Zusammensetzung eines Schwarzen Lochs

Wenn Sie den Ausdruck "Schwarzes Loch" hören, ruft es mit ziemlicher Sicherheit ein Gefühl von Mysterium und Staunen hervor, vielleicht mit einem Hauch von Gefahr. Während der Begriff "Schwarzes Loch" in der Alltagssprache synonym geworden ist mit "ein Ort, an dem etwas geht, der niemals gesehen wird" wieder", sind die meisten Leute mit seiner Verwendung in der Astronomiewelt vertraut, wenn auch nicht unbedingt mit genauen Merkmalen und Definitionen.

Seit Jahrzehnten gehört zu den häufigsten Refrains, die Schwarze Löcher zusammenfassen, nach dem Motto "ein Ort, an dem die Schwerkraft so stark ist, nicht einmal". Licht kann entweichen." Obwohl dies für den Anfang eine ausreichend genaue Zusammenfassung ist, ist es natürlich, sich zu fragen, wie so etwas anfangen konnte mit.

Andere Fragen gibt es zuhauf. Was ist in einem schwarzen Loch? Gibt es verschiedene Arten von Schwarzen Löchern? Und was ist eine typische Größe eines Schwarzen Lochs, wenn so etwas existiert und gemessen werden kann? Der Start des Hubble-Teleskops hat die Untersuchung von Schwarzen Löchern revolutioniert.

Bevor Sie sich eingehend mit dem Thema Schwarze Löcher – und schlechte Wortspiele – befassen, ist es hilfreich, die grundlegende Terminologie zur Definition der Eigenschaften und Geometrie von Schwarzen Löchern durchzugehen.

Vor allem hat jedes Schwarze Loch in seinem effektiven Zentrum aSingularität, die aus so komprimierter Materie besteht, dass sie fast eine Punktmasse ist. Die daraus resultierende enorme Dichte erzeugt ein Gravitationsfeld, das so stark ist, dass bis zu einer gewissen Entfernung nicht einmal Photonen, die "Teilchen" des Lichts, ausbrechen können. Diese Distanz wird als bezeichnetSchwarzchild-Radius; in einem nicht rotierenden Schwarzen Loch (und Sie werden in einem späteren Abschnitt mehr über den dynamischeren Typ erfahren) bildet die unsichtbare Kugel mit diesem Radius mit der Singularität in ihrem Zentrum dieEreignishorizont​.

Natürlich erklärt nichts davon, woher Schwarze Löcher eigentlich kommen. Tauchen sie spontan und an zufälligen Orten im ganzen Kosmos auf? Wenn ja, ist ihr Aussehen vorhersehbar? In Anbetracht ihrer gepriesenen Macht wäre es nützlich zu wissen, ob ein Schwarzes Loch plant, sich in der Nähe des Sonnensystems der Erde zu errichten.

Die Existenz von Schwarzen Löchern wurde erstmals im 18. Jahrhundert vorgeschlagen, aber den damaligen Wissenschaftlern fehlten die Instrumente, um ihre Vorschläge zu bestätigen. In den frühen 1900er Jahren verwendete der deutsche Astronom Karl Schwarzchild (ja, der) Einsteins Theorie der allgemeinen Relativität, um das physikalisch auffälligste Verhalten von Schwarzen Löchern zu bestimmen – ihre Fähigkeit, Licht zu "fangen".

Theoretisch könnte, basierend auf Schwarzchilds Arbeit, jede Masse als Basis für ein Schwarzes Loch dienen. Die einzige Voraussetzung ist, dass sein Radius nach dem Komprimieren seinen Schwarzchild-Radius nicht überschreitet.

Die Existenz von Schwarzen Löchern hat Physiker vor ein Rätsel gestellt, wenn auch verlockend, es zu lösen. Es wird angenommen, dass dank der Raum-Zeit-Krümmung, die aus der außergewöhnlichen Schwerkraft in der Nähe des Schwarzen Lochs resultiert, die Gesetze der Physik tatsächlich zusammenbrechen; Da der Ereignishorizont der menschlichen Analyse nicht zugänglich ist, ist dieser Konflikt für Astrophysiker eigentlich kein Konflikt.

Wenn man sich die Größe des Schwarzen Lochs als die vom Ereignishorizont gebildete Kugel vorstellt, ist die Dichte ganz anders als wenn das Schwarze the Loch wird stattdessen nur als lächerlich winziger kollabierter Stern behandelt, dessen Masse die Singularität bildet (mehr dazu in a Moment).

