Schwarze Löcher sind vielleicht die mysteriösesten Objekte im Universum. Es sei denn natürlich, die Dinge sind irgendwo in den Tiefen verborgen, deren Existenz wir nicht kennen und nicht wissen können, was unwahrscheinlich ist. Schwarze Löcher sind kolossale Masse und Dichte, die auf einen Punkt mit kleinem Radius komprimiert sind. Die physikalischen Eigenschaften dieser Objekte sind so seltsam, dass sie die anspruchsvollsten Physiker und Astrophysiker verwirren. Sabine Hossfender, eine theoretische Physikerin, hat eine Auswahl von zehn Fakten über Schwarze Löcher zusammengestellt, die jeder kennen sollte.
Was ist ein Schwarzes Loch?
Die bestimmende Eigenschaft eines Schwarzen Lochs ist sein Horizont. Dies ist eine Grenze, über die nichts, nicht einmal Licht, zurückkehren kann. Wenn ein abgetrennter Bereich für immer abgetrennt wird, sprechen wir von einem "Ereignishorizont". Wenn es nur vorübergehend getrennt ist, sprechen wir vom "sichtbaren Horizont". Dieses "vorübergehende" könnte aber auch bedeuten, dass die Region viel länger als das gegenwärtige Zeitalter des Universums getrennt sein wird. Wenn der Horizont des Schwarzen Lochs vorübergehend, aber langlebig ist, ist der Unterschied zwischen dem ersten und dem zweiten verschwommen.
Wie groß sind schwarze Löcher?
Sie können sich den Horizont eines Schwarzen Lochs als Kugel vorstellen, und sein Durchmesser ist direkt proportional zur Masse des Schwarzen Lochs. Je mehr Masse in das Schwarze Loch fällt, desto größer wird das Schwarze Loch. Im Vergleich zu Sternobjekten sind Schwarze Löcher jedoch winzig, da die Masse unter dem Einfluss des überwältigenden Gravitationsdrucks zu sehr kleinen Volumina komprimiert wird. Der Radius eines Schwarzen Lochs mit einer Masse des Planeten Erde beträgt beispielsweise nur wenige Millimeter. Dies ist 10.000.000.000 Mal weniger als der gegenwärtige Radius der Erde.
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Der Radius eines Schwarzen Lochs wird nach Karl Schwarzschild als Schwarzschild-Radius bezeichnet, der zuerst Schwarze Löcher als Lösung für Einsteins allgemeine Relativitätstheorie herleitete.
Was passiert am Horizont?
Wenn Sie den Horizont überqueren, passiert nichts Besonderes um Sie herum. Alles wegen Einsteins Äquivalenzprinzip, aus dem folgt, dass man den Unterschied zwischen der Beschleunigung im flachen Raum und dem Gravitationsfeld, das die Krümmung des Raumes erzeugt, nicht finden kann. Ein Beobachter außerhalb des Schwarzen Lochs, der beobachtet, wie jemand anderes hineinfällt, wird jedoch bemerken, dass sich die Person immer langsamer bewegt und sich dem Horizont nähert. Es ist, als würde sich die Zeit langsamer in der Nähe des Ereignishorizonts bewegen als vom Horizont weg. Es wird jedoch einige Zeit vergehen, und der Beobachter, der in das Loch fällt, wird den Ereignishorizont überqueren und sich innerhalb des Schwarzschild-Radius befinden.
Was Sie am Horizont erleben, hängt von den Gezeitenkräften des Gravitationsfeldes ab. Die Gezeitenkräfte am Horizont sind umgekehrt proportional zum Quadrat der Masse des Schwarzen Lochs. Dies bedeutet, dass je größer und massiver das Schwarze Loch ist, desto weniger Kraft. Und wenn nur das Schwarze Loch massiv genug ist, können Sie den Horizont überqueren, bevor Sie überhaupt bemerken, dass etwas passiert. Die Wirkung dieser Gezeitenkräfte wird Sie strecken: Der Fachbegriff, den Physiker dafür verwenden, ist Spaghettifizierung.
