Schwarze Löcher – Monster im All

Schwarze Löcher – Monster im All
Jörn Wilms
Dr. Karl Remeis-Sternwarte, Bamberg, & ECAP
http://pulsar.sternwarte.uni-erlangen.de/wilms
Black Hole Universe
Inhalt
2
• Schwarze Löcher
– prä-Einstein
– post-Einstein
• Galaktische Schwarze Löcher
– weiße Zwerge, Neutronensterne, Schwarze Löcher
– Akkretion
– Stellare Schwarze Löcher
• Das Zentrum der Milchstraße
– . . . ein 106 M schwarzes Loch!
• Supermassive Schwarze Löcher im Universum
– Aktive Galaxien: 106...8 M Schwarze Löcher in den Zentren
anderer Galaxien
• Zusammenfassung
Inhalt
1
prä-Einstein
3
Rev. John Michell: Phil. Trans. R. Soc. London, 74, 35–57 (1784):
Über die Möglichkeit, die Entfernung, Größe usw. der Fixsterne zu bestimmen, als Ergebnis der Verringerung
der Geschwindigkeit ihres Lichts, sollte eine solche Verringerung in einem von ihnen gefunden werden, und
daß solche Daten von Beobachtungen gewonnen werden sollten, wie es notwendig wäre, um dieses Ziel zu
erreichen.
Schwarze Löcher
1
prä-Einstein
3
Rev. John Michell: Phil. Trans. R. Soc. London, 74, 35–57 (1784):
. . . sollte der Halbmesser einer Kugel mit der gleichen Dichte wie der der Sonne den der Sonne um ein Verhältnis von 500 zu 1 übersteigen, . . . dann würde alles von einem solchen Körper emittierte Licht zu ihm aufgrund der Gravitation zurückkehren.
Schwarze Löcher
2
Einstein
4
Spezielle Relativitätstheorie (1905):
• in allen Bezugssystemen hat die Lichtgeschwindigkeit c den gleichen Wert
• Beobachter mit konstanter Geschwindigkeit messen die gleichen physikalischen
Gesetze
Daraus folgt:
=⇒ Raum und Zeit sind relativ
(“4D-Raumzeit”)
=⇒ E = mc 2
(“Masse äquivalent zu Energie”)
Albert Einstein (1879–1955)
Schwarze Löcher
3
Einstein
4
Allgemeine Relativitätstheorie (1916):
• Masse krümmt den Raum (“Metrik”)
Albert Einstein (1879–1955)
Schwarze Löcher
4
Einstein
4
Allgemeine Relativitätstheorie (1916):
• Masse krümmt den Raum (“Metrik”)
• Licht bewegt sich durch gekrümmten
Raum
Albert Einstein (1879–1955)
Schwarze Löcher
5
Was sind schwarze Löcher?
5
Apfel nach oben geworfen:
Gesamtenergie:
E = Epot + Ekin
Epot = −G
MErdemApfel
rErde
potentielle Energie
Schwarze Löcher
1
Ekin = mApfelv 2
2
kinetische Energie
6
Was sind schwarze Löcher?
5
Apfel nach oben geworfen:
Gesamtenergie:
E = Epot + Ekin
Epot = −G
MErdemApfel
rErde
1
Ekin = mApfelv 2
2
kinetische Energie
potentielle Energie
Apfel kann dann Erde verlassen, wenn E > 0, d.h. für
s
v ≥ vEntweich =
Schwarze Löcher
2GMErde
rErde
7
Was sind schwarze Löcher?
5
Apfel nach oben geworfen:
Gesamtenergie:
E = Epot + Ekin
Epot = −G
MErdemApfel
rErde
1
Ekin = mApfelv 2
2
kinetische Energie
potentielle Energie
Apfel kann dann Erde verlassen, wenn E > 0, d.h. für
s
v ≥ vEntweich =
2GMErde
rErde
Erde: MErde = 5 × 1024 kg, rErde = 6378 km,
vEntweich, Erde = 11.2 km s−1
Schwarze Löcher
8
Was sind schwarze Löcher?
