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Inhalt

Einleitung
Der Aufbau Schwarzer Löcher
Die Klassifizierung Schwarzer Löcher
Akkretionsscheiben und Jets
Fragen und Antworten zu Schwarzen Löchern

Einleitung

Ein Schwarzes Loch ist ein extrem massereiches Objekt von relativ geringer Ausdehnung. Ein Schwarzes Loch krümmt die Raumzeit derart, dass es ein wirkliches Loch im Raum selbst erzeugt, aus dem nichts, was einmal dort hineingefallen ist, jemals wieder daraus entkommen kann. Das größte, bekannte Schwarze Loch befindet sich im Zentrum der Galaxie Holmberg 15A im Cluster Abell 85. Seine kolossale Masse beträgt ungefähr 40 Milliarden Sonnenmassen. Im Mai 2020 entdeckten Astronomen ein schwarzes Loch in nur 1000 Lichtjahren Entfernung im Sternbild Telescopium, damit ist es das der Erde am nächstgelegene schwarze Loch. Mit einer Masse von ca. 4 Sonnenmassen ist es jedoch nur ein relativ kleines stellares Schwarzes Loch.

Schwarzes LochKünstlerische Darstellung eines Schwarzen Lochs. Quelle: NASA/ESA und G. Bacon (STScI)

Der Aufbau Schwarzer Löcher

Ein Schwarzes Loch verformt die Raumstruktur um sich herum so stark, dass es ein Loch im Raum selbst erzeugt. Daher kann nichts mehr aus einem Schwarzen Loch entkommen, noch nicht einmal das Licht. Das ist auch der Grund, weshalb wir niemals in der Lage sein werden, etwas innerhalb eines Schwarzen Lochs zu messen. Für Astronomen stehen nur drei messbare physikalische Eigenschaften zur Verfügung, welche die Charakteristik eines Schwarzen Lochs vollständig beschreiben: seine Masse, seine elektrische Ladung und sein Drehimpuls.

  1. Die Ladung ist für Astronomen nicht besonders wichtig; sollte ein Schwarzes Loch eine gewisse Ladung besitzen, würde es ungleichnamig geladene Teilchen zum Ladungsausgleich anziehen.
  2. Der Drehimpuls kann gemessen werden, doch wir werden hierzu nicht ins Detail gehen. Da der Drehimpuls immer erhalten bleibt, ist zu erwarten, dass ein Schwarzes Loch rotiert. Astronomen haben in der Tat entdeckt, dass das Schwarze Loch mit der Bezeichnung GRS 1905+105 1150 mal pro Sekunde rotiert, was nahe an der theoretischen Obergrenze liegt.
  3. Die Masse des Schwarzen Lochs legt dessen Ausdehnung fest: den Radius des Ereignishorizonts (auch Schwarzschildradius genannt). Der Ereignishorizont stellt die Grenze zwischen Schwarzem Loch und diesseitigem Raum dar, so kann alles, was sich innerhalb des Ereignishorizonts befindet, nie wieder entkommen (man kann den Ereignishorizont auch als "point of no return" oder Punkt ohne Wiederkehr bezeichnen). Alle Materie außerhalb des Ereignishorizonts kann - zumindest theoretisch - noch entkommen. Eine gute Näherung für den Radius des Ereignishorizonts beträgt 3 km pro Sonnenmasse. Somit besitzt ein Schwarzes Loch mit 10 Sonnenmassen einen Ereignishorizont von 30 km. Das größte, bekannte Schwarze Loch mit 40 Milliarden Sonnenmassen hat einen Ereignishorizont von 120 Milliarden Kilometern. Zum Vergleich: der äußerste Planet unseres Sonnensystems (Neptun) ist ca. 4,5 Milliarden Kilometer von der Sonne entfernt. Ein (theoretisches, in Wirklichkeit nicht existierendes) Schwarzes Loch von der Masse des Mondes würde einen Durchmesser von weniger als einem Zehntelmillimeter besitzen.
Und was befindet sich innerhalb des Ereignishorizonts? Niemand weiß das wirklich. Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie beschreibt eine Singularität; alle Materie und Energie sind in einen infinitesimal kleinen Raum gequetscht. Oder es könnte einen Quarkstern geben; ähnlich einem Neutronenstern könnte er aus Quarks bestehen. Sie können unsere Artikel über Supernovae und Neutronensterne lesen, um diese Vorstellung besser zu verstehen.