Wissenschaftler glauben, dass Schwarze Löcher so klein sein können wie bestimmte Atome, aber so viel Masse wie ein Berg auf der Erde besitzen. Auf der anderen Seite können einige bis zu 15-mal so massiv wie die Sonne sein, während sie immer noch winzig sind (aber nicht atomar groß). Diesestellare schwarze löcherkommen in allen Galaxien vor, einschließlich der Milchstraße, in der sich die Erde und das Sonnensystem befinden.

Noch andere Schwarze Löcher können viel, viel größer sein. DieseSupermassive Schwarze Löcherkann mehr als eine Million Mal so massiv sein wie die Sonne, und es wird angenommen, dass jede Galaxie eine in ihrem Zentrum hat. Der im Zentrum der Milchstraße, genanntSchütze A, ist groß genug, um einige Millionen Erden aufzunehmen, aber dieses Volumen verblasst im Vergleich zur Masse des Objekts – die auf 4 Millionen Sonnen geschätzt wird.

Anstatt sich unvorhersehbar zu bilden und zu erscheinen, eine zuvor leicht angedeutete Bedrohung, wird angenommen, dass sich Schwarze Löcher gleichzeitig mit den größeren Objekten bilden, in denen Sie leben." Es wird angenommen, dass einige winzige Schwarze Löcher gleichzeitig mit der Entstehung des Kosmos entstanden sind, zur Zeit des Urknalls vor fast 14 Milliarden Jahren vor.

Dementsprechend entstehen supermassereiche Schwarze Löcher innerhalb einzelner Galaxien, wenn diese Galaxien aus interstellarer Materie zusammenwachsen. Andere Schwarze Löcher entstehen als Folge eines heftigen Ereignisses namens aSupernova​.

Eine Supernova ist der implosive oder "traumatische" Tod eines Sterns, im Gegensatz zu einem Stern, der wie eine gigantische Himmelsglut verbrennt. Solche Ereignisse treten auf, wenn ein Stern so viel von seinem Brennstoff verbraucht hat, dass er unter seiner eigenen Masse zu kollabieren beginnt. Diese Implosion führt zu einer Rückprallexplosion, die einen Großteil der Überreste des Sterns abwirft und eine Singularität an ihrer Stelle zurücklässt.

Eines der oben genannten Probleme für Physiker ist, dass die Dichte des als Singularität betrachteten Teils des Schwarzen Lochs kann nicht anders als unendlich berechnet werden, da ungewiss ist, wie klein die Masse tatsächlich ist (z besetzt). Um die Dichte eines Schwarzen Lochs sinnvoll zu berechnen, muss sein Schwarzchild-Radius verwendet werden.

Ein Schwarzes Loch mit Erdmasse hat eine theoretische Dichte von etwa 2 × 10²⁷ g/cm²³ (als Referenz, die Dichte von Wasser beträgt nur 1 g/cm³). Eine solche Größenordnung ist praktisch nicht in den Kontext des täglichen Lebens zu stellen, aber die kosmischen Ergebnisse sind vorhersehbar einzigartig. Um dies zu berechnen, dividieren Sie die Masse durch das Volumen, nachdem Sie den Radius mit den relativen Massen des Schwarzen Lochs und der Sonne "korrigiert" haben, wie im folgenden Beispiel gezeigt.

​Beispielproblem:Ein Schwarzes Loch hat eine Masse von etwa 3,9 Millionen (3,9 × 10⁶) Sonnen mit einer Sonnenmasse von 1,99 × 10³³ Gramm und wird als Kugel mit einem Schwarzchild-Radius von 3 × 10. angenommen⁵ cm. Wie hoch ist seine Dichte?

Finden Sie zuerst dieeffektiver Radius der den Ereignishorizont bildenden Kugelindem man den Schwarzchild-Radius mit dem Verhältnis der Masse des Schwarzen Lochs zu der der Sonne multipliziert, angegeben als 3,9 Millionen:

Berechnen Sie dann das Volumen der Kugel, gefunden aus der Formel V = (4/3)πr³:

Zum Schluss dividiere die Masse der Kugel durch dieses Volumen, um die Dichte zu erhalten. Da Ihnen die Masse der Sonne gegeben ist und die Masse des Schwarzen Lochs 3,9 Millionen Mal größer ist, können Sie diese Masse berechnen als (3,9 × 10⁶)(1.99 × 10³³ g) = 7,76 × 10³⁹ G. Die Dichte ist daher:

Astronomen haben verschiedene Klassifizierungssysteme für Schwarze Löcher entwickelt, eines basierend auf Masse allein und das andere basierend auf Ladung und Rotation. Wie oben am Rande erwähnt, drehen sich die meisten (wenn nicht alle) Schwarzen Löcher um eine Achse, wie die Erde selbst.

