Schwarze Löcher - Spektrum der Wissenschaft

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Welt der Wissenschaft: Astrophysik
Schwarze Löcher
Weshalb benötigen wir diese kosmische Kuriosität?
Die Gravitation kann am besten mit Albert Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie
beschrieben werden. Diese Theorie sagt die Existenz extrem kompakter Objekte voraus,
die seit Ende der 1960er Jahre als Schwarze Löcher Schlagzeilen machen. Seither haben
die beobachtenden Astronomen zahlreiche Exemplare entdeckt – anscheinend gibt es
im Weltall eine Vielfalt Schwarzer Löcher sehr unterschiedlicher Masse.
Von Andreas Müller
A
lbert
Einstein
(1879 – 1955)
getestet: von der Lichtablenkung im
ist der Schöpfer der überaus
Schwerefeld der Sonne über die Drehung
erfolgreichen, vielfach expe­
der Merkurbahn um ihren sonnennächs­
rimentell bestätigten Relati­
ten Punkt, die Annäherung von Doppel­
In Kürze
vitätstheorie. Mit dieser Theorie kam ein
sternen infolge ihrer Abstrahlung von
radikal neues Verständnis von Raum, Zeit
Gravitationswellen, den Zug der rotie­
ó Einsteins allgemeine Relativitäts-
und Materie auf (beziehungsweise von
renden Raumzeit der Erde bis zum Nach­
theorie beschreibt die Gravitation
Masse und Energie). Aus Einsteins For­
weis der allermerkwürdigsten Objekte im
äußerst erfolgreich – das bestäti-
derung der Konstanz der Lichtgeschwin­
Kosmos – der Schwarzen Löcher (siehe
gen beeindruckend viele Experi-
digkeit in allen Bezugssystemen folgt,
Bild rechts).
mente.
dass Länge und Zeit zu relativen Größen
wird von Einsteins Theorie vorher-
Beobachter am Boden ticken Uhren in
Aus jeder Masse kann ein
Schwarzes Loch werden
gesagt. Astronomen beobachten
einem fliegenden Flugzeug langsamer als
Aus jeder Masse wird ein Schwarzes
eine Reihe von Himmelsobjekten,
auf dem Flughafen, und sie ticken auch im
Loch, wenn sie nur hinreichend kräftig
die sehr gut mit Schwarzen Lö-
Tal langsamer als auf hohen Bergen. Die
zusammengequetscht wird. Das kritische
chern erklärt werden können.
Länge eines vorbeifliegenden Flugzeugs
Maß für dieses Zusammenquetschen
ó Im Prinzip kann jede Masse zu
ó Die Existenz Schwarzer Löcher
erscheint uns in Bewegungsrichtung um
ist der Schwarzschild-Radius, benannt
einem Schwarzen Loch werden,
einen winzigen Bruchteil verkürzt gegen­
nach dem deutschen Astronomen Karl
wenn sie nur hinreichend stark
über der Länge, die wir messen, wenn das
Schwarzschild (1873 – 1916), der 1916 eine
verdichtet wird. Dies geschieht,
Flugzeug vor uns parkt.
erste Lösung für die Feldgleichung der
wenn massereiche Sterne am
40
werden. Es klingt verrückt, aber für einen
Mittlerweile sind diese Effekte der
allgemeinen
Relativitätstheorie
(ART)
Ende ihrer Entwicklung kollabie-
zeitlichen Dehnung (oder Zeitdilata­tion)
veröffentlichte.
ren oder wenn viele Millionen
und räumlichen Verkürzung (oder Län­
Mal größere Mengen Materie in
genkontraktion) in unserem Alltag ange­
Der Schwarzschild-Radius RS = 2 GM / c2
hängt nur von der Masse M und von zwei
die Zentren der Galaxien herab-
kommen, denn Navigationssysteme wie
Naturkonstanten ab, nämlich der Vaku­
stürzen. Die mögliche Entstehung
das GPS müssen sie berücksichtigen, um
umlichtgeschwindigkeit c und der new­
mikroskopischer Schwarzer Löcher
die hohe Genauigkeit ihrer Positions­­
wurde noch nicht beobachtet.
bestimmungen zu erzielen. Die Re­la­ti­vi­
tonschen Gravitationskonstante G. Für
die Masse der Sonne, knapp 2 3 1030 Kilo­
tätstheorie wurde viele Male erfolgreich
gramm, beträgt er knapp drei Kilometer.
Mai 2010
Sterne und Weltraum
Andreas Müller
Schwarze Löcher können wir nicht
sehen – aber simulieren. Hier ist der
Anblick eines Schwarzen Lochs
dargestellt, das im Zentrum einer
leuchtenden, gegen den Uhrzeigersinn rotierenden, leicht geneigten
Dies bedeutet: Schafft man es, die Sonne
Ist tief im Innern des Protosterns unter
zu einer Kugel mit drei Kilometer Radius
der Last seiner äußeren Schichten ein kri­
Akkre­tionsscheibe ruht. Das Loch ist
zu komprimieren, so wird sie zu einem
tischer Wert der Dichte und Temperatur
nur deshalb als schwarzer Fleck zu
Schwarzen Loch. Auch für die Erde mit ih­
rer Masse von knapp 6 3 1024 Kilogramm
erreicht, so zündet dort die Kernfu­sion:
erkennen, weil die umgebende
Die unter hohem Druck zusammensto­
Scheibe leuchtet. Relativistische
lässt sich sofort ausrechnen, dass sie, auf
ßenden Atomkerne verschmelzen zu
Effekte sorgen für die Blauverschie-
Murmelgröße (knapp zwei Zentimeter)
schwereren Kernen. Dabei wird Energie in
bung der Strahlung links vom
zusammengequetscht, zu einem Schwar­
Form von Strahlung freigesetzt. Weil die
Schwarzen Loch und für deren
zen Loch würde. Das klingt unglaublich,
Lichtteilchen einen Impuls besitzen, üben
Gravitationsrotverschiebung in seiner
und Sonne und Erde werden im Lauf ihrer
sie auf die weiter außen liegenden Schich­
Umgebung. Dadurch wird das Bild
Entwicklung auch nicht zu Schwarzen
ten einen nach außen gerichteten Druck
der Scheibe insgesamt verzerrt.
Löchern werden. Aber offenbar gelingt
aus, den Strahlungsdruck, der den Stern
es der Natur, massereiche Sterne auf die
aufblähen möchte. Und weil der Stern ro­
Abmessungen einer Großstadt zu kom­
tiert, versucht auch die Fliehkraft ihn grö­
primieren und sie zu Schwarzen Löchern
ßer zu machen. Sie wirkt von der Drehach­
umzuformen. Wie macht sie das?
se des Sterns nach außen, am stärksten
Das Kräftegleichgewicht im Innern der Sterne
am Äquator und gar nicht an den Polen.
Um das zu verstehen, müssen wir uns die
Die Wirkung der
Vorgänge im Innern der Sterne anschau­
Gezeitenkraft wird
en. Sterne bilden sich aus kalten, interstel­
nirgends so deutlich wie
laren Molekülwolken, die unter der Last
in der Nähe eines
dabei durch Verdichtung heiß werden:
Schwarzen Lochs – dieser Erfahrung kann man sich rechnend, zeichnend und sogar
sportlich annähern. Wie Schüler in der gymnasialen Oberstufe aktiv mit den Inhal­­ten
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41
Das hydrostatische Gleichgewicht
pGravitation
E
in Stern ist Spielball der in seinem Innern wirkenden Kräfte.
Der Druck des heißen Gases und der erzeugten Strahlung
wirkt allseitig nach außen, während die Gravitation die Materie
nach innen zieht. Rotiert der Stern, wirkt zudem die Fliehkraft,
die von der Rotationsachse weg nach außen gerichtet ist.
