Schwarzes Loch

1 Allgemeines über Schwarze Löcher
In diesem Kapitel wird langsam die Entstehungsgeschichte von Schwarzen Löchern beschrieben. Angefangen wird hier mit der Definition der Fluchtgeschwindigkeit nach Newton’s Physik. Diese Überlegungen werden dann mit Hilfe der Allgemeinen Relativitätstheorie zur gekrümmten Raumzeit erweitert. Schließlich stellt sich die Frage, wie stabil
Sterne eigentlich sind. Dies führt auf Weiße Zwerge, Supernovae, Neutronensterne, Pulsare und schließlich auch auf Schwarze Löcher.
1.1 Newton’s Lichtteilchen
Die Fluchtgeschwindigkeit, also die Geschwindigkeit, die ein Körper braucht um das
Gravitationsfeld eines Sterns zu verlassen, wird berechnet aus: [1]
1
m·M
· m · vF2 = G ·
2
r
2GM
2
vF =
r
(1)
Mit m als der Masse des Körpers, M als der Masse des Sterns und G als der Gravitationskonstante. Besonders sei betont, dass die Fluchtgeschwindigkeit unabhängig von der
Masse des Körpers ist.
Der Schwarzschildradius ist der Radius, definiert für vF −→ c [1]:
rS =
2GM
c2
(2)
1.2 Die Raumzeit
Aus der Elektrodynamik bewegter Bezugssysteme ist bekannt, dass Energie und Masse äquivalent sind. Aus der Gravitationstheorie von Einstein folgt die Äquivalenz von
schwerer und träger Masse. Die schwere Masse begründet sich daraus, dass ein Körper in
einem Gravitationsfeld, zum Beispiel dem der Erde, zu der Erde hin beschleunigt wird.
Die träge Masse wiederum entsteht aus der Beschleunigung eines trägen Körpers, wie
in Newton’s Gesetzen beschrieben. Die Äquivalenz beider bedeutet, dass alle Körper im
freien Fall gleich schnell fallen. Die Äquivalenz der schweren und trägen Masse ist nicht
selbstverständlich, aber in Experimenten sehr genau belegt. Gleichung (3) beschreibt
1
diese Äquivalenz beider Massen. [1]
mt · z̈ = ms · g
(3)
Aus der Äquivalenz von schwerer und träger Masse folgt, dass die Gravitation auch
Einfluss auf Licht hat. Da die Fluchtgeschwindigkeit vF unabhängig von der Masse des
Körpers ist, müssen sich die Bahnen aus der Raumzeit ableiten. Die Raumzeit hängt
wiederum von deren Massenverteilung ab. [1]
Beispielsweise kann die Raumzeit durch ein Beispiel in einer Raumkapsel genauer erläutert werden. Ein Labor in der Raumkapsel kann frei von externen Kräften gehalten
werden. Das heißt, dass das Gedankenexperiment hier keiner Gravitation unterliegt und
somit in der Schwerelosigkeit stattfindet. Wenn nun ein Detektor ein Licht eines Lasers auffangen soll, muss er exakt in einer geraden Linie mit dem Laser positioniert
werden, da das Licht des Lasers geradeaus geht und von nichts abgelenkt wird. Wird
dieses Experiment in einem Bezugssystem auf der Erde wiederholt, muss der Detektor
leicht unterhalb des Lasers aufgestellt werden, da das Licht des Lasers leicht nach unten
gekrümmt wird. Wenn man das Experiment mit Lichtstrahlen durchführt, die sich senkrecht zur Erde ausbreiten, ist der Lichtweg auf der Erde nun kürzer und die Wellenlänge
daher verkürzt und die Schwingungszahl erhöht. Dies liegt daran, dass das Licht gleich
viele Schwingungen auf kleinerem Weg absolvieren muss. Von einem Bezugssystem der
Raumkapsel aus gesehen sind diese Effekte jeweils anders herum. Die Größe dieses Effekts wird durch die folgende Gleichung beschrieben: [1]
∆λ
rs
=
λ
r
(4)
Einstein folgerte aus der Äquivalenz von Energie und Masse, dass die Energie und die
Masse die Raumzeit verändern. Hierbei werden die Planetenbahnen nicht mehr durch
die Gravitationskräfte zwischen Sonne und Planet erklärt. Vielmehr wird die Raumzeit,
aufgrund der Existenz der Sonnenmasse so gekrümmt. Durch die Krümmung der Raumzeit sucht sich der Planet seinen optimalen Weg um die Sonne. Diesen optimalen Weg
nennt man Geodäte. Der Planet bewegt sich somit auf einer Geodäte der vierdimensionalen Raumzeit. Die Raumzeit ist vierdimensional, da zu den drei Komponenten des
Raumes (x, y, z) die Komponente der Zeit t hinzugefügt wird. Eine Geodäte beschreibt
den optimalen Weg in dieser Raumzeit. Wenn keine Masse vorhanden ist, enspricht die
Geodäte in der 4-dimensionalen Raumzeit einer Geraden im 3-dimensionalen Raum. Sobald eine Masse vorhanden ist, krümmt sich die Raumzeit. Deswegen werden auch die
Geodäten der bewegten Massen gekrümmt, was so aussieht wie die Bahnen, die Newtons
2
Gravitationsgesetz ähneln.
