Sind schwarze Löcher „mathematisch unmöglich“ und existieren gar nicht? Die kurze Antwort lautet: Nein. Die längere Antwort ist, wie üblich, ein wenig komplizierter. Es geht dabei um eine kürzlich veröffentlichte Arbeit der Physikerin Laura Mersini-Houghton („Backreaction of Hawking Radiation on a Gravitationally Collapsing Star I: Black Holes?“ und „Back-reaction of the Hawking radiation flux on a gravitationally collapsing star II: Fireworks instead of firewalls“) die derzeit die Runde durch die (vorerst noch meistens englischsprachigen) Medien macht: Mersini-Houghton habe nachgewiesen, dass schwarze Löcher nicht existieren können. „Ich bin immer noch schockiert“, wird die Wissenschaftlerin in der Pressemitteilung zitiert, in der auch angemerkt wird, dass diese neue Erkenntnis sogar die heute gültige Urknalltheorie zu Fall bringen könnte.
Das klingt natürlich alles reichlich spektakulär. Aber damit war zu rechnen, denn schwarze Löcher sind nicht nur tatsächlich sehr spektakulär; sie sind auch sehr verwirrend und vermutlich die Himmelskörper, über die am meisten Vorurteile und falsche Vorstellungen im Umlauf sind. Schwarze Löcher sind keine Staubsauger, die alles gnadenlos ansaugen; es sind keine „Portale“ in fremde Welten oder sonst etwas von dem, was man in den gängigen Science-Fiction-Werken sehen können.
Ein schwarzes Loch ist das, was von einem großen Stern am Ende seines Lebens übrig bleibt. Endet die Kernfusion im Kern des Sterns, fällt der nach außen gerichtete Strahlungsdruck weg und der Himmelskörper kollabiert unter seinem eigenen Gewicht. Ist die Masse groß genug, kann keine bekannte Kraft den Kollaps mehr aufhalten und der tote Sternenrest wird immer kleiner und dichter. Irgendwann ist so viel Masse auf so kleinem Raum vereint, dass die Fluchtgeschwindigkeit von seiner Oberfläche die Lichtgeschwindigkeit übersteigt: Dann kann nichts mehr aus seiner Nähe entkommen und aus dem Stern ist ein schwarzes Loch geworden. Die Grenze, hinter der das passiert, wird „Ereignishorizont“ genannt und das, was sich dahinter tatsächlich abspielt ist noch ziemlich unklar. Dem aktuellen Stand des Wissens nach würde die Masse des Sterns immer weiter in sich zusammenfallen, bis sie in einem einzigen Punkt, einer „Singularität“, vereint ist. Den meisten Forschern ist allerdings klar, dass diese mit ziemlicher Sicherheit nicht die Realität darstellt. Dass die Gleichungen bei der Beschreibung eines schwarzen Lochs immer bei einer Singularität enden liegt daran, dass wir noch nicht verstehen, wie man extrem kleine und gleichzeitig extrem massereiche Objekte theoretisch vernünftig beschreiben kann. Sollten wir irgendwann eine passende Theorie der „Quantengravitation“ finden, würden wir vermutlich besser verstehen, was ein schwarzes Loch wirklich ist.
Bis es so weit ist, werden die Dinge weiterhin verwirrend bleiben. Oder vielleicht auch nicht, denn die Arbeit von Laura Mersini-Houghton scheint ja zu zeigen, dass wir uns die Mühe sparen können, eine Beschreibung schwarzer Löcher zu suchen. Wenn es sie nicht geben kann, müssen wir sie auch nicht verstehen… Vereinfacht gesagt geht es darum, dass sie gar nicht erst entstehen können. Mersini-Houghton hat untersucht, wie viel Hawking-Strahlung während des Kollaps eines Sterns zu einem schwarzen Loch entsteht und wie viel seiner Masse dabei verloren geht. Und kommt dabei zu dem Schluss, dass nicht genug übrig bleibt, damit sich ein Ereignishorizont bilden kann. Große Sterne kollabieren also unter ihrem eigenen Gewicht, verlieren bei diesem Kollaps aber gleichzeitig auch so viel Masse, so dass der Stern am Ende quasi einfach „nur“ explodiert, ohne dabei ein schwarzes Loch zu bilden.