Im hydrostatischen Gleichgewicht gleichen sich diese Kräfte
pGasdruck
beziehungsweise Drücke (Kräfte pro Fläche) aus. In diesem
Zustand verbleibt der Stern, bis sich die Kräfteverhältnisse in
pFliehkraft
seinem Innern ändern. Die Stern­entwicklung spiegelt genau die
Veränderungen der beteiligten Kräfte wider, die zu einer neuen
Gleichgewichtskonfiguration führen. Offenbar sind die Kräf-
pGravitation
pStrahlungsdruck
pGravitation
pFliehkraft
Andreas Müller / SuW-Grafik
teverhältnisse bei unserer Sonne recht stabil, denn sie scheint
beständig seit vielen Milliarden Jahren, bei recht konstantem
Radius und konstanter Leuchtkraft.
pGravitation
Druckbilanz: pGravitation = pFliehkraft + pGasdruck + pStrahlungsdruck
Im Innern der Sterne sind also im We­
Stern ein Problem: Das in der obigen Gra­
Zustand zu besetzen, der in allen Eigen­
sentlichen vier Drücke oder Kräfte am
fik dargestellte Gleichgewicht gerät aus
schaften
Werk: der Gasdruck, der Strahlungsdruck,
den Fugen, denn ohne Fusion versiegt die
der Orts­koordinaten, übereinstimmt. In
die Fliehkraft und die Gravitation. Der
Wärmequelle im Kernbereich, die in den
dichten Elektronengasen wirkt also eine
Stern wird nun genau denjenigen Zustand
Weltraum abgestrahlte Energie wird nicht
Art Quantendruck, den die Astrophysiker
einnehmen, bei dem sich alle diese Kräfte
ersetzt. Folglich fallen Temperatur und
Entartungsdruck nennen. In den weni­
ausgleichen. Dies nennen Astrophysiker
Druck des Gases rapide ab – das Gewicht
ger dichten Plasmen des Vorläufersterns
das hydrostatische Gleichgewicht (siehe
der äußeren Schichten kann nicht länger
spielt er noch keine Rolle, aber beim Gra­
Kasten oben).
kompensiert werden, und der Stern kol­
vitationskollaps wird er wichtig.
(»Quantenzahlen«),
inklusive
Nun kann der Stern ein ruhiges Dasein
labiert. Verursacht wird dieser Kollaps
Was passiert, wenn eine größere Masse
fristen, solange sich die Kräfteverhältnisse
durch die Gravitation, weshalb er Gravita­
kollabiert? Im Bereich von anderthalb bis
in seinem Innern nicht ändern. Es gilt ver­
tionskollaps genannt wird.
drei Sonnenmassen werden, anschaulich
einfachend die Regel: Je massereicher ein
gesprochen, die negativ geladenen Elek­
Stern, desto heißer ist sein Zentralbereich
Geburt im Gravitationskollaps
und desto schneller verbrennt er seine
Das weitere Schicksal des Sterns hängt
der Atomkerne gepresst, wobei Neutronen
Reserven. Zum Zünden der nächsten Fu­
entscheidend davon ab, wie groß die
entstehen: Dieser »inverse Betazerfall«
sionsstufe, die bei einer höheren Tempe­
Masse ist, die da in sich zusammenfällt
führt zur »Neutronisierung« der Sternma­
ratur angesiedelt ist, muss ein Stern eine
(siehe die Grafik rechts oben). Kollabieren
terie. Da Neutronen, wie Elektronen, halb­
bestimmte Masse aufbringen. Ist seine
weniger als etwa anderthalb Sonnen­
zahligen Spin haben, unterliegen auch
Masse zu gering, so bleiben in seinem Zen­
massen, dann bildet sich ein kompaktes
sie wieder dem Pauli-Prinzip. Neutronen
tralbereich Temperatur und Druck unter
Objekt, das Weißer Zwerg genannt wird.
sind allerdings etwa um einen Faktor 2000
dem kritischen Wert, und die nächste Fu­
Es wird das Schicksal unserer Sonne sein,
massereicher als Elektronen, so dass Neu­
sionsstufe kann nicht zünden. Aus diesem
zu einem solchen etwa erdgroßen, heißen
tronensterne noch mal um einen Faktor
Grund kann unsere Sonne nicht beliebig
Körper zu werden. In Weißen Zwergen
2000 kompakter sind als Weiße Zwerge. Ihr
schwere Elemente produzieren.
Aber selbst die massereichsten Sterne
findet keine Kernfusion mehr statt, aber
Durchmesser beträgt etwa 20 Kilometer,
was verhindert den weiteren Kollaps und
ihre Masse 1,5 bis 3 Sonnenmassen. Neu­
der Milchstraße, die etwa die hundert­
springt für den Gasdruck in die Bresche?
tronensternmaterie hat eine extrem hohe
fache Masse unserer Sonne haben, kön­
Es ist die Quantennatur der Materie. Das
Dichte: Zehn Würfel mit der Kantenlänge
nen keine schweren Elemente wie Gold
Sternplasma wird im Gravitationskollaps
von einem Zentimeter aus der äußeren
oder Uran fusionieren. Die Kernphysik
verdichtet, und irgendwann kommen sich
Schicht eines Neutronensterns würden
macht ihnen hier einen Strich durch die
die Elektronen im Stern so nahe, dass das
auf der Erde etwa 10 000 Tonnen wiegen –
Rechnung, denn bei der Fusion immer
Pauli-Prinzip der Quantenphysik zum
so viel wie der Eiffelturm!
schwererer Elemente wird ab einer be­
Tragen kommt. Dieses Prinzip verbietet
In der Reihe kompakter Objekte ist
stimmten Masse der Atomkerne keine
den Teilchen mit halbzahligem Spin –
das allerdings noch nicht das Ende der
Energie mehr frei. Dann bekommt der
und dazu gehören die Elektronen –, einen
Fahnenstange. Denn sobald ein Stern
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tronen in die positiv geladenen Protonen
Sterne und Weltraum
pGravitation
kollabierender Stern
Ist das Fusionsmaterial im Innern eines
Sterns verbraucht, nehmen Gas- und
Strahlungsdruck rapide ab, und die nach
innen gerichtete Gravitation lässt die
Gaskugel zusammenstürzen. Das Schicksal
pGravitation
pGravitation
des kollabierenden Sterns hängt dabei von
seiner Masse ab. Ist sie kleiner als etwa 1,5 Sonnenmassen, so entsteht ein Weißer
Zwerg. Bei 1,5 bis 3 Sonnenmassen gibt es
eine Sternexplosion (Supernova vom Typ II),
und der Sternkern kollabiert zum Neutro-
pGravitation
nenstern. Kollabieren mehr als drei
Sternrestmasse
Andreas Müller / SuW-Grafik
< 1,46 Sonnenmassen
Weißer Zwerg
Sonnenmassen – wobei dieser Grenzwert
1,5– 3,0
Sonnenmassen
Neutronenstern
> 3,0 Sonnenmassen
nicht so genau bekannt ist –, entsteht ein
Schwarzes Loch.
Schwarzes Loch
mit mehr als drei Sonnenmassen einen
von dem Ereignishorizont, der sich (bei
jedoch wiederum vom Schwerefeld der
Gravitationskollaps erfährt, entsteht ein
einem nicht rotierenden Schwarzen Loch)
Erde eingefangen. Eine Rakete kann der
Schwarzes Loch. Zwar ist im Detail noch
auf der Höhe des Schwarzschild-Radius
Gravitation der Erde entfliehen, wenn sie
nicht geklärt, was beim Übergang vom
befindet. Ein außen stehender Beobachter
die Fluchtgeschwindigkeit überschreitet.
