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Deniz

Jelena

Patrick

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Ein Schwarzes Loch ist ein Objekt, dessen grosse Masse auf ein extrem kleines Volumen konzentriert ist. Infolgedessen erzeugt es in seiner Umgebung eine so starke Gravitation, dass nicht einmal Licht diesen Bereich verlassen oder durchlaufen kann. Aufgrund dieses Sachverhalts sind Schwarze Löcher nicht direkt beobachtbar. Dennoch ist ihre Existenz heute bewiesen.

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Die erste Abbildung eine Schwarzen Loches durch das internationale Forschungsteam des Event Horizon Telescope (EHT)-Netzwerks stellte einen beachtlichen Erfolg in der Astrophysik dar. 

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Erste Abbildung eines Schwarzen Loches (M87) von 2019

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Erste Abbildung eines Schwarzen Loches (M87) von 2019

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Dieses Padlet enthält grundlegende Informationen über den Aufbau, die Entstehung, die Entdeckung und die verschiedenen Arten von Schwarzen Löchern. Eine separate Betrachtung von rotierenden und nicht rotierenden Schwarzen Löchern sowie die Erläuterung der Raumzeit und der Relativitätstheorie werden nicht erfolgen.

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Ereignishorizont: Grenzt das Schwarze Loch vom umliegenden Universum ab. Materie, die den Ereignishorizont ins Innere des Schwarzen Loch übertreten hat, kann aufgrund der enormen Gravitation nie wieder zurückkehren. Was hinter dem Ereignishorizont passiert, ist nicht beobachtbar.

Singularität: Alle Materie, die den Ereignishorizont übertreten hat, wird zu einem unendlich kleinen und unendlich dichten Punkt im Zentrum des Schwarzen Lochs zusammengedrückt, den man Singularität nennt. Diese hat weder eine Oberfläche noch ein Volumen und ist gemäss dem heutigen Wissensstand in allen Schwarzen Löchern identisch.

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Akkretionsscheibe: Die Akkretionsscheibe ist eine leuchtende, rotierende Scheibe aus Materie, die ein Schwarzes Loch umgibt. Sie entsteht, wenn Gas und Staub von einem nahen Stern oder aus der Umgebung angezogen werden. Durch Reibung zwischen den Teilchen wird die Materie aufgeheizt und beginnt stark zu leuchten – oft im Röntgenbereich. Diese Strahlung ist einer der Hauptgründe, warum wir Schwarze Löcher indirekt nachweisen können (mehr dazu im Kapital "Entdeckung eine Schwarzen Lochs").

Relativistischer Jet: Einige Schwarze Löcher erzeugen sogenannte relativistische Jets. Dabei werden Materie und Energie entlang der Rotationsachse mit nahezu Lichtgeschwindigkeit ins All geschleudert. Diese Jets entstehen, weil das Magnetfeld um das Schwarze Loch geladene Teilchen beschleunigt. Relativistische Jets sind vor allem bei supermassereichen Schwarzen Löchern in aktiven Galaxienzentren zu beobachten und können viele tausend Lichtjahre weit reichen.

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Problem: Schwarze Löcher senden kein Licht aus und sind daher nicht direkt beobachtbar.

Lösung: Man erkennt sie jedoch anhand der charakteristischen Wirkung, die sie auf ihre Umgebung haben (hohe Gravitation).

Eine Auswahl einiger Indizien:

Akkretionsscheibe: Materie sammelt sich in rotierender Scheibe um das Schwarze Loch und wird dabei so heiss, dass sie zu glühen beginnt, was beobachtbar ist. Zudem drehen sich gewisse Sterne um Schwarze Löcher. Ihre Umlaufbahn ist nur durch die Existenz eines solchen erklärbar.

Gravitationswellen: Schwarze Löcher erzeugen spezifische Gravitationswellen, die mit Detektoren gemessen werden können. Die nachfolgende Definition "Eine Gravitationswelle ist eine Welle in der Raumzeit, die durch eine beschleunigte Masse ausgelöst wird", wird einfach so stehengelassen.

Röntgenstrahlung: Die Photonensphäre des Schwarzen Lochs sendet in regelmässigen Abständen beobachtbare Röntgenstrahlung (elektromagnetische Wellen mit Wellenlänge unter 10 nm) aus. Dies tun zudem auch Sterne, wenn sie in ein Schwarzes Loch hineingezogen werden.

Gravitationslinsen: Schwarze Löcher beeinflussen aufgrund ihrer hohen Masse den Weg des Lichtes und lenken dieses ab. Entfernte Objekte, wie z.B. Sterne und ihre Umlaufbahn, wirken somit auf Beobachter auf der Erde verzerrt oder werden gar doppelt abgebildet. Somit lässt sich auf die Existenz eine Schwarzen Loches schliessen.

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Nächstgelegenes Schwarzes Loch in unserer Galaxie: Gaia BH1

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Nächstgelegenes Schwarzes Loch in unserer Galaxie: Gaia BH1

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ist ein Doppelsternsystem -> gelber Zwerg und Schwarzes Loch kreisen umeinander.