5
Apfel nach oben geworfen:
Gesamtenergie:
E = Epot + Ekin
Epot = −G
MErdemApfel
rErde
1
Ekin = mApfelv 2
2
kinetische Energie
potentielle Energie
Apfel kann dann Erde verlassen, wenn E > 0, d.h. für
s
v ≥ vEntweich =
2GMErde
rErde
Sonne: M = 2 × 1030 kg, r = 695500 km,
vEntweich, = 620 km s−1
Schwarze Löcher
9
5
Was sind schwarze Löcher?
Apfel nach oben geworfen:
Gesamtenergie:
E = Epot + Ekin
Epot = −G
MErdemApfel
rErde
1
Ekin = mApfelv 2
2
kinetische Energie
potentielle Energie
Apfel kann dann Erde verlassen, wenn E > 0, d.h. für
s
v ≥ vEntweich =
2GMErde
rErde
Schwarzes Loch: vEntweich ≥ c =⇒ R ≤
Schwarze Löcher
2GM
c2
M
∼
. 3 km
M
10
Schwarze Löcher sind sehr
einfache physikalische Objekte, bestimmt durch
• Masse
• (Ladung)
• Drehimpuls
Es ist schwarz und sieht aus wie ein Loch.
Ich würde sagen, es ist ein Schwarzes Loch
Kompakte Objekte
8
Sterne beenden ihr Leben als eines von drei Arten kompakter Objekte:
Stellare Schwarze Löcher
2
Kompakte Objekte
8
Sterne beenden ihr Leben als eines von drei Arten kompakter Objekte:
Weißer Zwerg: ρ ∼ 105 ... 106 g cm−3, R ∼ R , Gleichgewicht zwischen Gravi♁
tation und Gas durch Druck ([relativistisch] entarteter) Elektronen,
M < 1.44 M (Chandrasekhar-Grenze; 1931).
Stellare Schwarze Löcher
3
Kompakte Objekte
8
Sterne beenden ihr Leben als eines von drei Arten kompakter Objekte:
Weißer Zwerg: ρ ∼ 105 ... 106 g cm−3, R ∼ R , Gleichgewicht zwischen Gravi♁
tation und Gas durch Druck ([relativistisch] entarteter) Elektronen,
M < 1.44 M (Chandrasekhar-Grenze; 1931).
Neutronenstern: ρ ∼ 1013 ... 1016 g cm−3, R ∼ 10 km, bei dieser Dichte inv.
β -Zerfall (p + e− → n), d.h. Stern hat hohen Neutronenanteil.
1.44 M < M . 3 M (Oppenheimer-Volkoff Grenze; 1939).
Stellare Schwarze Löcher
4
Kompakte Objekte
8
Sterne beenden ihr Leben als eines von drei Arten kompakter Objekte:
Weißer Zwerg: ρ ∼ 105 ... 106 g cm−3, R ∼ R , Gleichgewicht zwischen Gravi♁
tation und Gas durch Druck ([relativistisch] entarteter) Elektronen,
M < 1.44 M (Chandrasekhar-Grenze; 1931).
Neutronenstern: ρ ∼ 1013 ... 1016 g cm−3, R ∼ 10 km, bei dieser Dichte inv.
β -Zerfall (p + e− → n), d.h. Stern hat hohen Neutronenanteil.
1.44 M < M . 3 M (Oppenheimer-Volkoff Grenze; 1939).
Schwarzes Loch: Für M & 3 M. kein stabiler Zustand bekannt
=⇒ Stern fällt vollständig in sich zusammen
=⇒ Schwarzes Loch
Ereignishorizont bei RS = 3(M/M) km
Stellare Schwarze Löcher
5
Kompakte Objekte
8
Sterne beenden ihr Leben als eines von drei Arten kompakter Objekte:
Weißer Zwerg: ρ ∼ 105 ... 106 g cm−3, R ∼ R , Gleichgewicht zwischen Gravi♁
tation und Gas durch Druck ([relativistisch] entarteter) Elektronen,
M < 1.44 M (Chandrasekhar-Grenze; 1931).
Neutronenstern: ρ ∼ 1013 ... 1016 g cm−3, R ∼ 10 km, bei dieser Dichte inv.
β -Zerfall (p + e− → n), d.h. Stern hat hohen Neutronenanteil.