Die Klassifizierung Schwarzer Löcher

Astronomen unterscheiden vier Haupttypen von Schwarzen Löchern:

  1. Supermassereiche Schwarze Löcher (SMBH)
    Diese Monster von Schwarzen Löchern residieren in den Zentren massereicher Galaxien. Praktisch jede massereiche Galaxie hat ein Supermassereiches Schwarzes Loch in ihrem Zentrum. Supermassereiche Schwarze Löcher können eine Masse zwischen mehreren Hundertausend bis zu vielen Milliarden Sonnenmassen besitzen. Das nächstgelegene Supermassereiche Schwarze Loch ist 27000 Lichtjahre entfernt und hat eine Masse von 4,3 Millionen Sonnenmassen, es befindet sich genau im Zentrum unserer Milchstraße. Die Entstehung derartiger Supermassereicher Schwarzer Löcher ist immer noch Gegenstand laufender Untersuchungen. Übereinstimmung herrscht jedoch unter den Wissenschaftlern darüber, dass ein einmal existierendes Schwarzes Loch im Zentrum einer Galaxie der Grundstein für die Bildung eines Supermassereichen Schwarzen Lochs ist. Das anfängliche Schwarze Loch leitet einen Verschmelzungsprozess mit weiteren Schwarzen Löchern ein und es sammelt Materie, die über einen Entwicklungszeitraum von Milliarden Jahren in das Schwarze Loch fällt, wodurch es mehr und mehr an Masse zunimmt.
    Übrigens: Supermassereiche Schwarze Löcher können Masse nicht beliebig schnell ansammeln. Falls die Zuflussmenge einen bestimmten Grenzwert (Eddington-Leuchtkraft oder Eddington-Grenze genannt) übersteigt, wird der Strahlungsdruck der ultra-leuchtstarken Akkretionsscheibe hoch genug, um die einfallende Materie wieder nach außen zu drücken. Auf diese Weise können Astronomen die beobachtete Leuchtkraft von Quasaren erklären.
  2. M104 - die Sombrerogalaxie 2 Im Zentrum der Sombrerogalaxie liegt ein Supermassereiches Schwarzes Loch. Quelle: Vicent Peris (OAUV/PTeam), MAST, STScI, AURA, NASA
  3. Schwarze Löcher mit mittlerer Masse
    Schwarze Löcher mit mittlerer Masse besitzen Massen von etwa tausendfacher Sonnenmasse und können im Zentrum kleinerer Galaxien oder Sternhaufen vorkommen. Sie sind selten und bislang konnte kein Schwarzes Loch mit mittlerer Masse bestätigt werden, doch einige aussichtsreiche Kandidaten wurden entdeckt und könnten bald anerkannt werden.

  4. Stellare Schwarze Löcher
    Stellare Schwarze Löcher sind von allen Arten Schwarzer Löcher die am häufigst vorkommenden. Ihre Massen reichen von etwa drei bis zu ein paar hundert Sonnenmassen. Sie sind das Ergebnis von Supernovae, dem Tod massereicher Sterne (Sie können mehr dazu in unserem Artikel über Supernovae nachlesen). Deren Schwarzschildradius hat lediglich die Abmessung eines kleineren Asteroiden, mit typischerweise nur 10 bis 100 km. Es gibt mehrere stellare Schwarze Löcher in der Nachbarschaft unseres Sonnensystems - mit "Nachbarschaft" meinen wir wenige tausend Lichtjahre entfernt. Sie werden niemals in der Lage sein, mit unserem Sonnensystem zu interagieren. Das nächstgelegene bekannte Schwarze Loch (noch nicht gesichert) befindet sich etwa 1300 Lichtjahre entfernt im Orionnebel.

