Schwarze Löcher in den Kernen von Galaxien

Schwarze Löcher in den
Kernen von Galaxien
Von Michael Fiedler
Inhalt
• Geschichte der Schwarzen Löcher (SL)
• Grundlagen
• Beobachtungsmethoden
NGC4258
Andromeda Galaxie M 31 (NGC 224)
Sgr A* im Milchstraßenzentrum
• Alternative Theorien
• Heutiger Stand der Wissenschaft
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Geschichte
• 1784 John Michell: Schwarzer Stern
• 1905 Einstein: Informationsvernichtung
• 1916 Einstein: Schwarzes Loch
• 1916 Karl Schwarzschild: Schwarzschildradius
2GM
M
RS 
~ 2,95
km
2
c
M
• 1963 Roy Kerr: Rotierende SL
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Schwarzschildradius
• Schwarzschildradien von:
Sonne: 2,95km
 R
Erde:
 RErde = 6378km
9mm
= 7x105km
SL mit 3,7x106 M : 1,09*107km ~ 0,1AE
SL mit 3,5x107 M : 1x108km ~ 1AE
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Erste „Entdeckungen“
• 1963: Quasare
• Leuchtkräfte bis zu 100 x Leuchtkraft aller Sterne in
Galaxie
a beste Erklärung mit SL Theorie
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Charakteristika eines SL
•
Nur 3 Charakteristische Eigenschaften zeichnen ein SL
aus (SL haben keine Haare)
1. Masse
2. Spin
3. Ladung (wird meistens durch das umgebende Plasma
aufgehoben)
 Es reicht Masse und Spin zu bestimmen um ein SL
zu beschreiben
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Beobachtungsmethoden
Bei einer Kreisbahn um das SL:
n r 4 r
n P
M


2
G GP
2G
2
2 3
3
Geschwindigkeit n
Periode P
Radius r
Gravitationskonstante G
Newtonnäherung für genügend große r.
 Es reicht 2 von 3 Unbekannten: n, P oder r zu messen
um M abzuschätzen
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Akkretionsscheibe
• Kleinste stabile Umlaufbahn (RISCO)
(Innermost stable circular orbit)
• Wenn r ≥ RISCO  Umlaufbahn stabil gegen kleine
Störungen
• Wenn r < RISCO  nicht stabil: Gas fällt ins Loch
• Rin = RISCO , Rin innere Rand der Akkretionsscheibe
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Kleinste stabile Umlaufbahn
Maximal rotierendes SL:
RISCO
GM
 2  1RG
c
RISCO
9GM
 2  9 RG
c
SL Spin || zur Umlaufbahn
RG Gravitationsradius
SL Spin anti || zur Umlaufbahn
Ruhendes SL
RISCO
6GM
 2  3RS
c
9
Maser
• Maser aus Gaswolken
 Starke Emissionslinien
 leichte Messung der Rotverschiebung
 Bestimmen der Geschwindigkeit der Wolke
• Mit guter Winkelauflösung kann man auch r bestimmen
 M kann abgeschätzt werden.
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NGC 4258
http://www.inastars.de/m106.htm
11 10
SL in NGC 4258
• H2O Wolken Masern
Emissionslinie
=1,36 cm
• Kepler
Geschwindigkeitsprofil
(nr-1/2)
• Rin=0,13pc ~ 104 AE
Dunkle Masse
M=3,5x107 M
• Sehr starke Hinweise
auf ein SL
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NGC 4258
http://www.oulu.fi/astronomy/astrophysics/pr/head.html
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Geschwindigkeitsdispersion
Geschwindigkeitsdispersion = 
Wenn  stark ansteigt für r  0
 großes M innerhalb r
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http://hubblesite.org
Andromeda Galaxie M31 (NGC 224)
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Kern von M31
• Doppelkern
• Alte Messungen:
SL in leuchtschwächeren
Teil (P2)
• Neue Beobachtung:
3. Bereich in P2
vermutete SL in P3
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Kern von M31
Dispersionsmessungen:
P3 :=1183201 km s-1
alte Messungen:
=250 km s-1
M=1,4x108 M
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Milchstraßenzentrum
http://chandra.harvard.edu/photo/2003/0203long/
http://www.solstation.com/x-objects/sag2dwf.jpg
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SL in Milchstraße
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Sgr A*
Perizentrum v=5000 kms-1
~8*v beim Apozentrum
Umlaufzeit 15,2 a
a=5,5 ld
(3,70,2)x106 M
innerhalb von r=17 lh
Perizentrum Radius:
100RS von SL 3x106 M
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Sgr A*
• v zur galaktischen Ebene von Sgr A* :
-0.4 ± 0.9km s-1 ~ 0 km
• Radiowellenmessungen
im mm Bereich weisen auf:
rSgr A*~27RS
von SL mit M=3,7x106
⇒ Alles weißt auf ein SL hin
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Alternative Theorien zu SL
Haufen von dunklen Objekten
• Braune Zwerge
• Weiße Zwerge
• Neutronen Sterne
• SL mit wenigen M
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Alternative Theorien zu SL
Einige können nicht ausgeschlossen werden
Mini SLs
• NGC 4258: M<0,04 M
• Sgr A*
: M<0,005 M
10-8 ≤ M ≤ 0,03 M ausgeschlossen
Ansammlung von Bosonen
Beides sehr unwahrscheinlich aber nicht ausgeschlossen
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Heutiger Stand der Wissenschaft
M-Sigma Beziehung
• Feste Beziehung
zwischen M und 
• SL hat ~ 0.13% MBulge
• Keine SL – Scheiben
Beziehung
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M-Sigma Beziehung
3 Theorien
1. SL wuchsen vor der Entstehung von Galaxien und
beeinflussten diese dann
2. Samen SL waren vorher da und wuchsen mit den
Galaxien
3. SL akkretierte Masse aus der fertigen Galaxie
Beobachtungen sagen nicht aus welche richtig sind
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Sternenbewegung:
Strahlung der
heißen
Akkretionsscheibe:
Maser:
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Zusammenfassung
• Skepsis  Beobachtung  allgemein anerkannt
• Andere Theorien nicht auszuschließen, sind aber höchst
unwahrscheinlich
• Verständnis wichtig für Galaxienentwicklung
• In Zukunft bessere Instrumente und Techniken
 Genauere Modelle von SL
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Literaturverzeichnis
•
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•
•
Begelman, Rees: „Schwarze Löcher im Kosmos“
New Journal of Physics, 7:199, 2005
The Astrophysical Journal, 494:L181–L184, 1998
The Astrophysical Journal, 631:280–300, 2005
arXiv:astro-ph/0105230, 14 May 2001
Nature, 419 : 694-696, 2002
Nature, 373 : 127-29, 1995
Annual Revue Astronomy and Astrophysics 1995
33:581-624 Kormendy, Richstone
• Sky & Telescope, July 2006:41-46
28
Weitere Literatur zum Thema
• Annual Revue Astronomy and Astrophysics 2001,
39:309-352 Melia, Falke
• Nature, 425:934-937 2003
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