In einer kugelsymmetrischen Näherung von Schwarzschild wurde nun berechnet, dass
sich der Abstand zwischen zwei Punkten und die Zeit in der Nähe einer anderem Mas1
se verändern. Ein ferner Beobachter kann einen langsameren Zeitablauf um 1 − rrS 2
− 1
beobachten. Der Abstand vergrößert sich um 1 − rrS 2 , was sich mit Hilfe der Fluchtgeschwindigkeit in einen Term umformen lässt, der sehr dem Lorentzfaktor der speziellen
Relativitätstheorie ähnelt:
1−
2
vF
c2
− 1
2
[1].
Die von Schwarzschild entwickelte Theorie eignet sich zur Beschreibung von schwarzen
Löcher. Diese müssten allerdings mit sonnenähnlichen Massen auf einen Durchmesser
von 6 km komprimiert werden. Daher stellt sich die Frage, wie stabil Sterne sind.
1.3 Stabilität von Sternen
Ein Stern ist stabil, solange sich die Gravitationskraft und die Druckkraft kompensieren. Wenn die Gravitationskraft die Druckkraft übersteigt, wird der Stern komprimiert.
Dadurch wird die Dichte größer und es entsteht möglicherweise ein Schwarzes Loch, ein
weißer Zwerg oder ein Neutronenstern. Was entsteht hängt von dem Stern und vor allem
von dessen Masse ab. Diese Vorgang stellt das „Sterben “ eines sehr massereichen Sterns
dar. Dies geschieht, wenn der nukleare Energievorrat des Sterns, der für Kernfusion verwendet wird, verbraucht ist.
1.3.1 Weißer Zwerg
Der Physiker Chandrasekhar erforschte, ab welchen Massen ein Stern aufgrund eines
Gravitationskollapses kollabiert, also welche Masse ein Stern aufweisen muss, um nach
einem Gravitationskollaps ein Weißer Zwerg, ein Neutronenstern oder ein Schwarzes
Loch zu werden. Die Grenzmasse beträgt: [1]
MCh = 1, 44 · MS
(5)
Figur 1 zeigt Sirius B, ein weißer Zwerg, der den Stern Sirius umkreist. Ein Weißer
Zwerg stellt ein Endstadium eines Sterns dar und weißt eine sehr hohe Dichte von bis
g
zu ρ = 105 − 106 cm
3 auf. Dabei hat er eine sonnenähnliche Masse, ist allerdings nur so
groß wie die Erde. Die Oberflächentemperatur ist größer als 10.000 K. [2]
3
Abbildung 1: Weißer Zwerg Sirius B umkreist Sirius [3]
Je nach Dichte stellen sich zwei verschiedene Zustände ein. Der erste Zustand beschreibt
die Bildung eines Quantengases Das heißt, dass die Atome im Inneren des Weißen Zwerges ionisiert sind und daher ein Quantengas bilden, wessen makroskopische Eigenschaften
durch die Quantentheorie beschrieben werden können. Die Gravitation wird hier durch
den Druck der Elektronen kompensiert. Das Elektronengas weißt eine hohe thermische
Leitfähigkeit auf und ist entartet. Der Druck wird hierbei beschrieben durch: [1]
5
P ∝ ρ3
(6)
g
Ist die Dichte nun höher als 107 cm
3 tritt der Zustand der Relativistischen Entartung
ein. Die Energie der Elektronen ist hier größer als ihre Ruheenergie. Das heißt, dass der
Druckanstieg bei zunehmender Masse bei zunehmender Dichte flacher verläuft. Hierbei
steigt die Kompressibilität und es kann zu einem Gravitationskollaps kommen, falls die
Masse des Sterns die Grenzmasse MCh übersteigt.