Neutronenstern zum Schwarzen Loch mit
kann nicht in das Innere des Schwarzen
Diese Grenzgeschwindigkeit hängt von
der Materie geschieht – Tatsache ist aber,
Lochs schauen, weil der Ereignishorizont
der Masse des anziehenden Körpers und
dass die Materie noch weiter verdichtet
den Einblick verwehrt.
seiner Größe ab. An der Erdoberfläche
und unter den Schwarzschild-Radius kom­
beträgt sie 11,2 Kilometer pro Sekunde –
vitätstheorie ist ein Schwarzes Loch »Mas­
Schwärze der Löcher,
Krümmung der Raumzeit
se ohne Materie«, denn die Eigenschaft
Werfen wir einen Ball in die Luft, so wird
dass
»Masse« steckt in einem Punkt, der zen­
er von der irdischen Gravitation wieder
Schwarzschild-Radius identisch ist mit
tralen Singularität. Sie befindet sich beim
eingefangen und fällt zu Boden. Werfen
der Vakuumlichtgeschwindigkeit – knapp
Radius null, ansonsten ist das Schwarze
wir ihn mit höherer Geschwindigkeit, so
300 000 Kilometer pro Sekunde. Da nichts
Loch leer. Verhüllt wird dieses Zentrum
erreicht er eine größere Flughöhe, wird
schneller ist als das Licht, kann am Ereig­
primiert wird. Vom Standpunkt der Relati­
etwa 40 000 Kilometer pro Stunde.
Schwarze Löcher sind so kompakt,
ihre
Fluchtgeschwindigkeit
am
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Mai 2010
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den vorüberziehenden Wellenzug einer
Lichtablenkung in der Raumzeit
Lichtwelle als Taktgeber für eine Uhr, so
ist der Takt bei blauem Licht höher als
U
m eine intuitive Vorstellung von der vierdimensionalen, gekrümmten Raumzeit
bei rotem, denn der blaue Wellenzug ent­
zu bekommen, vergessen wir eine Raum- und die Zeitdimension und betrach-
hält mehr Wellenberge und Wellentäler
ten die von einer Masse hervorgerufene Delle in einer zweidimensionalen Raumzeit.
pro Zeiteinheit. Gravitationsrotverschie­
In dieser gekrümmten Raumzeit breitet sich ein Lichtstrahl, falls er von der Masse
bung heißt demnach auch, dass Uhren
beziehungsweise der Delle hinreichend weit entfernt ist, geradlinig aus – so sind wir
langsamer ticken, wenn sie tief in einer
es im Alltag gewohnt (unterer Strahl). Kommt der Lichtstrahl der Masse hinreichend
Delle der gekrümmten Raumzeit sitzen.
nah, so wird er abgelenkt, weil die Geometrie ihm keine andere Wahl lässt (oberer
Dieser relativistische Effekt ist analog zur
Strahl). Dieser »Gravitationslinseneffekt« wird in der Relativitätstheorie mit der Ver-
Gravita­tionsrotverschiebung und heißt
änderung der Geometrie des Raums durch die Anwesenheit von Masse (beziehungs-
gravitative Zeitdilatation.
weise Energie) erklärt. Bei hinreichend kompakter Masse wird der Lichtstrahl in einer
Art Trichter verschluckt und kommt nie wieder zum Vorschein. Genau dies geschieht
beim Schwarzen Loch: Schwarze Löcher sind dunkle Fallen der Raumzeit.
Schwarze Löcher sind in unserer Zukunft
So kommt, bezogen auf Schwarze Löcher,
ein weiterer, merkwürdiger Effekt zum
Tragen. Die Zeit ist relativ – ihr Ablauf
hängt vom Bezugssystem ab. Zeit verrinnt
unterschiedlich schnell, je nachdem wie
schnell wir uns bewegen und wie nah un­
sere Uhr einer Masse ist.
er
üll
eas M
Andr
ik
-Graf
/ SuW
Uhren ticken auf Bergspitzen schneller
als im Tal. In der Nähe Schwarzer Löcher
tritt eine extreme Situation ein: Weil der
Ereignishorizont eine Grenze ist, von der
unendlich
gravitationsrotverschobe­ne,
also keine Strahlung ausgeht, bleibt die
Uhr hier stehen. Von außen werden wir
niemals sehen können, wie ein Gegen­
nishorizont eines Schwarzen Lochs nichts
zur Erdoberfläche gebogen wird. Der Ball
stand in ein Schwarzes Loch fällt, denn
entkommen. Selbst ihr eigenes Licht wird
folgt der gekrümmten Raumzeit aus rein
er wird immer röter und dunkler werden,
von Schwarzen Löchern eingefangen, so
geometrischen Gründen. Nur so wird
sich immer langsamer dem Ereignishori­
dass sie von außen betrachtet schwarz
auch verständlich, dass Licht von Massen
zont nähern und schließlich aus unserem
aussehen müssen. Diese charakteristische
eingefangen werden kann – ein Sachver­
Blickfeld verschwinden – sein Licht wird
Eigenschaft verleiht den Schwarzen Lö­
halt, den Newton mit seiner Vorstellung
uns nicht mehr erreichen. Bezogen auf
chern ihren Namen.
der Gravitation nicht erklären konnte. Das
die Zeit muss man also folgern, dass das
Einstein führte 1915 ein vollkommen
obige Bild illustriert die Lichtablenkung in
Schwarze Loch (genauer: sein Ereignis­
neues Verständnis der Schwerkraft ein.
horizont) für uns in der Zukunft liegt. Das
Demnach ist Gravitation gar keine zwi­
der Raumzeit.
Vergleichen wir nochmals den gewor­
schen Massen wirkende Kraft, vielmehr
fenen Stein mit dem Lichtstrahl. Wirft
deshalb verborgen, weil wir nicht in die
ist sie eine geometrische Eigenschaft von
man einen Stein senkrecht nach oben,
Zukunft blicken können. So merkwürdig
Raum und Zeit. Die Relativitätstheorie
so verliert er kinetische Energie, weil er
uns der Zeitdehnungseffekt erscheinen
verknüpft den dreidimensionalen Raum
gegen das Schwerefeld Arbeit verrichtet.
mag, er wurde doch bereits 1976 mit
mit der eindimensionalen Zeit zu einem
Bei Licht ist es genauso: Breitet sich ein
dem Experiment Gravity Probe A – ei­
vierdimensionalen
Raum-Zeit-Kontinu­
Lichtstrahl in der Nähe einer Masse aus,
ner Atomuhr, die auf einer Raumsonde
um. Eine solche Raumzeit kann sich kein
so »zieht« die Masse am Licht. Es verliert
mitflog – experimentell bestätigt. Die
Mensch vorstellen, und doch bewegen
Energie, was sich darin äußert, dass es
heutigen Navigationssysteme verdanken
wir uns täglich durch Raum und Zeit. Das
röter wird, denn gemäß der Beziehung
ihre Genauigkeit dem Umstand, dass sie
Neue an Einsteins Vorstellung ist, dass die
E = h n ist Licht höherer Energie E blau­
die einsteinsche Zeitdilatation korrekt
Geometrie der Raumzeit durch die in ihr
er (es hat eine höhere Frequenz n) und
berücksichtigen.
enthaltenen Massen und Energien aller Art
dementsprechend Licht geringerer Ener­
(einschließlich der Dunklen!) bestimmt
gie röter; der Buchstabe h steht für das
Röntgendoppelsterne
wird. Der eingangs beschriebene Ball fällt
Plancksche Wirkungsquantum.