Die Klassifizierung von Schwarzen Löchern basierend auf der Masse ergibt das folgende System:

• ​Urzeitliche Schwarze Löcher:Diese haben Massen ähnlich denen der Erde. Diese sind rein hypothetisch und könnten durch regionale Gravitationsstörungen unmittelbar nach dem Urknall entstanden sein.
• ​Schwarze Löcher mit stellarer Masse:Diese haben, wie bereits erwähnt, Massen zwischen etwa 4 und 15 Sonnenmassen und resultieren aus dem "traditionellen" Kollaps eines überdurchschnittlich großen Sterns am Ende seiner Lebensdauer.
• ​Schwarze Löcher mittlerer Masse:Unbestätigt seit 2019, könnten diese Schwarzen Löcher – etwa einige tausend Mal so massiv wie die Sonne – in einigen Sternhaufen existieren und später auch zu supermassereichen Schwarzen Löchern erblühen.
• ​Supermassereiche Schwarze Löcher:Diese, ebenfalls bereits erwähnt, weisen zwischen einer Million und einer Milliarde Sonnenmassen auf und befinden sich in den Zentren großer Galaxien.

In einem alternativen Schema können Schwarze Löcher stattdessen nach ihrer Rotation und Ladung kategorisiert werden:

• ​Schwarzes Loch Schwarzschild:Auch bekannt alsstatisches schwarzes Loch, diese Art von Schwarzem Loch dreht sich nicht und hat keine elektrische Ladung. Es zeichnet sich daher allein durch seine Masse aus.
• ​Schwarzes Loch von Kerr:Dies ist ein rotierendes Schwarzes Loch, aber wie ein Schwarzschild-Schwarzes Loch hat es keine elektrische Ladung.
• ​Aufgeladenes Schwarzes Loch:Diese gibt es in zwei Varianten. Ein aufgeladener,nicht drehbarSchwarzes Loch ist bekannt als aReissner-Nordstrom-Schwarzes Loch, während eine aufgeladene,drehendSchwarzes Loch heißt aKerr-Newman Schwarzes Loch​.

Sie hätten sich zu Recht gefragt, wie Wissenschaftler so viele sichere Schlussfolgerungen über Objekte gezogen haben, die per Definition nicht visualisiert werden können. Viel Wissen über Schwarze Löcher wurde aus dem Verhalten und Aussehen relativ naher Objekte abgeleitet. Wenn ein Schwarzes Loch und ein Stern nahe genug beieinander liegen, entsteht eine besondere Art hochenergetischer elektromagnetischer Strahlung, die Astronomen alarmieren kann.

Manchmal sieht man große Gasstrahlen, die aus den "Enden" eines Schwarzen Lochs herausragen; Manchmal kann dieses Gas zu einer vage kreisförmigen Form zusammenwachsen, die als an. bekannt istAkkretionsscheibe. Es wird weiter theoretisiert, dass Schwarze Löcher eine Art Strahlung aussenden, die passenderweise alsStrahlung von Schwarzen Löchern(oderHawking-Strahlung). Diese Strahlung kann aufgrund der Bildung von "Materie-Antimaterie"-Paaren (z. B.ElektronenundPositronen) knapp außerhalb des Ereignishorizonts und die anschließende Emission nur der positiven Mitglieder dieser Paare als Wärmestrahlung.

Vor dem Start desHubble-Weltraumteleskop1990 hatten Astronomen lange über sehr weit entfernte Objekte nachgedacht, die sie benanntenQuasare, eine Komprimierung von "quasi-stellaren Objekten". Wie supermassereiche Schwarze Löcher, deren Existenz Später entdeckt, befinden sich diese schnell wirbelnden hochenergetischen Objekte in den Zentren großer Galaxien. Schwarze Löcher werden heute als die Wesenheiten angesehen, die das Verhalten von Quasaren antreiben, die nur in enormen Entfernungen zu finden sind, weil sie in der relativen Kindheit des Kosmos existierten; ihr Licht erreicht nach etwa 13 Milliarden Jahren im Transit gerade die Erde.

Einige Astrophysiker haben vorgeschlagen, dass Galaxien, die von der Erde aus unterschiedliche Grundtypen zu sein scheinen, tatsächlich den gleichen Typ haben können, jedoch mit unterschiedlichen Seiten von ihnen zur Erde hin. Manchmal ist die Quasarenergie sichtbar und bietet eine Art "Leuchtturm"-Effekt in Bezug darauf, wie die Erde Instrumente zeichnen die Aktivität des Quasars auf, während Galaxien zu anderen Zeiten aufgrund ihrer Orientierung.