Der Druck bei Relativistischer Entartung verläuft wie folgt: [1]
4
P ∝ ρ3
4
(7)
Gleichung (8) beschreibt das Hydrostatische Gleichgewicht, das auftritt, wenn die Druckkraft der Gravitationskraft entspricht: [1]
dP
= −ρ(r) · g(r)
dr
mit: g(r) =
(8)
GM
.
r2
Nun erfolgt eine Abschätzung, zuerst für den Fall der Entartung und dann für den Fall
der Relativistischen Entartung, mit: [1]
dP
P
≈
dr
R
ρ=
4π
3
(9)
M
· R3
(10)
Durch kurze Rechnung kommt man zum folgenden Ergebnis: [1]
1
M3 ·R =C
M ·V =C
(11)
0
(12)
Das bedeutet, dass wenn die Masse eines Sterns wächst, der Radius des Sterns verkleinert wird. Die gleiche Rechnung im relativistisch entarteten Fall zeigt, dass es zu einem
Kollaps kommen kann, da die Masse nicht mehr vom Radius abhängt: [1]
dM
=0
dR
Der Stern wird daher instabil, wenn gilt M > MCh .
5
(13)
1.3.2 Supernova
Eine Supernova stellt den ersten Schritt der Endphase von Sternen da. Sie hat ein größeres Ausmaß als eine Nova. Es handelt sich um spontane Helligkeitsausbrüche von
Sternen, die nach Wochen oder Monaten verschwinden. Die emittierte Energie beträgt
1044 Joule und das Helligkeitsmaximum befindet sich bei 1036 Watt, was etwa 3 · 109
Sonnenleuchtkräften entspricht. Ein größter Teil einer Supernova wird in Form von Neutrinos umgewandelt. Nur zirka 1 % der Energie stellt den sichtbaren Bereich des Lichts
dar. Es gibt verschiedene Typen von Supernovae, zum Beispiel II, IIb, die alle aufgrund
ihrer Lichtkurve unterschieden werden können. Nach dem Ausbruch einer Supernova
kann, bei genügend großer Masse, ein Neutronenstern, Pulsar oder sogar ein Schwarzes
Loch entstehen. [1] [4]
Abbildung zwei zeigt den Aufstieg der Supernova SN 2014J in der Galaxie M 82 dar. SN
2014J ist eine Supernova von Typ Ia, das heißt, dass sie ursprünglich ein Weißer Zwerg
war, der durch Akkretion, also Aufnahme von Material anderer Sterne, stetig gewachsen
ist. [5]
Im Moment geht man davon aus, dass bei einer Supernova größer als die Masse von acht
Sonnen (M > 8 · MSonne ) sich ein Neutronenstern bildet. Ein Schwares Loch entsteht,
wenn die Grenze von zwanzig Sonnenmassen überschritten wird (M > 20 · MSonne ).
1.3.3 Neutronenstern
Ein Neutronenstern ist erheblich kleiner als ein Weißer Zwerg. Bei einem Radius von
g
zirka 15 km stellt sich eine Dichte von ρ = 1011 cm
3 ein.
Die Massen von Neutronensternen betragen zirka 1,44 bis 3 Sonnenmassen und sind
somit größer als die Chandrasekhar Grenzmasse. Beim Kollaps eines Sterns entsteht
zuerst eine Supernova, die dann zu einem Neutronenstern wird, wenn die Masse der
Supernova größer als acht Sonnenmassen ist. Ein Stern leuchtet, da er aufgrund von
Fusion von Wasserstoff zu Helium Energie erzeugt. Ist dieser „Brennstoff “aufgebraucht,
werden schwere Elemente hervorgebracht. Der Druck, der den Kern stabilisiert und der
Gravitation entgegenwirkt, nimmt ab, wenn sich im Kern genug Eisen, oder ähnliche
annähernd gleich schwere Elemente, befindet. Das liegt daran, dass Eisen (F e56 ) die
höchste Bindungsenergie pro Nukleon besitzt, was aus dem Graphen in Abbildung 3 zu
entnehmen ist. Die Elemente können nicht zu schweren Elementen als F e56 fusionieren,
da hierfür weitere Energie benötigt werden würde, da die Bindungsenergie pro Nukleon
bei F e56 ein Maximum aufweist und danach stetig fällt. [7] [6]
Wenn der Stern nun kollabiert, wird der Kern so sehr komprimiert, dass die Druckkräfte
so stark werden, dass die Elektronen in den Atomkern gedrückt werden. Die Elektronen
6
Abbildung 2: SN 2014J stellt eine helle Supernova in der nahegelegenen Galaxie M82
dar [5]
wechselwirken mit den Protonen im Atomkern und bilden Neutronen. Die folgende Gleichung beschreibt die Reaktionsgleichung dieses Prozesses: [8]
p + e− + ν → n + ν
(14)
Ein Proton und ein Elektron werden zusammen mit einem Antineutrino zu einem Neutron und einem Neutrino.
