Entstehung und Nachweis stellarer Schwarzer Löcher
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Entstehung und Nachweis stellarer Schwarzer Löcher Sabrina Schönfeld 21.05.2013 1 Gliederung • Motivation • Entstehung Chandrasekhar‘sche Grenze Spätstadien von Sternen Supernovae Schwarzschildradius • Beobachtung Röntgenstrahlung Radiowellen Gravitationswellen • Zusammenfassung 21.05.2013 2 Motivation • Teil des Universums, aus dem weder Materie noch irgendeine Art von Strahlung entkommen kann • ART: Stellen der Raumzeit, die so stark gekrümmt sind, dass für Licht kein Entkommen möglich ist • Unterscheidung in stellare, mittelschwere, supermassive und primordiale Schwarze Löcher • nicht direkt zu beobachten, unsichtbar ART-Allgemeine Relativitätstheorie 21.05.2013 3 Entstehung Chandrasekhar‘sche Grenze • 1928 Größe berechnet bis Stern gegen eigene Schwerkraft behauptet • beruht auf Pauli-Prinzip (1925) • Grundgedanke: - im Stern nicht genügend Gasdruck vorhanden → verkleinert und verdichtet sich 21.05.2013 Subramahnyan Chandrasekhar (1910-1995) [timeline.aps.org] 4 Entstehung Chandrasekhar‘sche Grenze • 1928 Größe berechnet bis Stern gegen eigene Schwerkraft behauptet • beruht auf Pauli-Prinzip (1925) • Grundgedanke: - im Stern nicht genügend Gasdruck vorhanden → verkleinert und verdichtet sich 21.05.2013 - Ausdehnung des Sterns - Gleichgewicht bestimmt durch Pauli-Prinzip und Schwerkraft - Grenze des Prinzips verursacht Kollaps des Sterns M ≈ 1,4 Msol 5 Entstehung Spätstadien von Sternen Kleine, leichte Sterne (≈Msol): • entwickeln sich zu Roten Riesen → Heliumbrennen setzt ein • keine neuen Kernreaktionen nach Verbrauch des Heliums → Kontraktion • Unterhalb 1,4 Msol Stillstand der Kontraktion → Weißer Zwerg 21.05.2013 Größere Sterne: • nach Heliumverbrennung setzt Kohlenstoffverbrennung ein usw. bis 56Fe entsteht → stabil und keine Kernreaktionen mehr • starker Anstieg der Gravitation → Supernova 6 Entstehung Supernovae • Explosion des nach innen strebenden Sternmaterials • Leuchtkraft ≈ 109 Lsol • Freigesetzte Energie so groß wie die, die Stern im gesamten Leben freigesetzt hat • Entstehung Neutronenstern oder Schwarzes Loch Überreste einer Supernova von 1054 („Krebsnebel“) [eso.org] 21.05.2013 7 Übersicht der Sternentwicklung [gym-vaterstetten.de] 21.05.2013 8 Entstehung Schwarzschildradius • 1916 erstmals berechnet • Radius des Körpers unterschreitet bestimmte Größe und verschwindet aus Universum → Schwarzes Loch • entspricht Größe des Schwarzen Loches, Grenze heißt Ereignishorizont rs = 2Gm/c2 21.05.2013 Karl Schwarzschild (1873-1916) [aip.de] 9 Entstehung Schwarzschildradius • Radius nimmt mit der Zeit ab, Lichtstrahlen verlassen Stern ungehindert • Erreichen des kritischen Radius lässt Licht nicht mehr entkommen und wird zur Singularität gezwungen • Fluchtgeschwindigkeit ≥ Lichtgeschwindigkeit Sternkollaps als Raumzeitdiagramm [abenteueruniversum.de] 21.05.2013 10 Beobachtung Röntgensrahlung • Suche nach Doppelsystem (Schwarzes Loch mit Begleitstern) • SL entzieht Stern Materie und erhitzt Gas auf bis zu 108 K → Abgabe von Röntgenstrahlung • Gas ordnet sich in Form einer Scheibe um SL an (Akkretionsscheibe) 21.05.2013 Modell von Cygnus X-1 mit Beigleitstern HDE 226868 [blackholes.stardate.org] 11 Beobachtung Röntgensrahlung • 1971 mit Röntgensatellit Uhuru bisher zweitstärkste Röntgenstrahlquelle Cygnus X-1 mit HDE 226868 entdeckt • in 6000 ly Entfernung • Abstand zw. Stern und SL ≈ 20 Rsol • bis 95% sicher, dass es ein SL ist 21.05.2013 Modell von Cygnus X-1 mit Beigleitstern HDE 226868 [blackholes.stardate.org] 12 Beobachtung Radiowellen • einfallende Materie wird in Energie umgewandelt → Abstrahlung in Form von Jets, Radiowellen • verschiedene Möglichkeiten der Erzeugung der Jets, aber wahrscheinlich durch Magnetfeldlinien, die durch Rotation Plasma hinausschleudert 21.05.2013 Modell eines Quasars [nasa.gov] 13 Beobachtung Radiowellen • 1960 Radioquelle 3C48 mit hoher Rotverschiebung gefunden • mit opt. Teleskop Bild mit Lichtpunkt ähnlich eines Sterns, aber Entfernung ≈ 4,5 Mrd. ly • 100 mal so hell wie Galaxie, Volumen 10-18 mal so klein • Strahlung mit gleicher Intensität → Quasar 21.05.2013 Quasar 3C48 [ned.ipac.caltech.edu] 14 Beobachtung Gravitationswellen • zwei massive Objekte kreisen umeinander und erzeugen Raumkrümmung um sich • Laserstrahl über lange Distanz mehrmals reflektiert und mittels Interferometrie kombiniert • Normalerweise Aufhebung der Strahlen, Gravitationswellen verursachen Verschiebung • 2015 Start von LISA (Laser Interferometer Space Antenna) 21.05.2013 Gravitationswellen bei der Verschmelzung von zwei Schwarzen Löchern [hera.ph1.uni-koeln.de] 15 Zusammenfassung • Chandrasekhar‘sche Grenze: M ≈ 1,4 Msol • Kleine, leichte Sterne → Weißer Zwerg • Große Sterne → Supernova → Neutronenstern oder Schwarzes Loch • Schwarzschildradius: Größe des Schwarzen Loches, rs = 2Gm/c2 • Nachweis mittels Röntgenstrahlung, Radiowellen und Gravitationswellen • List of black hole candidates.htm 21.05.2013 16 Vielen Dank für die Aufmerksamkeit 21.05.2013 17