Das bisher Dargelegte geschieht in den
Innere des Schwarzen Lochs bleibt uns
nicht auf die Erde zurück, weil sie ihn mit
Dieser Vorgang wird Gravitationsrot­
Tiefen des Weltraums tatsächlich. Die
ihrer Gravitationskraft anzieht (Newtons
verschiebung genannt, weil Gravitation
Astronomen führen uns mit leistungs­
Verständnis der Gravitation), sondern
die Ursache für die Verschiebung der
starken
weil ihre Masse die Raumzeit so krümmt,
Wellenlänge des Lichts zum energieär­
Augen, die wir nur mit der Annahme
dass die Bahn des Balls in der Raumzeit
meren, roten Ende ist. Betrachten wir
kompakter Schwarzer Löcher beschreiben
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Mai 2010
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Mai 2010 45
[email protected]
SuW-Grafik
Von dem 6000 Lichtjahre entfernten
Doppelsternsystem Cyg X-1 (künstlerische
Darstellung im kleinen Bild) ist im Röntgenlicht nur die leuchtende Gasscheibe um das
Schwarze Loch zu sehen (großes Bild). Das
Schwarze Loch selbst, mit nur 60 Kilometer
Durchmesser, lässt sich mit keinem
Teleskop auflösen, so dass hier kein
schwarzer Fleck zu sehen ist. Selbst seine
erheblich größere Akkretionsscheibe
erscheint nur als heller, verwaschener Fleck.
dieser
1967
entdeckten
himmlischen
Gammablitze rätselhaft. Seit den 1990er
Jahren wissen wir, dass es im Wesentlichen
zwei Typen von GRBs gibt. Nach ihrer
NASA/CXC/SAO 2009
Dauer teilt man sie in kurzzeitige (kürzer
als zwei Sekunden) und langzeitige (län­
ger als zwei Sekunden) ein. Numerische
Modellrechnungen haben gezeigt, dass
die kurzzeitigen Ausbrüche bei der Ver­
schmelzung von kompakten Objekten in
Doppelsternsystemen, beispielsweise von
können. Ein Beispiel ist das Objekt Cyg X-1,
mit und kann daher nicht auf kürzestem
zwei Neutronensternen oder einem Neu­
die hellste Röntgenquelle im Sternbild Cy­
Wege in das Loch hineinstürzen: Sie wird
tronenstern und einem stellaren Schwar­
gnus (Schwan), siehe obiges Bild.
abgelenkt und erreicht das Loch auf einer
zen Loch, auftreten. Hingegen treten die
Nach den Beobachtungen der letzten
spiralförmigen Bahn. Auf diese Weise bil­
langen GRBs auf, wenn ein einzelner mas­
Jahrzehnte spielt sich hier Folgendes ab.
det die einstürzende Materie eine um das
Ein Schwarzes Loch mit zehn Sonnenmas­
Schwarze Loch rotierende Materiescheibe
sereicher Stern kollabiert.
In beiden Fällen entsteht ein Schwarzes
sen umkreist alle sechs Tage einen blau­
aus. Solche Akkre­tionsscheiben werden
Loch, aus dessen Umgebung in zwei dia­
weißen Riesenstern mit etwa 20 Sonnen­
einige Millionen Grad heiß und leuchten
metral entgegengesetzte Richtungen je
massen und »frisst« ihn dabei auf. Damit
im Röntgenbereich entsprechend hell; die
ein fast lichtschneller Materiestrahl he­
ist gemeint: Zwischen den beiden Him­
Plasmateilchen, aus denen sie bestehen,
rausschießt. Die Entstehung solcher ultra­
melskörpern gibt es einen Punkt, an dem
bewegen sich unmittelbar vor dem Loch
relativistischen Jets kann erklärt werden,
sich – newtonsch gesprochen – die Gravi­
fast so schnell wie das Licht.
wenn man annimmt, dass hier ein schnell
tationskräfte von Stern und Schwarzem
rotierendes Schwarzes Loch einfallendes
Loch gegenseitig aufheben. Der Riesen­
Gammastrahlenausbrüche
stern ist so groß, dass er an diesen »inne­
Mit der Entstehung Schwarzer Löcher
frorenen Magnetfelder verdrillt (siehe den
ren Lagrangepunkt« heranreicht: Hier
gehen Sternexplosionen einher. Die hef­
unten stehenden Kasten). Das geht nicht
wird das Sternplasma nicht mehr vom
tigsten bekannten Sternexplosionen, die
lange gut: So, wie in einem verdrillten
Stern gehalten und tritt zum Schwarzen
Hypernovae, beobachten wir als Gamma­
Gummiband Spannungsenergie gespei­
Loch über. Weil der Stern rotiert, bringt
strahlenausbrüche (englisch Gamma Ray
chert ist, speichern die verdrillten Ma­
die überfließende Materie Drehimpuls
Bursts, GRBs). Lange Zeit war die Natur
gnetfelder Rotations­energie des Schwar­
Verdrillte Magnetfelder
R
Plasma aufsammelt und die darin einge­
6
a=0
otierende Schwarze Löcher versetzen in ihrer Umgebung alles in Drehung, was
4
ihnen zu nahe kommt – Materie, elektromagnetische Fel­der, und damit auch Licht.
Magnetfelder, die der elektrisch geladene Akkretionsfluss an das Schwarze Loch heran
2
transportiert, werden von der mitrotierenden Raumzeit förmlich aufgewickelt. Die nebenstehende Sequenz zeigt von links nach rechts ein immer schneller rotierendes Schwarzes
Loch, charakterisiert durch den wachsenden Rotationsparameter a (a ist ein Maß für den
4
spezifischen Drehimpuls; a = 0 bedeutet: Schwarzschild-Metrik, keine Rotation; a = 0,998
entspricht der maximalen Kerr-Metrik). Die Bilder basieren auf Computersimulationen,
die allerdings nicht berücksichtigen, dass sich die Magnetfeldlinien gegenseitig vernichten können. Auf den Achsen entspricht eine Einheit dem Gravitationsradius GM/c2.
46
Mai 2010
6
2
2
4
6
8
Sterne und Weltraum
8
Massengiganten in den Kernen
von Galaxien
großen Brüdern der stellaren Schwarzen
für das einstürzende Plasma wie Leitplan­
ken und lassen es teilweise an den Polen
Neben den stellaren Schwarzen Löchern
kommen. Die gigantischen Jets der im
des rotierenden Lochs wieder ausströmen.
mit typischerweise zehn bis hundert Son­
Radiobereich hellen Quasare und Radio­
Zum andern zerstören sich Magnetfeldli­
nenmassen gibt es eine zweite, wesentlich
galaxien sind vielfach beobachtet worden
nien unterschiedlicher Polarität gegensei­
massereichere Klasse – die extrem masse­
und erstrecken sich über mehrere tausend
tig; dabei wird die magnetisch gespeicher­
reichen Schwarzen Löcher mit Millionen
bis Millionen Lichtjahre. Bei den Blazaren
te Energie auf das Plasma übertragen, das
bis Milliarden Sonnenmassen. Hier tum­
schauen wir direkt in den auf uns gerich­
sich nun noch schneller bewegt. So ist es
meln sich die massereichsten Schwarzen
teten Jet hinein. Wegen der starken Bün­
zu einem guten Teil gelungen, die Entste­
Löcher überhaupt, wahre Massengiganten.
delung und heftigen Blauverschiebung
hung der Jets in Computersimulationen
Die Astronomen sind sogar davon über­
ihrer Strahlung erscheinen uns diese ak­
nachzuvollziehen.
Wie entsteht der Gammablitz? Die
zeugt, dass bis auf wenige Ausnahmen
tiven Galaxien viel leuchtkräftiger, als sie
jede Galaxie in ihrem Zentrum ein solches
tatsächlich sind.
Jets treffen mit aller Heftigkeit auf die
extrem massereiches Schwarzes Loch be­
interstellare Materie der Umgebung.
heimatet. Es gibt auch Galaxien, in deren
Die hellsten Röntgenfeuer
Vom Zentrum der Sternexplosion läuft
Zentren man mehr als ein Schwarzes Loch
Die zwei Klassen der stellaren und der
in Richtung beider Pole je eine Stoßfront
beobachtet – das ist zu erwarten, weil Ga­
extrem massereichen Schwarzen Löcher
nach außen, in der die von den mitge­
laxien einander manchmal so nahe kom­
sind schon seit Jahrzehnten bekannt. Gibt
führten Magnetfeldern beschleunigten
men, dass sie miteinander verschmelzen.
es auch Schwarze Löcher mit Massen, die
Elektronen heftig strahlen. Diese Strah­
Die dabei entstehende neue Galaxie be­
dazwischenliegen? In jüngster Zeit häufen
lung
sich Beobachtungen, die dies nahelegen.
zen Lochs. Die Magnetfeldlinien wirken
(Synchrotronstrahlung)
ist
Löcher kann es zur Ausbildung von Jets
bei
herbergt dann, zumindest zunächst, zwei
solch hohen Elektronengeschwindigkei­
getrennte extrem massereiche Schwarze
ten in Bewegungsrichtung gebündelt
Löcher, die aber bald verschmelzen.