Wenn die Elektronen entartet werden, entsteht ein Ëntartungsdruck", der der Gravitation entgegenwirkt. Dieser entstandene Druck lässt sich durch das Pauli-Prinzip der
Quantenmechanik erklären. Es besagt, dass höchstens zwei Neutronen in einem Energiezustand übereinstimmen dürfen, allerdings nur wenn sie sich in ihrem Spin unterscheiden.
Je mehr der Stern komprimiert wird, desto mehr energetische Zustände müssen besetzt
werden. Dadurch entsteht der Druck, der der Gravitationskraft entgegen wirkt. Bei einer
7
Abbildung 3: Bindungsenergie pro Nukleon steigt zuerst an. Dann hat sie Peaks bei He4 ,
C 12 und O16 . Sie ist am höchsten bei F e56 . Danach nimmt sie kontinuierlich ab [7]
Masse, die nun größer als drei Sonnenmassen ist, kann der Stern zu einem schwarzen
Loch kollabieren. Durch die freigewordene potentielle Energie bei dem Kollaps werden
Neutrinos erzeugt. Die äußere Schicht des Kerns des Neutronensterns explodiert aufgrund von Neutronenschauern. Abbildung 5 zeigt diese Explosion einer äußeren Schicht
eines dichten stellaren Kerns, wodurch ein Neutronenstern entsteht. Abbildung 4 zeigt
einen Neutronenstern mit Umgebung. Gut hier zu sehen ist, dass der Neutronenstern
sehr klein ist und nicht sehr hell leuchtet. [6]
Ein Neutronenstern weißt einen unglaublich hohen Drehimpuls auf. Dies liegt an der
Drehimpulserhaltung, was bedeutet, dass der Drehimpuls nach und vor dem Kollaps der
selbe sein muss. Da der Durchmesser des Neutronensterns sich erheblich verringert hat,
muss der Neutronenstern mit einem erheblich größerem Drehimpuls drehen.
Des Weiteren besitzen Neutronenstern ein extrem großes Magnetfeld. Dies spielt vor allem bei Pulsaren eine große Rolle.
1.3.4 Pulsar und Magnetar
Pulsare stellen eine Form von Neutronensternen dar. Sie entstehen, wenn die Rotationsachse des Sterns gegen die Magnetfeldachse verkippt ist. Ist dies der Fall wird eine enorm
leistungsstarke Radiowelle abgestrahlt (Synchrotronstrahlung). Die Energie hierfür wird
8
Abbildung 4: Neutronenstern
mit Umgebung:
Neutronenstern
erscheint klein
und nicht hell
[9]
Abbildung 5: Entwicklung eines Neutronensterns: Explosion der äußeren
Hülle [11]
der Rotation entnommen. Abbildung 6 zeigt den Krebspulsar im Krebsnebel. Der Krebsnebel stellt einen Überrest aus einer Supernova dar. Der Krebspulsar, der in etwa die
Größe einer Stadt aufweißt, dreht sich zirka 30 mal in der Sekunde. Des Weiteren ist gut
zu sehen, dass der Pulsar Jets (siehe 1.3.6) ausstößt. [11] [1]
Magnetare stellen eine andere Form von Neutronensternen dar. Sie haben ein viel stärkeres Magnetfeld als Pulsare. Bei einer Änderung der magnetischen Achse wird bei Magnetaren die äußerste Hülle ins All geschleudert. Diesen Vorgang nennt man Sternenbeben.