In den frühen Tagen der allgemeinen Relativitätstheorie glaubte man, dass sich am Horizont eine Singularität befand, was sich jedoch als nicht zutreffend herausstellte.
Was ist in einem Schwarzen Loch?
Niemand weiß es genau, aber definitiv nicht das Bücherregal. Die allgemeine Relativitätstheorie sagt voraus, dass es in einem Schwarzen Loch eine Singularität gibt, einen Ort, an dem Gezeitenkräfte unendlich groß werden, und wenn Sie den Ereignishorizont überschritten haben, können Sie nur noch in die Singularität gehen. Dementsprechend ist es besser, an diesen Orten keine allgemeine Relativitätstheorie zu verwenden - es funktioniert einfach nicht. Um zu sagen, was in einem Schwarzen Loch passiert, brauchen wir eine Theorie der Quantengravitation. Es ist allgemein anerkannt, dass diese Theorie die Singularität durch etwas anderes ersetzen wird.
Wie bilden sich schwarze Löcher?
Wir kennen derzeit vier verschiedene Arten der Bildung von Schwarzen Löchern. Am besten verstanden ist mit Sternkollaps verbunden. Ein Stern, der groß genug ist, bildet ein Schwarzes Loch, nachdem seine Kernfusion gestoppt wurde, weil alles, was bereits synthetisiert werden konnte, synthetisiert wurde. Wenn der durch die Fusion erzeugte Druck aufhört, beginnt die Materie in Richtung ihres eigenen Gravitationszentrums zu fallen und wird immer dichter. Am Ende wird es so dicht, dass nichts den Gravitationseffekt auf der Oberfläche des Sterns überwinden kann: So entsteht ein Schwarzes Loch. Diese Schwarzen Löcher werden "Schwarze Löcher der Sonnenmasse" genannt und sind die häufigsten.
Die nächste häufig vorkommende Art von Schwarzen Löchern ist das "supermassive Schwarze Loch", das sich in den Zentren vieler Galaxien befindet und eine etwa milliardenfache Masse von solaren Schwarzen Löchern aufweist. Es ist noch nicht genau bekannt, wie sie gebildet werden. Es wird angenommen, dass sie einst als schwarze Löcher mit Sonnenmasse begannen, die in dicht besiedelten galaktischen Zentren viele andere Sterne verzehrten und wuchsen. Sie scheinen jedoch Materie schneller zu absorbieren, als diese einfache Idee nahelegt, und wie genau sie dies tun, ist noch eine Frage der Forschung.
Eine kontroverse Idee waren ursprüngliche Schwarze Löcher, die von fast jeder Masse in großen Dichteschwankungen im frühen Universum gebildet werden konnten. Es ist zwar möglich, aber es ist schwierig, ein Modell zu finden, das sie produziert, ohne sie zu überschaffen.
Schließlich gibt es die sehr spekulative Idee, dass sich am Large Hadron Collider winzige Schwarze Löcher mit Massen bilden könnten, die denen des Higgs-Bosons nahe kommen. Dies funktioniert nur, wenn unser Universum zusätzliche Dimensionen hat. Bisher gab es keine Bestätigung für diese Theorie.
Woher wissen wir, dass es schwarze Löcher gibt?
Wir haben viele Beobachtungsergebnisse für kompakte Objekte mit großen Massen, die kein Licht emittieren. Diese Objekte verschenken sich beispielsweise durch die Anziehungskraft anderer Sterne oder Gaswolken um sie herum. Sie erzeugen auch Gravitationslinsen. Wir wissen, dass diese Objekte keine feste Oberfläche haben. Dies folgt aus Beobachtungen, da Materie, die auf ein Objekt mit einer Oberfläche fällt, mehr Partikel freisetzen sollte als Materie, die durch den Horizont fällt.
Warum hat Hawking letztes Jahr gesagt, dass es keine Schwarzen Löcher gibt?