  5. Schwarze Mikro-Löcher
    Das ist eine hypothetische Art eines Schwarzen Lochs; es könnte in einem sehr frühen Stadium des Universums kurz nach dem Urknall geschaffen worden sein, als das Universum noch sehr dicht war. Aus diesem Grund werden sie auch primordiale Schwarze Löcher genannt. Sie wurden bis jetzt noch nicht entdeckt und ihre Existenz ist reine Spekulation. Falls Sie jedoch existieren, sind sie sehr klein (von der Größenordnung eines Atoms oder kleiner, ihr Ereignishorizont beträgt nur ein paar Nanometer) und sie hätten die Masse eines mittelgroßen Asteroiden. Sie würden in weniger als einer Minute und nahezu ohne Auswirkung durch die Erde hindurchgehen. Forschungen des Max-Planck-Instituts in Deutschland haben gezeigt, dass ein Mikro-Schwarzes Loch mit einer Masse von einer Milliarde Tonnen, würde es die Erde durchqueren, kleinere Erdbeben der Stärke 4 verursachen würde. Die Form der Erdbebenwellen wäre einzigartig und anders als alles, was durch ein gewöhnliches Erbeben hervorgerufen werden kann. Die Messung derartiger Wellen wäre ein untrüglicher Beweis für diesen Typ Schwarzen Lochs. Momentan kann man auch nicht völlig die Möglichkeit ausschließen, dass primordiale Schwarze Löcher die berühmte Dunkle Materie selbst darstellen könnten. Doch bis es zwingende Beweise gibt, erscheint dieses Szenario sehr unwahrscheinlich.


Akkretionsscheiben und Jets

Thumb black hole cygnus x 1
So stellt sich ein Künstler das Schwarze Loch Cygnus X-1 vor.
Materie, hauptsächlich in Form von Gas- und Staubwolken, die sich in der Umgebung um ein Schwarzes Loch befindet, tritt in eine Umlaufbahn um das Schwarze Loch ein. Da das Schwarze Loch im Vergleich zur Größe der herabstürzenden Wolken relativ klein ist, fällt nahezu keine Materie direkt hinein. In unmittelbarer Nähe des Ereignishorizonts bildet die Materie eine Akkretionsscheibe, die durch Reibung stark aufgeheizt wird. Die Reibung verlagert einen Teil des Drehimpulses nach außen, wodurch der Radius der kreisenden Materie abnimmt und sie näher an das Schwarze Loch bringt bis zu dem Punkt, an dem sie schlussendlich hineinstürzt. Die potentielle Energie, die während des Schrumpfungsprozesses des Umlaufradius freigesetzt wird, heizt das hineinstürzende Gas auf, welches Temperaturen von einigen Zehnmillionen bis zu mehr als Hundertmillionen Kelvin erreichen kann. Wir werden niemals in der Lage sein, ein Schwarzes Loch direkt zu beobachten, aber wir können diese heißen Akkretionsscheiben nachweisen. Eine Akkretionsscheibe emittiert sehr starke Strahlung in Form elektromagnetischer Strahlung, angefangen bei Radiowellen bis zu Röntgenstrahlung (weitere Details sind in unserem Artikel über elektromagnetische Strahlung zu finden). Röntgenstrahlung sind eine sehr energiereiche, von der Akkretionsscheibe emittierte Strahlung. Daher können wir Schwarze Löcher aufspüren, indem wir den Himmel nach Röntgenstrahlung absuchen. Diese Vorgänge in der Akkretionsscheibe wandeln rund 10% der herabstürzenden Materie entsprechend der Formel E = m x c2 in Energie um. Das ist eine ganze Menge verglichen mit den 0,5% bis 0,7%, die bei der Kernfusion emittiert werden. Die Kernfusion ist der Prozess, der fast alle Energie freisetzt, die von Sternen abgestrahlt wird.

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Centaurus A mit seinen beiden relativistischen Jets
Falls sehr viel Materie in Richtung eines Supermassereichen Schwarzen Lochs im Zentrum einer Galaxie fällt, wird diese zu einer sogenannten aktiven Galaxie. Ein hervorragendes Beispiel für eine aktive Galaxie ist Centaurus A. Centaurus A emittiert zwei relativistische Jets mit Röntgen- und Radiowellenemission, jeder ungefähr 30000 Lichtjahre lang. Im Innersten dieser Jets bewegt sich die Materie mit etwa halber Lichtgeschwindigkeit vom schwarzen Lochs weg. In größerer Entfernung kollidiert die Materie mit dem die Galaxie umgebenden Gas, wodurch hochenergetische Partikel erzeugt werden. Was könnte der Grund für solch einen Ausbruch an Energie in der Nähe eines Supermassereichen Schwarzen Lochs sein? Höchstwahrscheinlich steckt dahinter die Kollision von Centaurus A mit einer kleineren Spiralgalaxie.



Verpassen Sie nicht, einen Blick in unsere Rubrik mit Fragen und Antworten zu Schwarzen Löchern zu werfen.


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A gas cloud near the Milky Way's central black hole A gas cloud near the Milky Way's cent...

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Veröffentlicht von Veröffentlicht oder zuletzt modifiziert am 26.05.2020