Da der weggeschleuderte Teil der Hülle aus geladenen Teilchen besteht, werden diese
durch das starke Magnetfeld des Magnetars wieder beschleunigt. Durch die Beschleunigung der geladenen Teilchen entsteht eine Gammstrahlung. Der Ausbruch dieser Strahlung wird „Gamma Ray burst“ genannt. [8]
9
Abbildung 6: Crab Pulsar im Crab Nebel [11]
1.3.5 Schwarzes Loch
Ein Stern ist stabil, wenn die Druckkraft der Gravitationskraft entgegen halten kann.
Ist dies nicht der Fall, komprimiert sich der Stern immer weiter und ein Schwarzes Loch
kann entstehen. Nach der Allgemeinen Relativitätstheorie ist nichts schneller als Lichtgeschwindigkeit. In der Nähe eines Schwarzen Lochs ist die Raumzeit so stark gekrümmt,
dass der Lichtstrahl, der von dem Schwarzen Loch kommt, so sehr gekrümmt wird, dass
er das Schwarze Loch nicht verlassen kann. Da nichts schneller als Licht ist, es somit die
höchst mögliche Fluchtgeschwindigkeit besitzt, gelingt es keinem anderen Körper, das
Schwarze Loch zu verlassen. [12] [1]
Schwarze Löcher können aufgrund ihrer Massen unterschieden werden. Die „kleinste “Art
von Schwarzen Löchern stellt das Primordiale Schwarze Loch dar. Die Entstehung eines
Primordialen Schwarzen Lochs ist nicht, wie oben beschrieben, durch einen Sternenkollaps begründet, sondern ist schon im jungen Universum geschehen. Die Masse eines Prig
mordialen Schwarzen Lochs beträgt zirka 1018 g und die Dichte zirka 1048 cm
3 . Primordiale Schwarze Löcher zerstrahlen sich schnell, das heißt dass das Schwarze Loch kurzzeitige Ausbrüche hochenergetischer, elektromagnetischer Wellen hat, burst genannt. Diese
10
Strahlung wird Hawking Strahlung genannt. Die Existenz von Primordialen Schwarzen
Löchern ist nicht bestätigt und somit sind alle oben genannten Angaben spekultativ. [12]
Die zweite Klasse von Schwarzen Löchern stellen Stellare Schwarze Löcher dar. Stellare Schwarze Löcher entstehen aus Sternen, die aufgrund eines Gravitationskollapses zu
Schwarzen Löchern werden. Sie stellen also den Endzustand eines Sterns dar. Der sterbende Stern explodiert in einer Supernova. Wenn nach der Explosion die Masse noch
groß genug ist, kann ein Stellares Schwarzes Loch entstehen. Ein Stellares Schwarzes
Loch kann durch Akkretion, also durch Aufnahme von Materie, wachsen. [12]
Die dritte Klasse von Schwarzen Löchern sind Massereiche Schwarze Löcher. Sie „wiegen“ 102 − 105 Sonnenmassen. Sie entstehen möglicherweise aufgrund von Sternenkollisionen und Akkretion von Sternen. Möglicherweise entstehen sie auch aus Primordialen
Löchern. Meist kommen sie in Gegenden vor, in denen fast kein Gas zur Akkretion mehr
vorhanden ist. [12]
Die letzte Kategorie von Schwarzen Löchern stellen Supermassereiche Schwarze Löcher
dar. Sie haben Millionen bis Milliarden Sonnenmassen. Meist befinden sie sich im Zentrum von Galaxien. Die Entstehung ist noch unklar und möglicherweise im frühen Universium geschehen. Das Supermassereiche Schwarze Loch in der Milchstraße ist Sagittarius A*. Abbildung 7 zeigt eine Infrarot Aufnahme der Milchstraße. Ungefähr 27.000
Lichtjahre weit weg von uns befindet sich das Schwarze Loch Sagittarius A*. Sagittarius
A* ist ein relativ ruhiges Schwarzes Loch und nimmt nicht viel Materie auf. Das Helle
aus der Milchstraße wird in den Boxen auf der rechten Seite genauer dargestellt. Das
Material wird auf mehrere hunderte Grad Celsius aufgeheizt und deswegen werden Röntgenstrahlen erzeugt. Das weiße Licht stellt das heißeste Material dar, das die geringste
Entfernung zum Schwarzen Loch aufweist. Das leicht pinke Material ist ein Überbleibsel
der Supernova Explosion. [12] [13]
11
Abbildung 7: Infrarot Aufnahme von dem Zentrum der Milchstraße [13]
1.3.6 Weitere Begriffe
Im Folgenden werden weitere Begriffe, die bei der Behandlung von Schwarzen Löchern
wichtig sind behandelt.