Er meinte, dass Schwarze Löcher keinen ewigen Ereignishorizont haben, sondern nur einen vorübergehenden scheinbaren Horizont (siehe Absatz 1). Im engeren Sinne wird nur der Ereignishorizont als Schwarzes Loch betrachtet.
Wie emittieren Schwarze Löcher Strahlung?
Schwarze Löcher emittieren Strahlung aufgrund von Quanteneffekten. Es ist wichtig zu beachten, dass dies Quanteneffekte der Materie sind, keine Quanteneffekte der Schwerkraft. Die dynamische Raumzeit eines kollabierenden Schwarzen Lochs verändert die Definition eines Partikels. Wie der Zeitablauf, der neben einem Schwarzen Loch verzerrt ist, ist das Konzept der Teilchen zu stark vom Betrachter abhängig. Insbesondere wenn ein Beobachter, der in ein Schwarzes Loch fällt, denkt, dass er in ein Vakuum fällt, denkt ein Beobachter, der weit vom Schwarzen Loch entfernt ist, dass dies kein Vakuum ist, sondern ein Raum voller Partikel. Es ist die Dehnung der Raumzeit, die diesen Effekt verursacht.
Die von Stephen Hawking erstmals entdeckte Strahlung eines Schwarzen Lochs wird als Hawking-Strahlung bezeichnet. Diese Strahlung hat eine Temperatur, die umgekehrt proportional zur Masse des Schwarzen Lochs ist: Je kleiner das Schwarze Loch, desto höher die Temperatur. Die uns bekannten stellaren und supermassiven Schwarzen Löcher haben Temperaturen, die weit unter der Temperatur des Mikrowellenhintergrunds liegen und daher nicht beobachtet werden.
Was ist ein Informationsparadoxon?
Das Paradoxon des Informationsverlusts wird durch Hawking-Strahlung verursacht. Diese Strahlung ist rein thermisch, dh sie hat nur zufällige Temperatur und bestimmte Eigenschaften. Die Strahlung selbst enthält keine Informationen darüber, wie sich das Schwarze Loch gebildet hat. Wenn ein Schwarzes Loch jedoch Strahlung abgibt, verliert es Masse und zieht sich zusammen. All dies ist völlig unabhängig von der Substanz, die Teil des Schwarzen Lochs wurde oder aus der es gebildet wurde. Es stellt sich heraus, dass man, wenn man nur den endgültigen Verdunstungszustand kennt, nicht sagen kann, woraus das Schwarze Loch entstanden ist. Dieser Prozess ist "irreversibel" - und der Haken ist, dass es in der Quantenmechanik keinen solchen Prozess gibt.
Es stellt sich heraus, dass die Verdampfung eines Schwarzen Lochs nicht mit der uns bekannten Quantentheorie vereinbar ist und etwas dagegen unternommen werden muss. Beseitigen Sie die Inkonsistenz irgendwie. Die meisten Physiker glauben, dass die Lösung darin besteht, dass Hawking-Strahlung irgendwie Informationen enthalten muss.
Was schlägt Hawking vor, um das Informationsparadoxon des Schwarzen Lochs zu lösen?
Die Idee ist, dass Schwarze Löcher eine Möglichkeit haben müssen, Informationen zu speichern, die noch nicht akzeptiert wurden. Informationen werden am Horizont eines Schwarzen Lochs gespeichert und können zu winzigen Verschiebungen von Partikeln in der Hawking-Strahlung führen. In diesen winzigen Verschiebungen kann es Informationen über die eingeschlossene Materie geben. Die genauen Details dieses Prozesses sind derzeit unklar. Wissenschaftler warten auf ein detaillierteres technisches Papier von Stephen Hawking, Malcolm Perry und Andrew Strominger. Sie sagen, dass es Ende September erscheinen wird.
Im Moment sind wir sicher, dass es schwarze Löcher gibt, wir wissen, wo sie sind, wie sie sich bilden und was sie schließlich werden. Aber die Details, wohin die Informationen zu ihnen gehen, stellen immer noch eines der größten Geheimnisse des Universums dar.
Ilya Khel
