Schwarzes Loch

1783 schrieb ein englischer Geistlicher namens John Michell, dass es möglich sein könnte, dass etwas so schwer ist, dass man sich mit Lichtgeschwindigkeit fortbewegen muss, um der Schwerkraft zu entkommen. Die Schwerkraft wird stärker, wenn etwas größer oder massiver wird. Damit ein kleines Ding, wie eine Rakete, einem größeren Ding, wie der Erde, entkommen kann, muss es der Anziehungskraft unserer Schwerkraft entkommen, sonst fällt es zurück. Die Geschwindigkeit, mit der es sich nach oben bewegen muss, um der Schwerkraft der Erde zu entkommen, nennt man Fluchtgeschwindigkeit. Größere Planeten (wie Jupiter) und Sterne haben mehr Masse und eine stärkere Schwerkraft als die Erde. Daher ist die Fluchtgeschwindigkeit viel höher. John Michell hielt es für möglich, dass etwas so groß ist, dass die Fluchtgeschwindigkeit höher als die Lichtgeschwindigkeit ist, so dass selbst Licht nicht entkommen kann. 1796 propagierte Pierre-Simon Laplace die gleiche Idee in der ersten und zweiten Auflage seines Buches Exposition du système du Monde (sie wurde aus späteren Ausgaben entfernt).

Einige Wissenschaftler dachten, Michell könnte Recht haben, aber andere meinten, Licht habe keine Masse und werde nicht von der Schwerkraft angezogen. Seine Theorie wurde vergessen.

1916 schrieb Albert Einstein eine Erklärung der Schwerkraft, die als Allgemeine Relativitätstheorie bezeichnet wurde.

• Masse bewirkt, dass sich der Raum (und die Raumzeit) krümmt oder krümmt. Bewegte Dinge "fallen entlang" oder folgen den Kurven im Raum. Dies nennen wir Gravitation.
• Licht bewegt sich immer mit der gleichen Geschwindigkeit und wird von der Schwerkraft beeinflusst. Wenn es seine Geschwindigkeit zu ändern scheint, bewegt es sich in Wirklichkeit entlang einer Kurve in der Raumzeit.

Einige Monate später, während er im Ersten Weltkrieg diente, benutzte der deutsche Physiker Karl Schwarzschild Einsteins Gleichungen, um zu zeigen, dass ein Schwarzes Loch existieren könnte. Im Jahr 1930 sagte Subrahmanyan Chandrasekhar voraus, dass Sterne, die schwerer als die Sonne sind, kollabieren könnten, wenn ihnen der Wasserstoff oder andere Kernbrennstoffe zum Verbrennen ausgehen. Im Jahr 1939 berechneten Robert Oppenheimer und H. Snyder, dass ein Stern mindestens dreimal so massereich wie die Sonne sein müsste, um ein Schwarzes Loch zu bilden. Im Jahr 1967 erfand John Wheeler zum ersten Mal den Namen "Schwarzes Loch". Davor wurden sie "dunkle Sterne" genannt.

1970 zeigten Stephen Hawking und Roger Penrose, dass es Schwarze Löcher geben muss. Obwohl die Schwarzen Löcher unsichtbar sind (man kann sie nicht sehen), ist ein Teil der Materie, die in sie hineinfällt, sehr hell.

Gravitationskollaps

Der Gravitationskollaps riesiger (massereicher) Sterne verursacht Schwarze Löcher mit "stellarer Masse". Die Sternentstehung im frühen Universum könnte zu sehr massereichen Sternen geführt haben, die beim Kollaps Schwarze Löcher von bis zu ¹⁰³ Sonnenmassen erzeugen würden. Diese Schwarzen Löcher könnten die Keime der supermassereichen Schwarzen Löcher sein, die in den Zentren der meisten Galaxien zu finden sind.

Die meiste Energie, die beim Gravitationskollaps freigesetzt wird, wird sehr schnell freigesetzt. Ein entfernter Beobachter sieht, wie das einfallende Material aufgrund der gravitationsbedingten Zeitdilatation knapp über dem Ereignishorizont langsamer wird und zum Stillstand kommt. Das kurz vor dem Ereignishorizont ausgestrahlte Licht wird um unendlich viel Zeit verzögert. Der Beobachter sieht also nie die Entstehung des Ereignishorizonts. Stattdessen scheint das kollabierende Material dunkler und zunehmend rotverschoben zu werden und schließlich zu verblassen.