Seit den 1980er Jahren werden rätsel­
hafte ultrahelle Röntgenquellen (kurz
ULXs für ultra-luminous X-ray sources)
und blauverschoben, das heißt intensiver
Ob und wie sich die in den Zentren der
und energiereicher. Deshalb sieht ein
Galaxien befindlichen Schwarzen Löcher
Beobachter dieser Szene einen inten­
dem Beobachter kundtun, hängt von ihrer
deren Röntgenleuchtkraft
mindestens 1032 Watt beträgt – das ist das
siven Gammablitz. Der Beobachter muss
Masse, aber auch von dem Aktivitätszu­
Billionenfache dessen, was die Sonne im
nahezu in Bewegungsrichtung stehen,
stand ab, in dem sie sich gerade befinden.
Röntgenbereich aussendet. Nehmen wir
damit er in den gebündelten Gammablitz
Das Schwarze Loch im Zentrum unserer
an, dass diese Leuchtkraft durch Akkre­
schauen kann, anderenfalls bleibt der
Galaxis hat vier Millionen Sonnenmassen.
tion freigesetzt wird (wir kennen keinen
Blitz für ihn unsichtbar. Weil die Stoßwel­
Allerdings hungert es gegenwärtig (es
anderen Mechanismus, der dies leisten
le im Laufe ihrer Ausbreitung abgebremst
sammelt kaum Materie an), ist also inak­
würde), so können wir die Masse des ak­
wird, verliert die Gammastrahlung nach
tiv und weitgehend unauffällig.
kretierenden Objekts abschätzen. Denn
beobachtet,
der Explosion an Energie und wird im Ul­
Ganz anders verhält es sich bei aktiven
die bei der Akkretion maximal freigesetz­
travioletten, Optischen, Infraroten und
Galaxienkernen (englisch Active Galactic
te und dann pro Zeiteinheit abgestrahlte
schließlich im Radiobereich sichtbar.
Nuclei, AGN) wie den Quasaren, Blazaren,
Gravitationsenergie hängt über die so ge­
Dies ist das viel beobachtete Nachglühen
Radiogalaxien und Seyfert-Galaxien (sie­
nannte Eddington-Relation mit der Masse
der GRBs.
Mittlerweile werden Gammastrahlen­
he Bild auf S. 48). Hier wird das zentrale
des akkretierenden Objekts zusammen.
Schwarze Loch innerhalb verhältnismäßig
Die beobachtete Röntgenleuchtkraft der
ausbrüche mehrmals pro Monat beob­
kurzer Zeit mit viel Materie gefüttert und
ULXs legt somit nahe, dass ULXs Schwar­
achtet, und es scheint heute auf Grund
wächst dabei schnell an. Der heiße Mate­
ze Löcher mittlerer Masse, etwa tausend
der gesammelten Daten klar, dass sie uns
riestrom leuchtet hell in allen Farben und
Sonnenmassen, sein könnten. Alternativ
die Geburt neuer Schwarzer Löcher im
ist in vielen Spektralbereichen aus großer
könnten es auch stellare Schwarze Löcher
Kosmos kundtun.
Entfernung beobachtbar. Auch bei diesen
in extremen Akkretionszuständen sein.
a = 0,5
a = 0,9
a = 0,998
4
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2
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6
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Shigenobu Hirose et al. 2004 / SuW-Grafik
2
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XMM-Newton, ESA, Hasinger et al.
Zusammen mit den Röntgenbeobach­
prominente Verfahren herausgegriffen
Viel einsichtiger ist die kinematische
tungen von Kugelsternhaufen, die mögli­
Methode, deren Prinzip leicht am Sonnen­
cherweise ebenfalls Schwarze Löcher von
werden.
Die weiter oben dargelegte Abschät­
einigen tausend bis zehntausend Sonnen­
zung der Massen akkretierender Schwar­
sind in der Lage, die Masse der Sonne zu
massen enthalten, verdichten sich die Hin­
zer Löcher mit Hilfe der Eddington-Rela­
bestimmen, ohne sie anzuschauen: Das
weise auf die Existenz Schwarzer Löcher
tion beruht auf unserem Verständnis des
dritte keplersche Gesetz setzt die Umlauf­
mittlerer Masse. Dies wäre ein durchaus
Akkretionsprozesses. Demnach wird bei
zeit eines Planeten und die große Halb­
befriedigendes Ergebnis, denn die große
der Akkretion auf massereiche Schwarze
achse seiner Bahn in Bezug zur Masse des
Lücke zwischen den Massen stellarer und
Löcher mehr Gravitationsenergie frei­
Zentralkörpers, den er umkreist (siehe
extrem massereicher Schwarzer Löcher
gesetzt – und damit eine höhere Leucht­
Bild rechts). Das gleiche Gesetz gilt auch
erscheint kaum plausibel und ist bislang
kraft erzeugt – als bei Schwarzen Löchern
für Sterne, die ein Schwarzes Loch umkrei­
physikalisch nicht zu erklären.
geringerer Masse. Vergleicht man Gam­
sen. Auf diesem Weg gelang die Bestim­
mastrahlenblitze mir der Strahlung der
mung der Masse des Schwarzen Lochs im
ULXs und der aktiven Galaxienkerne, so
galaktischen Zentrum. Weil diese Metho­
Die Astronomen verfügen mittlerweile
scheint dies zuzutreffen. Allerdings spie­
de auf der Vermessung von Bewegungen
über ein ganzes Arsenal von Methoden
len dabei auch unbekannte Größen eine
beruht, zählt sie zu den kinematischen
zum Nachweis für Schwarze Löcher. Sie
Rolle, beispielweise der Wirkungsgrad,
Methoden.
alle, und auch solche, die noch Zukunfts­
mit dem die bei der Akkretion freigesetz­
Allerdings kann man nicht oft ge­
musik sind, werden im unten genannten
te Gravitationsenergie in Strahlungsener­
nug darauf hinweisen, dass der strenge
Sachbuch vorgestellt. Hier sollen zwei
gie umgesetzt wird.
Existenznachweis für klassische Schwarze
Der Nachweis Schwarzer Löcher
48
Mai 2010
system demonstriert werden kann. Wir
Sterne und Weltraum
Gibt es Alternativen zum klassischen Schwarzen Loch?
keine Rota­tion zeigen, während bei vie­
massereichsten Schwarzen Löcher in den
Kernen aktiver Galaxien. Es wurde mit dem
Das Kuriositätenkabinett der Astrophysi­
Löcher doch Anzeichen einer Rotation
europäischen Röntgenteleskop XMM-
ker bietet einen Zoo exotischer Objekte an,
beobachtet werden. Insbesondere lässt
Newton aufgenommen und zeigt zahllose
die hinsichtlich ihrer Kompaktheit durch­
sich die Entstehung relativistischer Jets
Röntgenquellen in einem Feld doppelt so
aus mit den Schwarzen Löchern mithalten
nur mit rotierenden Schwarzen Löchern
groß wie der Vollmond. Die meisten
können. Dazu gehören verallgemeinerte
erklären. Unter dem Strich ist das rotie­
Quellen erscheinen punktförmig; von Rot
Formen Weißer Zwerge und Neutronen­
rende Modell in Gestalt der 1963 gefun­
über Grün nach Blau nimmt die Energie
sterne, die als Fermionensterne bezeich­
denen Kerr-Metrik, einer exakten Lösung
Dieses Bild ist ein Gruppenfoto der
len kosmischen Kandidaten Schwarzer
ihrer Röntgenstrahlung zu. Das Licht der
net werden. Derartige Objekte bestehen
von Einsteins ART, das Beste, was Astro­
fernsten der hier abgebildeten Quellen ist
aus dicht gepackten Fermionen. Das
physiker heute haben, um die vielfältige
zwölf Milliarden Jahre unterwegs gewe-
sind Teilchen mit halbzahligem Spin, die
Welt der kosmischen Schwarzen Löcher
sen, bevor es uns erreichte.