Akkretion beschreibt die Aufnahme von Materie in einem schwarzen Loch. Die Materie umkreist das Schwarze Loch auf Kepler Bahnen bis keine stabile Kepler Bahn mehr
möglich ist. Es bildet sich eine Akkretionsscheibe um das Schwarze Loch. In der Akkretionsscheibe wird die kinetische Energie der Materie abgebremst und der Drehimpuls
nach außen transportiert. Abbildung 8 zeigt eine vom Computer erstellte Illustration, die
eine Akkretionsscheibe verdeutlichen soll. Die Akkretionsscheibe des Schwarzen Lochs
enthält hauptsächlich Gas und Plasma. Die Energie, die dadurch im Schwarzen Loch
aufgenommen wird, wird in Form von Jets wieder abgegeben. Diese Jets bestehen, nach
neusten Forschungsergebnisse, nicht nur als Elektronen und Protonen, sondern auch aus
schwereren Elementen, wie Eisen oder Nickel. [14]
Anhand von Sagittarius A*, dem Supermassenreichen Schwarzen Loch im Zentrum von
der Milchstraße, kann Akkretion erforscht werden. Dies liegt daran, dass es das nächste
Supermassenreiche Schwarze Loch ist, von der Erde aus gesehen. S2, ein Stern, der zirka
15 Sonnenmassen beinhaltet, wurde, als er sich Sagittarius A* auf 17 Lichtjahre näherte,
von seiner Bahn abgedrängt. Bei einem Abstand von nur noch 16 Lichtjahren wird S2
wohl zerstört. Ein weiteres Indiz für die Existenz von Sagittarius A* als Schwarzes Loch
stellt der Nebel dar, der dreimal so schwer wie die Erde war und in das Schwarze Loch
gesogen wurde. [15] [16]
12
Jets sind Ströme von Teilchen oder Plasma, die senkrecht zur Akkretionsscheibe ausgestoßen werden. Sie können in der Illustration in Abbildung 8 gesehen werden. Des
Weiteren ist in Abbildung 9 die Galaxie Centaurus A zu sehen, die im Inneren ein
Schwarzes Loch beherbergt. Die Jets bestehen hier aus Plasma und reicht über Millionen von Lichtjahren. [17]
Abbildung 8: Illustration
eines Schwarzen
Lochs mit Akkretionsscheibe
[14]
Abbildung 9: Galaxie
Centaurus
A
entströmen Jets
[17]
Ereignishorizont und Schwarzschildradius Der Ereignishorizont beschreibt den Raum,
in dem Ereignisse sichtbar für einen Beobachter sind. Der Radius, bis zu dieser Grenze
hin, wird durch den oben beschriebenen Schwarzschildradius beschrieben.
Quasare und Aktive Galaktische Kerne Aktive Galaktische Kerne (AGN) sind Teile einer Galaxie, die ein Supermassereiches Schwarzes Loch beinhalten. Genauer gesagt
wandeln sie einen großen Teil der Masse, die sie durch Akkretion aufnehmen in Energie
um. Dieses Supermassereiche Schwarze Loch nimmt durch Akkretion Plasma auf und
gibt Energie in Form von Jets wieder ab. Das kalte Material gelangt vom Staubtorus
zu der Standardscheibe. Im Inneren Bereich der Standardscheibe entsteht durch Ionisierung und Aufheizung ein Plasma, was von dem Supermassereichen Schwarzen Loch
aufgenommen wird (Akkretion). Im Bereich namens Korona entsteht die Strahlung des
Schwarzen Lochs. Hierbei entsteht thermische Strahlung, das Plasma strahlt im Röntgenbereich und Synchrotronstrahlung. Energiearme Photonen, beispielsweise aus dem
kosmischen Hintergrund oder aus der kalten Akkretionsscheibe, können an dem heißen
Gas streuen, dessen Energie aufnehmen und werden somit zu energiereichen Photonen.
Synchrotronstrahlung entsteht durch geladene Teilchen, die sich im Magnetfeld bewegen. Es existiert auch Bremsstrahlung, die entsteht, wenn geladene Teilchen abgebremst
13
werden. Den Antrieb all dieser Prozesse stellt das Supermassereiche Schwarze Loch dar.