Schwarze Löcher wurden auch in der Mitte fast aller Galaxien im bekannten Universum gefunden. Diese werden als supermassive Schwarze Löcher (SBH) bezeichnet und sind die größten Schwarzen Löcher überhaupt. Sie entstanden, als das Universum noch sehr jung war, und trugen auch zur Entstehung aller Galaxien bei.

Es wird angenommen, dass Quasare durch die Schwerkraft angetrieben werden, die Material in SBHs in den Zentren entfernter Galaxien sammelt. Licht kann den SBHs im Zentrum von Quasaren nicht entkommen, so dass die entweichende Energie außerhalb des Ereignishorizonts durch Gravitationsspannungen und immense Reibung am einfallenden Material erzeugt wird.

Riesige Zentralmassen (¹⁰⁶ bis ¹⁰⁹ Sonnenmassen) sind in Quasaren gemessen worden. Mehrere Dutzend nahegelegene große Galaxien ohne Anzeichen eines Quasarkerns enthalten in ihren Kernen ein ähnliches zentrales Schwarzes Loch. Daher geht man davon aus, dass alle großen Galaxien eines haben, aber nur ein kleiner Bruchteil davon aktiv ist (mit genügend Akkretion für die Leistungsstrahlung) und daher als Quasare angesehen werden.

In der Mitte eines Schwarzen Lochs gibt es ein Gravitationszentrum, das als Singularität bezeichnet wird. Man kann nicht hineinsehen, weil die Schwerkraft das Entweichen von Licht verhindert. Um die winzige Singularität herum gibt es einen großen Bereich, in dem Licht, das normalerweise vorbeiziehen würde, ebenfalls eingesaugt wird. Der Rand dieses Bereichs wird als Ereignishorizont bezeichnet. Der Bereich jenseits des Ereignishorizonts ist das Schwarze Loch. Die Gravitation des Schwarzen Lochs wird in der Ferne schwächer. Der Ereignishorizont ist der am weitesten von der Mitte entfernte Ort, an dem die Gravitation noch stark genug ist, um Licht einzufangen.

Außerhalb des Ereignishorizonts werden Licht und Materie immer noch in Richtung des Schwarzen Lochs gezogen. Wenn ein Schwarzes Loch von Materie umgeben ist, wird die Materie eine "Akkretionsscheibe" (Akkretion bedeutet "Ansammlung") um das Schwarze Loch herum bilden. Eine Akkretionsscheibe sieht in etwa so aus wie die Ringe des Saturn. Wenn sie angesaugt wird, wird die Materie sehr heiß und schießt Röntgenstrahlung in den Weltraum. Stellen Sie sich das als das Wasser vor, das sich um das Loch dreht, bevor es hineinfällt.

Die meisten Schwarzen Löcher sind zu weit entfernt, als dass wir die Akkretionsscheibe und den Jet sehen könnten. Der einzige Weg, ein Schwarzes Loch zu erkennen, besteht darin, zu sehen, wie sich Sterne, Gas und Licht um das Schwarze Loch herum verhalten. Mit einem Schwarzen Loch in der Nähe bewegen sich selbst Objekte, die so groß wie ein Stern sind, auf eine andere Art und Weise, normalerweise schneller, als wenn das Schwarze Loch nicht da wäre.

Da wir Schwarze Löcher nicht sehen können, müssen sie mit anderen Mitteln entdeckt werden. Wenn ein Schwarzes Loch zwischen uns und einer Lichtquelle vorbeizieht, krümmt sich das Licht um das Schwarze Loch und erzeugt ein Spiegelbild. Dieser Effekt wird als Gravitationslinseneffekt bezeichnet.

Hawking-Strahlung ist Schwarzkörperstrahlung, die vom Schwarzen Loch aufgrund von Quanteneffekten in der Nähe des Ereignishorizonts emittiert wird. Sie ist nach dem Physiker Stephen Hawking benannt, der 1974 ein theoretisches Argument für ihre Existenz lieferte.

Die Hawking-Strahlung reduziert die Masse und die Energie des Schwarzen Lochs und wird daher auch als Schwarze-Loch-Verdampfung bezeichnet. Dies geschieht aufgrund der virtuellen Teilchen-Antiteilchen-Paare. Aufgrund von Quantenfluktuationen fällt dann eines der Teilchen hinein und das andere kommt mit der Energie/Masse davon. Aus diesem Grund wird erwartet, dass Schwarze Löcher, die mehr Masse verlieren als sie durch andere Mittel gewinnen, schrumpfen und schließlich verschwinden. Mikro-Schwarze Löcher (MBHs) werden als größere Netto-Strahlungsemitter als größere Schwarze Löcher vorhergesagt und sollten schneller schrumpfen und sich auflösen.