miteinander wechselwirken können. Die
zu beschreiben. Wir benötigen diese kos­
Theorie kennt auch Bosonensterne; das
mische Kuriosität!
sind Objekte, die aus Bosonen bestehen,
Löcher im Sinne der Relativitätstheorie
das heißt aus Teilchen mit ganzzahligem
Mikroskopische Schwarze Löcher?
sehr schwer zu erbringen ist. Mit der
Spin. In den Weiten des Alls könnten
Abseits der Astronomie eröffnet sich
bloßen Bestimmung einer Masse und
bislang nicht bekannte Fermionen- und
heute ein vollkommen neues Feld der
eines Volumens, innerhalb dessen sich
Bosonensterne existieren, allerdings ist es
Erforschung Schwarzer Löcher. Es hat mit
diese Masse befindet, ist es nicht getan.
den Theoretikern noch nicht gelungen, die
der Teilchenphysik zu tun und bietet viel­
Derartige Messungen erlauben allenfalls
ganze beob­achtete Breite der Massenskala
leicht die Möglichkeit, Schwarze Löcher
einen indirekten Schluss auf die Existenz
Schwarzer Löcher nur mit Fermionen-
im irdischen Labor zu untersuchen.
Schwarzer Löcher.
Vergessen wir nicht, dass klassische
oder nur mit Bosonensternen zu erklären.
Was wie Sciencefiction klingt, ist ein
Es wurden in der jüngeren Vergan­
aktuelles, brisantes Gebiet der Teilchen­
Schwarze Löcher als Lösungen der Glei­
genheit Alternativen zu den Schwarzen
physik: die Schwarzen Minilöcher. Wir be­
chungen der allgemeinen Relativitäts­
Löchern vorgeschlagen, die in ihrem
wegen uns auf der Massenskala Schwarzer
theorie vor allem zwei Charakteristika
Innern eine Blase Dunkler Energie ent­
Löcher ganz nach unten, bis wir Massen
haben, nämlich einen Ereignishorizont
halten (so genannte Gravasterne) oder
von einigen tausend Protonen erreichen.
und eine zentrale (Krümmungs-)Sin­
gularität. Kann man beides überhaupt
nachweisen? Erinnern wir uns an die
Problematik mit der Zeit: Das Schwarze
Der Nachweis eines Schwarzen Lochs im Hier und Jetzt
muss scheitern, weil es in der Zukunft liegt.
Loch und sein Ereignishorizont liegen
in der Zukunft des Beobachters. Das gilt
die aus Strings bestehen (dazu gehören
Zur Erinnerung: Protonen sind positiv ge­
erst recht für die Singularität, die tief im
die so genannten »Fusselbälle« oder auch
ladene Elementarteilchen, aus denen, zu­
Innern des Lochs sitzt. Da man etwas, was
die Holosterne). Diese theoretischen Mo­
sammen mit den Neutronen, Atomkerne
erst in der Zukunft kommen wird, nicht
delle sind ein durchaus spannendes For­
bestehen. Beide Teilchensorten bestehen
im Hier und Jetzt nachweisen kann, muss
schungsgebiet, aber es gibt begriffliche
ihrerseits aus jeweils drei Quarks, und bei­
der strenge Nachweis eines Schwarzen
Schwierigkeiten, die Anlass zur Skepsis
geben. Gravasterne sind etwas stark
de haben eine Masse von etwa 1,7 3 10 –24
Gramm.
Was den Astronomen bleibt, sind
konstruierte Lösungen der einsteinschen
Die Idee ist nun: Schwarze Minilöcher
indirekte Schlussfolgerungen, etwa auf
Theorie, deren Entstehungsweise in der
sollten entstehen, wenn es gelingt, die
Grund der Abschätzung der Kompaktheit
Natur unklar bleibt. Holosterne verber­
Protonen auf einem winzigen Raumge­
eines Himmelskörpers, das heißt seiner
gen offenbar auch eine Singularität in
biet zusammenzupferchen. Genau dies
Masse pro Volumen: Man bestimmt die
ihrem Innern. Das größte Manko ist
geschieht in den modernen Teilchen­
Masse nach einem der oben beschrie­
allerdings, dass Grava- und Holosterne
beschleunigern, die der Erforschung des
Lochs scheitern.
Grenze für das Volumen – und damit
eine untere Grenze für die Kompaktheit.
extrem massereiches
Schwarzes Loch bei Sgr A*
Umlaufperiode t
In vielen Fällen legt dieses Verfahren die
Existenz Schwarzer Löcher nahe, weil
schlichtweg nichts anderes, was unsere
Stern auf
elliptischem Orbit
Masse M
Physik zu bieten hat, in Frage kommt. So
4p2
t2
=
= const.
3
a
GM
wissen wir, dass im Zentrum des Milch­
straßensystems eine Masse von vier Mil­
lionen Sonnenmassen in einem Gebiet
Das dritte keplersche Gesetz setzt die Periode t und die Halbachse a der
sitzt, das kaum größer ist als unser Son­
Umlaufbahn eines Himmelskörpers in Beziehung zur Masse M des von nensystem. Was könnte das anderes sein
ihm umlaufenen Zentralkörpers. Damit lässt sich die Masse von Planeten,
als ein Schwarzes Loch?
Sternen oder auch Schwarzen Löchern bestimmen.
www.astronomie-heute.de
Mai 2010
49
Andreas Müller / SuW-Grafik
benen Verfahren und misst eine obere
CERN
Teilchen­zoos und der fundamentalen
hinaus noch weitere Raumdimensionen
Die Teilchenphysiker am CERN haben
­Naturkräfte dienen. Im Jahr 2008 startete
bereithält.
Hier kommen die Schwarzen Mini-
bereits simuliert, woran ein im Teilchen­
der gegenwärtig modernste und größte
Teilchenbeschleuniger, der Large Ha­
Löcher ins Spiel. Gibt es mehr als drei
zu erkennen wäre: Es würde sofort durch
dron Collider (LHC) am CERN bei Genf.
Raumdimensionen, dann verändert sich
die Emission von Hawking-Strahlung
Er besteht im Wesentlichen aus einem 27
eine fundamentale Größe der Physik,
förmlich explodieren. Die Linien repräsen-
Kilometer langen Ring, in dem Protonen
die Planck-Energie. Sie wurde nach Max
tieren Teilchen, die nach dem Verschwinden
mit Hilfe starker elektrischer und magne­
Planck (1858 – 1947), dem »Vater der
des Minilochs aus dem Feuerball entstehen.
tischer Felder nahezu auf Lichtgeschwin­
Quantentheorie«, benannt und kenn­
Das Besondere an diesem Ereignis ist seine
digkeit beschleunigt und zur Kollision
zeichnet ein Regime, bei dem die Effekte
kugelsymmetrische Form. Daran wäre es,
gebracht werden. Der »Teilchenunfall«
der Quantentheorie wie auch die Effekte
falls es tatsächlich stattfände, relativ leicht
wird kontrolliert herbeigeführt, und an
der
zu erkennen.
vier zum Teil haushohen Detektoranla­
wichtig werden. Zahlenmäßig lässt sich
gen namens ATLAS, CMS, Alice und LHC-
dieses Regime fassen durch Gleichsetzen
b werden die dabei entstehenden neuen
des Gravitationsradius (der fundamen­
Teilchensorten nachgewiesen.