1.44 M < M . 3 M (Oppenheimer-Volkoff Grenze; 1939).
Schwarzes Loch: Für M & 3 M. kein stabiler Zustand bekannt
=⇒ Stern fällt vollständig in sich zusammen
=⇒ Schwarzes Loch
Ereignishorizont bei RS = 3(M/M) km
Entdeckung eines kompakten Objekts mit M > 3 M =⇒ Schwarzlochkandidat
Stellare Schwarze Löcher
6
Akkretion
9
Astrophysikalische Energiequellen:
1. Kernfusion
Typische Reaktionen à la
4p −→ 4He + ∆mc 2
Freiwerdende Energie:
Kernfusion erzeugt
∼6 × 1018 erg g−1 = 6 × 1011 J g−1
(∆Enuc ∼ 0.007mpc 2)
Stellare Schwarze Löcher
7
Akkretion
9
Astrophysikalische Energiequellen:
1. Kernfusion
Typische Reaktionen à la
4p −→ 4He + ∆mc 2
Freiwerdende Energie:
Kernfusion erzeugt
∼6 × 1018 erg g−1 = 6 × 1011 J g−1
(∆Enuc ∼ 0.007mpc 2)
Stellare Schwarze Löcher
2. Gravitation
Akkretion von Masse m von ∞ nach
RS auf Schwarzes Loch M liefert
GMm
2GM
∆Eacc =
wo RS =
RS
c2
Akkretion erzeugt
∼1020 erg g−1 = 1013 J g−1
(∆Eacc ∼ 0.1 mpc 2)
8
Akkretion
9
Astrophysikalische Energiequellen:
1. Kernfusion
Typische Reaktionen à la
4p −→ 4He + ∆mc 2
Freiwerdende Energie:
Kernfusion erzeugt
∼6 × 1018 erg g−1 = 6 × 1011 J g−1
(∆Enuc ∼ 0.007mpc 2)
2. Gravitation
Akkretion von Masse m von ∞ nach
RS auf Schwarzes Loch M liefert
GMm
2GM
∆Eacc =
wo RS =
RS
c2
Akkretion erzeugt
∼1020 erg g−1 = 1013 J g−1
(∆Eacc ∼ 0.1 mpc 2)
=⇒ Akkretion von Material ist die effizienteste astrophysikalische Energiequelle.
. . . daher sind akkretierende Objekte auch die leuchtkräftigsten im ganzen Universum.
Stellare Schwarze Löcher
9
Material fließt von normalem Stern über inneren
Lagrangepunkt, L1, auf kompaktes Objekt
=⇒ Ausbildung einer Akkretionsscheibe, mit Temperatur ∼ 107 K
=⇒ Röntgen- und Gammastrahlung.
Röntgenastronomie
XMM-Newton (ESA): gestartet 1999 Dec 10
Chandra (NASA): gestartet 1999 Jul 23
Röntgenastronomie
XMM-Newton (ESA): gestartet 1999 Dec 10
Chandra (NASA): gestartet 1999 Jul 23
Weitere Satelliten: International Gamma-Ray Laboratory (INTEGRAL; ESA), Swift (USA),
High Energy Transient Explorer (HETE-2; USA), Fermi (USA),
High Energy Solar Spectroscopic Imager Spacecraft (RHESSI; USA), Suzaku (Japan, USA),
AGILE (Italien), MAXI (Japan).
Akkretion
13
Orosz, 2011, priv. Mitt.
Stellare Schwarze Löcher
13
14
RXTE ASM Count Rate
Variabilität
5
4
3
2
1
0
80
60
40
20
0
60
40
20
0
50000
2000
2005
2010
LMC X−3
Cyg X−1
GX 339−4
51000
52000
53000
MJD
54000
55000
Galaktische Schwarze Löcher zeigen Variabilität auf allen Zeitskalen!
Stellare Schwarze Löcher
14
c J. Wilms
Infrarot: Staub in MW wird durchlässig!