Abbildung 10 zeigt schematisch den Aufbau von AGNs. [12] [18]
Abbildung 10: Schematischer Aufbau von Aktiven Galaktischen Kernen (AGN) [18] [12]
Quasare stellen eine Spezialform von AGN dar. Quasare sind eine Frühform von Galaxien. Sie wandeln die Massen der Materie in ihrer Akketionsscheibe sehr effizient in
Energie um. [12]
1.4 Messung von Schwarzen Löchern - Das VLTI
Das Very Large Telescope Interferometer (VLTI) ist ein Interferometer der Europäischen Südsternwarte (ESO), das aus vier großen Teleskope besteht. Für das Interferometer können entweder Unit-Teleskope (UT) oder Auxiliary-Teleskope (AT) verwendet
werden. Der Unterschied zwischen den zwei Teleskop Arten besteht darin, dass UTs an
einem bestimmten Platz installiert sind, währen ATs an dreißig verschiedenen Stationen
neu aufgebaut werden können. Das VLTI ermöglicht eine Winkelauflösung von mehreren
Millibogensekunden. Das VLTI wird unter Anderem auch zur Erforschung von Aktiven
Galaktischen Kernen verwendet. Abbildung 11 zeigt die vier Teleskope des VLTI. [19]
Schwarze Löcher können auch durch ihren Einfluss auf andere Himmelskörper entdeckt
werden. Bei der Akkretion von Materie in ein Schwarzes Loch werden Massen sehr effektiv in Energie umgewandelt. Wenn eine Masse in ein Schwarzes Loch, also eine Art
Gravitationspotentialtopf, fällt muss, da die Energie erhalten werden muss, potentielle
14
Energie in eine andere Form von Energie umgewandelt werden. Wenn die gesamte potentielle Energie in kinetische Energie umgewandelt wird, gilt: [21]
v 2 Gm
−
= konstant
2
D
(15)
Wenn die Materie nun in das Schwarze Loch einfällt, wird der Abstand D kleiner. Da die
Energie erhalten werden muss, wird v und somit auch die kinetische Energie automatisch
größer. Die kinetische Energie kann nun in andere Formen von Energie umgewandelt werden, die nun messbar sind. Bei einfallendem Gas wird die kinetische Energie meist in
Strahlung umgewandelt. [21]
Abbildung 11: Vier Teleskope des VLTI [20]
15
Literatur
[1] Vorlesung W. Gebhardt WS 00-01: Wie schwarz sind schwarze Löcher. Eine Einführung in die Physik und Astronomie Schwarzer Löcher
[2] https://de.wikipedia.org/wiki/Sirius#Sirius_B
[3] http://i1.wp.com/in5d.com/images/ESA121205_3Bf.jpg
[4] https://de.wikipedia.org/wiki/Supernova
[5] http://apod.nasa.gov/apod/ap140816.html
[6] https://de.wikipedia.org/wiki/Neutronenstern
[7] https://de.wikipedia.org/wiki/Bindungsenergie
[8] http://www.physi.uni-heidelberg.de/ eisele/physikb/sternentwicklung.pdf
[9] http://apod.nasa.gov/apod/ap981128.html
[10] http://apod.nasa.gov/apod/ap980425.html
[11] http://apod.nasa.gov/apod/ap140725.html
[12] Dr. Andreas Müller, April 2005: Schwarze Löcher - Das dunkelste Geheimnis der
Gravitation
[13] http://apod.nasa.gov/apod/ap121102.html
[14] http://apod.nasa.gov/apod/ap131120.html
[15] https://de.wikipedia.org/wiki/Sagittarius_A*
[16] http://www.zeit.de/wissen/2011-12/milchstrasse-loch-gaswolke
[17] http://apod.nasa.gov/apod/ap110531.html
[18] http://www.google.de/imgres?imgurl=http%3A%2F%2Fwww.spektrum.de%2Flexika%2Fimages%2Fa
galaktischer-kern%2F8&h=350&w=480&tbnid=IxKQITCkircIIM%3A&docid=OCczSSbNugaeM&ei=9NoUVvLNAcuv-QH-mojoBQ&tbm=isch&iact=rc&uact=3&dur=329&page=1&start=0&
Ch1-DQJd
[19] https://www.eso.org/sci/facilities/paranal/telescopes/vlti.html
[20] https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/a/a7/Aerial_View_of_the_VLTI_with_Tunnels_
[21] Charles D. Bailyn, Princton University Press, New Jersey, 2014: What does a Black
Hole Look Like?
16