Relativitätstheorie
gleichermaßen
detektor entstandenes Schwarzes Miniloch
talen Länge der ART) mit der Compton-
klassische Planck-Energie von 1019 Giga­
elektronvolt auf etwa ein Teraelektron­
Sinn und Zweck dieser physikalischen
Wellenlänge (der fundamentalen Länge
volt (1000 Gigaelektronvolt) reduziert.
Grundlagenforschung ist der experimen­
der Quantentheorie). Aus dem Gleich­
Anschaulich bedeutet dies, dass Effekte
telle Nachweis theoretisch postulierter
setzen folgt der Wert der so genannten
Teilchen, allen voran des Higgs-Teilchens.
einer Quantengravitation bereits bei um
einen Faktor 1016 kleineren Energien zu
Weiterhin ist von großem Interesse, ob
Planck-Masse, die sich durch Anmulti­
plizieren mit c 2 in eine Planck-Energie
erwarten sind – Energien, die mit dem
es eine Art Spiegelteilchen zu den bereits
umrechnen lässt. Eigentlich benötigt
LHC erreichbar sind. Ein Effekt dieser
bekannten Teilchen gibt, nämlich so ge­
man, um die in diesem Bereich auftre­
Quantengravitation ist die Entstehung
nannte supersymmetrische Teilchen. Sie
tenden Phänomene zu beschreiben, eine
Schwarzer Minilöcher, die sich demnach
wären auch für Astronomen interessant,
Theorie der Quantengravitation. Man
am LHC bilden könnten.
weil sie die bisher nur indirekt beobach­
kann zeigen, dass der Wert der Planck-
Schwarze Löcher in Teilchenbeschleu­
tete Dunkle Materie ausmachen könnten.
Energie von der Anzahl der Raumdimen­
nigern? Als dieses Szenario bekannt wur­
Schließlich geht es auch um die Frage, ob
sionen abhängt. In den zehndimensio­
de, war die Aufregung in der Öffentlich­
die Natur über die drei klassischen Raum­
nalen Stringtheorien, einer Variante der
keit groß, weil man sich um die Sicherheit
dimensionen (Länge, Breite und Höhe)
Quantengravitationstheorien, wird die
moderner Teilchenbeschleuniger Sorgen
50
Mai 2010
Sterne und Weltraum
machte. Doch man kann Entwarnung ge­
Alternative Ansätze
ben. Diese Schwarzen Löcher sind nicht
Als Karl Schwarzschild 1916 die Singulari­
größer als Elementarteilchen und haben
täten der ART entdeckte (Schwarze Löcher
auch vergleichbare Massen. Schwarze Mi­
heißen sie erst seit 1967), war Albert Ein­
nilöcher sind daher – auf Grund der Ed­
stein alles andere als begeistert. Er wehrte
dington-Relation aus der Akkretionstheo­
sich vehement gegen die Vorstellung, dass
rie – extrem ineffizient im Aufsammeln
es in der Natur etwas derart Seltsames
von Materie. Ein Miniloch von einem
­Teraelektronvolt (1012 eV) Masse kann pro
­geben könnte. Er und viele andere Gegner
10 –36
der Schwarzen Löcher wurden eines Besse­
Gramm akkretieren.
ren belehrt. So seltsam uns die klassischen
Unter der Annahme einer konstanten
Schwarzen Löcher erscheinen mögen, so
­Akkretionsrate und einer Akkretionseffi­
einfach werden wir sie nicht los. Im Gegen­
zienz von zehn Prozent hätte das Miniloch
teil: Die Astronomen entdecken heute in
Andreas Müller ist
nach einigen Trillionen Jahren gerade ein­
den Weiten des Universums eine Vielzahl
Astrophysiker und Scien-
mal die Masse eines einzigen Elektrons
kompakter Objekte, die sehr gut mit
tific Manager im Exzel-
verschluckt.
Doch so viel Zeit hätte ein Miniloch
Schwarzen Löchern erklärt werden kön-
lenzcluster Universe der
nen – allerdings mit rotierenden. Die erst
Technischen Universität
gar nicht. Denn wie Stephen Hawking
1963 von dem Neuseeländer Roy Patrick
München.
in den 1970er Jahren herausfand, müs­
Kerr entdeckte »Kerr-Lösung« der ART ist
sen Schwarze Löcher zerstrahlen – und
bislang das Beste, was wir zur Beschrei­
zwar umso schneller, je masseärmer sie
bung Schwarzer Löcher haben. Und diese
sind. Deshalb spielt die Emission von
kerrschen Schwarzen Löcher rotieren!
Sekunde nur
Hawking-Strahlung für Minilöcher eine
Spannende Zeiten stehen uns bevor,
große Rolle: Ein Miniloch zerstrahlt im
sowohl in der beobachtenden Astronomie
Nu, seine berechnete Lebensdauer be­
trägt ungefähr 10 –24 Sekunden – dagegen
als auch in der Erforschung der Gravitation
ist ein Wimpernschlag eine Ewigkeit! Die
sik. Es ist zu erwarten, dass die Astronomen
Hawking-Strahlung besteht aus neuen
in den nächsten Jahren erstmals Gravita­
Teilchen, die aus der Vernichtung des
tionswellen nachweisen werden – indirekt
­Minilochs
Teilchen
ist dies an Doppelpulsaren bereits gelun­
können im Prinzip am LHC experimen­
gen. Die Wellenform der Gravitationswel­
tell nachgewiesen werden, ihre charak­
len trägt eine Fülle von Informationen
teristischen Signaturen würden von der
über das Milieu, aus dem sie kommen.
Existenz eines Mini-Lochs zeugen (siehe
Während der Nachweis klassischer Schwar­
nebenstehendes Bild).
zer Löcher mit Hilfe elektromagnetischer
entstehen.
Diese
und in der experimentellen Teilchenphy­
Schließlich liefert uns die Natur
Wellen prinzipiell scheitern muss, könnte
selbst ein starkes Argument, weshalb
er mittels der Gravitationswellen gelingen,
Schwarze Minilöcher nicht zu alles ver­
weil sich die Raumzeit mit ihrer Hilfe viel
schlingenden Objekten werden können.
Dazu muss man wissen, dass wir und
exakter vermessen lässt.
Die Theoretiker entwickeln zurzeit meh­
der Rest des Weltalls von energiereicher
rere Varianten von Quantengravita­tions­
kosmischer
bombardiert
theorien, die an Beobachtungen ge­tes­tet
werden. Sie besteht aus Photonen, Elek­
werden können. Bislang können wir in Ein­
tronen, Protonen und Neutronen sowie
steins bewährte Relativitätstheo­rie großes
aus schweren Atomkernen, und in ihr
wurden höchste Energien von 1020 Elek­
Vertrauen setzen. Alternative Gravitations­
Strahlung
tronvolt pro Teilchen gemessen. Dem­
theorien müssen sich solche Lorbeeren erst
noch verdienen, und wir können darauf
gegenüber sind die am LHC erzeugten
gespannt sein, welcher Ansatz in den
Teilchenenergien
von
1012
bis
1013
nächs­ten Jahren das Rennen machen wird.
Elektronvolt winzig! Offenbar hat diese
Nun steht der LHC am Start, ein Groß­
höchstenergetische kosmische Strahlung
projekt der Teilchenphysik, das bereits rie­
noch kein gefährliches, alles verschlin­
sige Datenmengen liefert, die vielleicht
gendes Miniloch erzeugt, denn das hät­
einmal darauf hinweisen werden, dass im
ten wir längst bemerkt – dann wären der
Detektor ein Schwarzes Miniloch entstand
Mond oder auch andere Himmelskörper
und »verpuffte«. Falls dieser Nachweis ge­
eines Tages plötzlich auf rätselhafte Wei­
länge, hätte das revolutionäre Folgen für
se verschwunden … Doch nichts derglei­
unser Weltbild, denn es wäre der Beweis
chen wurde beobachtet. Also haben wir
für eine räumlich mehr als dreidimensio­
vom LHC nichts zu befürchten.
nale Welt.
www.astronomie-heute.de
Literaturhinweise
Müller, A.: Schwarze Löcher. Die
dunklen Fallen der Raumzeit. Ein Buch
für interessierte Laien, Schüler, Lehrer,
Studenten und Amateurastronomen.
Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg 2009.
Janka, H.-T.: Supernova-Explosionen
und rasende Neutronensterne. In:
Sterne und Weltraum 1/2007, S. 44 – 52.
Gillessen, S.: Eine Nacht im Zentrum der
Milchstraße. In: Sterne und Weltraum
2/2009, S. 52 – 61.
Gillessen, S., Genzel, R.: Galaktisches
Zentrum: Jagd auf das Schwarze Loch.
In: Sterne und Weltraum 12/2006,
S. 36 – 44.
Hirose, S.: Magnetically Driven Accretion
Flows in the Kerr Metric, II. In: Astrophysical Journal 606, S. 1083 – 1097, 2004.
Klose, S. et al.: Licht vom Rande der
Welt. In: Sterne und Weltraum 10/2009,
S. 26 – 28.
Müller, A.: Wirbel der Raumzeit. In:
Sterne und Weltraum 10/2004, S. 24 – 31.
Neumayer, N., Meisenheimer, K.: Ins
Herz von Centaurus A. In: Sterne und
Weltraum 9/2009, S. 42 – 51.
Nicolai, H., Pössel, M.: Strings: Grundbausteine des Kosmos? Sterne und
Weltraum Special Gravitation, Nachdruck 1/2005, S. 73 – 79.
Theisen, S., Pössel, M.: Neues von den
Superstrings. In: Sterne und Weltraum
3/2007, S. 36 – 46.
Weblinks zum Thema:
www.astronomie-heute.de/
artikel 1025409
Mai 2010
51
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n Bis an die Grenzen des
Universums, DVD-Video
2010, Laufzeit 95 Min., Polyband.
Alfred Weigert, Heinrich Wendker,
Lutz Wisotzki
n Den Himmel
lesen lernen
Ein Grundkurs
5. Aufl. 2009, 545 S. m. z. Tl. farb.
Abb., kart., Wiley-VCH.
Astronomie für Sterngucker
2009, 239 S. m. 58 Abb., kart., dtv.
Bestell-Nr. 2958.
€ 16,90 (D), € 17,40 (A)
Die junge Astronomin Emily
Winterburn führt Sie durch das
Jahr. Für jeden Monat weiß sie
Kurioses und Wissenswertes
aus der Welt der Astronomie zu berichten. Ihr Buch
ist ein preiswerter und doch sehr schöner Reader;
vor allem geeignet für Leser, die sich gerade erst mit
der Astronomie anfreunden.
Bestell-Nr. 2981.
€ 17,99 (D), € 17,99 (A)
n Astronomie und
Astrophysik
Emily Winterburn
Bestell-Nr. 1926.
€ 59,– (D), € 60,70 (A)
Das aktuellste und beste Lehrbuch zur Astronomie für
diejenigen Leser, die über mathematische und physikalische Vorkenntnissen verfügen, wie sie in Studiengängen zur Physik oder den Ingenieurswissenschaften
vermittelt werden. Kein anderes Buch für diese Zielgruppe vermittelt die wichtigsten astrophysikalischen
Konzepte vollständiger und prägnanter als der »WWW«.
Physiker jedenfalls sollten nicht unterhalb dieses
Werkes in die Astronomie einsteigen wollen.
In der Neuauflage jetzt mit einem Kapitel über Extrasolare Planetensysteme.
Durch beeindruckende HighDefinition-Aufnahmen und
modernste CGI-Technik wurde
DVD-VIDEO eine nie zuvor gesehene Reise
von unserem Planeten in die Unendlichkeit geschaffen. Dabei wird die Entstehung von Planeten
und Sternen eindrucksvoll geschildert und der Rand
von Raum und Zeit erkundet. Technische Angaben:
Sprachen: Deutsch und Englisch; Tonformat: Dolby
Digital 5.1; Bildformat: 16:9 (1,78:1); Disc-Typ:
DVD-9; Ländercode: 2 PAL; FSK: Info-Programm.
Axel Martin, Bernd Koch
n Digitale Astrofotografie, mit DVD-ROM
Grundlagen und Praxis der CCDund Digitalkameratechnik
Erik Wischnewski
n Astronomie in
Theorie und Praxis
Kompendium und Nachschlagewerk mit Formeln,
Fakten, Hintergründen
Alles Relevante zur Astronomie in einem Band.
Jetzt in neuer überarbeiteter Auflage: farbig und im
großen Format (17x24 cm)! Triviale Bücher für Sternfreunde gibt es genug, aber darf es auch mal ein
bisschen mehr sein? Wer sich tiefer gehend mit der
Astronomie beschäftigen möchte, sollte dieses Einführungs- und Nachschlagewerk erwerben. Das Besondere
an diesem Buch ist das ausgewogene Verhältnis von
Theorie und Praxis.
Es dient Frischlingen zur Einführung und alten Hasen
zur Vervollständigung ihrer Kenntnisse. 57 Übungsaufgaben ermöglichen es, das eigene Verständnis zu
überprüfen. Ein Register mit über 3300 Stichworten
macht das Buch darüber hinaus zum Nachschlagewerk.
Bequem
bestellen:
direkt bei
www.astronomie-heute.de
www.science-shop.de
Bestell-Nr. 2757.
€ 49,90 (D), € 51,30 (A)
Interaktives Lernspiel zur
Astronomie und Raumfahrt
4. überarbeitete und erweiterte
Auflage, 2009, 728 S. m. zahlr.
Abb., geb., Eigenverlag.
Bestell-Nr. 2290.
€ 69,– (D), € 72,– (A)
2009, 352 S. m. 500 Abb., geb.,
Oculum.
n Abenteuer
im Weltall, CD-ROM
Entwickelt von Katrin Honauer und
Marie Berckhan, Sprecher: Pascal Honauer und Marie Berckhan, Spektrum
der Wissenschaft.
Bestell-Nr. 2959.
€ 9,90 (D), € 9,90 (A)
Dieses interaktive Lernspiel ist der Gewinner des
Jugendsoftwarepreis 2008 der Klaus-Tschira-Stiftung
Es wurde programmiert von Jugendlichen für Kinder
ab 10 Jahre. Das Spiel besteht aus zwei Teilen:
• Ein interaktives und linear aufgebautes Lernspiel.
Hier helfen die Kinder dem Alien Sparky aus der
Patsche und bestehen mit ihm gemeinsam viele
Abenteuer.
• Ein umfangreiches Angebot an Texten, Schaubildern, Zeittafeln und interaktiven Aufgaben, die in
individueller Reihenfolge und beliebig oft bearbeit
werden können.
Geeignet für PC mit Betriebssystem MS-Windows XP
oder Vista.
per E-Mail
[email protected]
telefonisch
06221 9126-841
Dieses umfangreiche Kompendium zur Astrofotografie
ist auf dem neuesten Stand der Technik. Es behandelt
umfassend alle Fragen rund um Kamera, Optik,
Montierung, Kamerabedienung und Aufnahmetechnik,
sowie der digitalen Bildbearbeitung. Damit setzt es
einen neuen Standard für Literatur zu diesem Thema.
Wer sich ernsthaft mit diesem faszinierenden Gebiet
der Astronomie beschäftigen will, kommt nicht daran
vorbei. Gerade der angehende Astrofotograf erhält
in diesem Buch wertvolle Hinweise, wie man mit
verhältnismäßig einfachen Mitteln die Aufnahmetechnik optimieren und das Beste aus seinen Aufnahmen
herausholen kann. Dem Buch liegt eine DVD bei, auf
der über 40 nützliche Freeware-, Shareware- und
Demo-Programme zur Astrofotografie enthalten sind.
Besuchen Sie uns im Internet unter:
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Mai 2010 53
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