus.
     
    Ganz von selbst also beganen sich einige der vorhandenen Wasserstoffkerne zu Heliumkernen zu wandeln. Dies hieklt an, bis die Temperatur auf 109 und entsprechend die Dichte auf 1013 Gramm pro Kubukzentimeter abgefallen war.
     
    Zu diesem zeitpunkt also war die chemische Zusammensetzung unseres Universums im Großen und Ganzen besiegelt.

 
Selbst heute noch besteht die Materie im All weitestgehend aus den beiden Elementen, die schon am Ende der Nukleosynthese-Ära vorlagen: zu rund 75% aus Wasserstoff und zu rund 25% aus Helium.
 
Nur ein verschwindend geringer Anteil dieser Elemente ist inzwischen — durch sich zunehmend kompaktifizierende Sterne — in schwerere Elemente umgewandelt worden (für Details siehe den Todeskampf der Sterne).
 
 
Wie aber kam es zu dem Zustand, den wir heute noch in der kosmischen Mikrowellen-Hintergrund-Strahlung (CMB) abgebildet sehen?
 
Hier die Antwort: Zu Beginn der Nukleosynthese-Ära — als das All noch 1011 Kelvin heiß war — wurden entstehende Materieteilchen ständig von ordentlich energie-geladenen Gammaphotonen getroffen und so recht oft wieder in ihre Einzelteile zerschlagen. Weitere Abkühlung des Alls hat diese Gammaphotonen dann zu rotem Licht werden lassen. Genau diese Photonen sind heute — der Expansion des Raumes wegen inzwischen zu 2.73 Kelvin kalten Mikrowellen geworden — die kosmische Hintergrundstrahlung. Sie zeigt uns die Verteilung der Energiedichte im All, wie sie
  • etwa 380 000 Jahre nach dem Urknall vorlag
  • und letztlich die heute im All realisierte großräumige Verteilung von Materie verursacht hat:

 
 

 
Die Lage der Filamente — das sind die heute großräumigsten Strukturen im All —
lässt sich grob auch der kosmischen Hintergrundstrahlung entnehmen.
Sie entstand etwa 380 000 Jahre nach dem Urknall: zu jener Zeit als das Licht sich zunehmend ungehindert ausbreiten konnte.

 
Source: The Berkeley Lab
 
Anisotropies in the cosmic microwave background, originating when the universe was less than 400,000 years old,
are directly related to variations in the density of galaxies as observed today.

 
 
Es war dies die Zeit, zu der das Licht laufen lernte (sprich: sich erstmals fast ungehindert ausbreiten konnte).
 

Vorher hat es sich — ganz so wie heute noch im Inneren der Sterne — ständig nur auf Zick-Zack-Kurs bewegt: Ständiger Zusammenstoß der Photonen mit geladenen Teilchen hat verhindert, dass sich Licht über größere Strecken geradlinig ausbreiten konnte.

 
 
 
Quelle: Daniela Leitner: Als das Licht laufen lernte (Bertelsmann 2013, Seite 702-741)


 

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