Abstand so gross wie Erde und Sonne -> brauchen nur 185,6 Tage, um sich zu umkreisen.

Ist 3500 Lichtjahre entfernt.

Wurde durch Max-Planck-Instituts für Astronomie und Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics entdeckt.

Existenz wurde von europäischer Raumsonde Gaia festgestellt und mithilfe der Gemini-Observatorium in Hawaii überprüft und bestätigt.

Bestätigung der Entdeckung im November 2022.

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Schwarze Löcher entstehen meist dann, wenn massereiche Sterne am Ende ihrer Lebensdauer angelangt sind.

In einem Stern gibt es grundsätzlich zwei Kräfte: einen Druck nach aussen und einen Druck nach innen:

Druck nach aussen: entsteht durch Kernfusion im Stern (Wasserstoffkerne verschmelzen zu Heliumkernen).

Druck nach innen: Sonne wirkt mittels ihrer Gravitation auf den massereichen Stern ein.

Wenn nun der massereiche Stern am Ende seiner Lebensdauer angelangt ist, geht ihm irgendwann der Wasserstoff aus, wodurch es keine Kernfusion mehr geben kann. Da dadurch der Druck nach aussen wegfällt, gleichzeitig aber der Druck nach innen bestehen bleibt, kollabiert der massereiche Stern und es entsteht entweder ein Neutronenstern (vgl. Definition weiter unten) oder eben ein Schwarzes Loch.

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Stellare Schwarze Löcher (3 - 100 Sonnenmassen):

Entstehen am Ende der Entwicklung von Sternen. Es kommt dann nämlich zu einer Supernova, also dem hellen Aufleuchten eines sterbenden Sterns. Dabei wird die äußere Hülle des Sterns in Form einer Gaswolke in den Weltraum abgegeben. Das Innere des Sterns kollabiert, es fällt also in sich zusammen. Der kompakte Kern entwickelt sich schließlich innerhalb von wenigen Minuten zu einem Schwarzen Loch.

Mittelschwere Schwarze Löcher (100 - 1 Mio. Sonnenmassen):

Diese entstehen hingegen gemäss dem heutigen Wissensstand durch die Kollision mehrerer Sterne. Sie sind größer als stellare schwarze Löcher und befinden sich wahrscheinlich in Sternhaufen und Zwerggalaxien.

Supermassereiche Schwarze Löcher (106 - 1010 Sonnenmassen):

Supermassereiche Schwarze Löcher findet man in der Regel im Zentrum von Galaxien. Sie sind deutlich größer als stellare und mittelschwere Schwarze Löcher. Wie sie entstehen, konnten Wissenschaftler bisher jedoch noch nicht feststellen.

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Definition Neutronensterne: Neutronensterne bestehen erwartungsgemäss zum grössten Teil aus Neutronen und stellen das Endstadium einer Sternentwicklung dar. Sie sind nach stellaren Massstäben relativ klein, haben aber eine grosse Masse und sind daher sehr kompakt. Infolgedessen verfügen sie über ein starkes Magnetfeld.

Rolle bei der Entstehung Schwarzer Löcher: Im Jahre 2017 beobachteten Forscher die Kollision zweier Neutronensterne. Gemäss Röntgendaten könnte es sich beim neu entstandenen Objekt um eine Schwarzes Loch handeln, was bedeuten würde, dass auch die Kollision zweier Neutronensterne zur Geburt eines solchen führen kann.

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Entstehungsarten bei verschiedenen Arten von Schwarzen Löchern

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Entstehungsarten bei verschiedenen Arten von Schwarzen Löchern

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Welche Typen von Schwarzen Löchern bevorzugterweise auf die eine oder die andere Art entstehen, ist im Abschnitt "Arten von Schwarzen Löchern" nachzulesen.

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Liegt die Fluchtgeschwindigkeit eines Objekts über dem Limit (Lichtgeschwindigkeit), kann nichts mehr von seiner Oberfläche entkommen, nicht einmal Licht. Einen solchen Himmelskörper bezeichnet man daher als Schwarzes Loch. Denn es kann zwar etwas hineinfallen, aber weder Materie noch Licht gelangen jemals wieder heraus.

Beispiel: Rakete startet von Erde ins Weltall -> damit das gelingt, muss die Anziehungs- oder Gravitationskraft überwunden werden. Es braucht also eine Mindestgeschwindigkeit, welche grösser ist als die Gravitationskraft -> Fluchtgeschwindigkeit.

Erde: 11.2 Kilometer pro Sekunde.

Mond: 2.3 Kilometer pro Sekunde

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Schwarze Löcher sind keineswegs irgendwelche langweiligen Objekte irgendwo im Weltraum, sondern Phänomene mit sehr erstaunlichen Eigenschaften. Wenn beispielsweise ein Astronaut in ein Schwarzes Loch fiele, würde auf seine Füsse eine so viel grössere Anziehungskraft wirken als auf seinen Oberkörper, dass er in die Form von Spaghetti auseinandergezogen werden würde.