2MASS: 3 IR Bänder: J (1.25 µm), H (1.65 µm), Ks (2.17µm)
2MASS: Innere 60◦ × 45◦
Der innere Parsec: Zentraler Sternhaufen
Spitzer telescope: NASA/JPL/S. Stolovy
Das galaktische Zentrum
20
Zentrum von Sgr A enthält massereichen und dichten Sternhaufen
(> 106 M pc−3, vgl. Sonnenumgebung: 0.1 M pc−3)
6
1 Lichtjahr
1994
Genzel/Eckart
1996
Genzel/Eckart
2000
Genzel/Eckart
Der innere Parsec: Massenbestimmung
Ghez et al. (2005)
26
Schödel et al. (2002)
Massenbestimmung: 3. Kepler’sches Gesetz:
a = 5.5 Lichttage
P = 15.2 Jahre
Das galaktische Zentrum
=⇒
P2
4π 2
=
3
a
G(m∗ + MBH)
12
26
Der innere Parsec: Massenbestimmung
Ghez et al. (2005)
Schödel et al. (2002)
Im Zentrum der Milchstraße befindet sich ein schwarzes Loch mit MBH =
(3.7 ± 0.2) × 106 M
Wolke wird 2013 Flare erzeugen
Das galaktische Zentrum
13
NGC 3783: lineare Intensitätsskala
NGC 3783: lineare Intensitätsskala
logarithmische Intensitätsskala
NGC 3783: lineare Intensitätsskala
logarithmische Intensitätsskala
Aktive galaktische Kerne (active galactic nuclei; AGN): supermassive Schwarze Löcher (M ∼ 106...8 M), die 1 ... 2 M/Jahr akkretieren
=⇒ Leuchtkraft ∼ 1010 L (vergleichbar mit Galaxienleuchtkraft)
J. Bergeron, Sky&Telescope
TANAMI: NASA-GSFC, U Würzburg, U Erlangen, U Maryland, MPIfR, U
Washington, U Perugia, U Valencia. . .
-60
-40
-20
α [r g]
0
20
40
60
-10
40
20
β [r g]
0
10
10
10
0
0
0
-20
-40
1.4
-0.3
1.3
1.2
-0.2
E/E e
1.1
1
0.9
0.8
-0.1
0.0 0.1 0.2
Redshift z
0.6
0.5
0.4
-10
0
1.0
Nahe am Schwarzen Loch: extreme relativistische Effekte
10
νFν [10−12 × ergs s−1 cm−2 ]
(a)
Ratio
Rev. 1971-1974
0.1
(b) Single Refl.
(b) Single Refl.
(c) Double Refl.
(c) Double Refl.
(d) Double Refl. + Wind
(d) Double Refl. + Wind
1
0.5
1.5
Ratio
(a)
1
0.01
1.5
1
0.5
1.5
Ratio
Rev. 1491-1494
1
0.5
0.5
1
2
Energy [keV]
5
10
0.5
1
2
Energy [keV]
5
10
Dauser et al., 2012
Beobachtungen verbreiterter Emissionslinien sind Evidenz für relativistische Geschwindigkeiten (>100000 km s−1) und starke Raumkrümmung.
Frühes Universum: “Baby-Galaxien”
Chandra Deep
Field South: 1 Msec
(10.8 Tage) Beobachtung im Röntgenbereich in einer Region im
Sternbild Fornax =⇒ Alle Objekte sind supermassive Schwarze Löcher!
Maßstab: 150 × 150 ; courtesy NASA/JHU/AUI/R.Giacconi et al.
=⇒ Spectr-RG:
• Röntgendurchmusterung
•
•
•
•
Spectrum-X-Γ
des gesamten Himmels
(4 Jahre)
mit weitem Abstand empfindlichste Suche nach
schwarzen Löchern
Russischer Satellitenbus
Experimente:
– eROSITA: MPE, IAA
Tübingen, Potsdam,
Hamburg, ErlangenNürnberg, Industrie
(∼50 Mio Euro)
– ART-XC: Roscosmos
Start: 2014, Laufzeit
>7 Jahre
Zusammenfassung
44
• Schwarze Löcher sind einfache Objekte: M , J (und Q )
• Wir kennen verschiedene Arten schwarzer Löcher:
– Stellare (galaktische) schwarze Löcher (M ∼ 10 M)
– Zentren normaler Galaxien (M ∼ 106 M)
– Zentren aktiver Galaxien (M ∼ 106. . . 108 M)
• Astrophysikalische Methoden erlauben es, das Verhalten von Materie unter
extremsten Bedingungen zu studieren.
• Schwarze Löcher kommen im ganzen Universum vor
Zusammenfassung
1
Urplötzlich verwandelte sich aufgrund noch nicht voll−
ständig verstandener Ursachen das Apartment von
Darren Belsky in das Zentrum eines schwarzen Lochs.
c FARWORKS, Inc., reprinted without permission for scientific and educational purposes