Hier erklärt Laura Mersini-Houghton das ganze noch einmal selbst:
Also: Sind schwarze Löcher ab jetzt Vergangenheit? Haben Astronomen und Physiker in den letzten Jahrzehnten nur Phantome erforscht? So einfach ist es leider nicht… Die Diskussion über den Masseverlust entstehender schwarzer Löcher ist nicht neu und wird unter Physikern schon lange geführt. Und es ist eine Diskussion, die nicht so eindeutig ist, wie man es vielleicht denken mag. Da man so wenig über schwarze Löcher weiß und auch nur wenig Beobachtungsdaten zur Verfügung hat, hängt bei den Berechnungen sehr viel von den verwendeten Annahmen und theoretischen Modellen ab. Und genau das ist der Punkt, an dem viele Kollegen von Laura Mersini-Houghton anderer Meinung sind. Physikerin und Bloggerin Sabine Hossenfelder (die selbst auf genau diesem Gebiet arbeitet) hat die Kontroverse schön zusammen gefasst. Sabine hat viel an Mersine-Houghtons Arbeit zu kritisieren; sie weist zum Beispiel darauf hin, dass in den Modellen des kollabierenden Sterns zur Berechnung der Hawking-Strahlung die Temperatur verwendet wurde, die ein schwarzes Loch hätte, aber nicht die, die die Sternmaterie hat. Sie kommt zum Schluss:
„Zusammenfassend kann man sagen, dass die aktuellen Artikel von Mersini-Houghton und Pfeiffer einen Beitrag zu einer jahrzehntealten Diskussion liefern und es ist gut zu sehen, dass dieses Thema mit den heute verfügbaren numerischen Methoden betrachtet wird. Ich bezweifle, dass ihre Behandlung des negativen Energieflusses mit der während des Kollaps zu erwartenden Emissionsrate konsistent ist. Ihre Ergebnisse sind überraschend und stehen in Widerspruch zu vielen früheren Resultaten. Es ist also noch zu früh um zu behaupten, dass schwarze Löcher nicht existieren.“
(„In summary, the recent papers by Mersini-Houghton and Pfeiffer contribute to a discussion that is decades old, and it is good to see the topic being taken up by the numerical power of today. I am skeptic that their treatment of the negative energy flux is consistent with the expected emission rate during collapse. Their results are surprising and in contradiction with many previously found results. It is thus too early to claim that is has been shown black holes don’t exist.“)
Die Erforschung schwarzer Löcher wird in Zukunft sicher noch viele überraschende Ergebnisse bringen. Aber so lange wir noch keine Theorie gefunden haben, mit der sich solche Objekte vernünftig beschreiben lassen, wird es zwangsläufig weiterhin jede Menge Diskussionen und Kontroversen geben. Schwarze Löcher mögen verwirrend sein (und verwirrend bleiben). Aber so schnell werden sie nicht verschwinden…
Off-Topic! Gratulation zu Deinem heute auf spiegel.de veröffentlichten Interview mit Axel Bojanowski. Florian – Du bist eine akzeptierte Größe unter den Wissenschaftsbloggern. Freu Dich und sei stolz! Chapeau!
auch von mir, gratuliere für dein wirklich gelungenes interview! als absoluter laie freue ich mich über jeden neuen artikel von dir und hoffe noch auf viele weitere 🙂
@Ina: “ gratuliere für dein wirklich gelungenes interview!“
Danke fürs Lob. Aber eigentlich war das ein ca 2h dauerndes Gespräch zwischen Axel Bojanowski und mir beim Spiegel in Hamburg; das dann auf diese kurze Version eingedampft worden ist. Für meinen Geschmack sind dadurch einige Aussagen ein bisschen zu verkürzt – aber im großen und ganzen ist es ok…
@Florian#3:
Ist da versehentlich ein falscher Link reingerutscht?
„Ein schwarzes Loch ist das, was von einem großen Stern am Ende seines Lebens übrig bleibt. “
Beziehen sich Mersini-Houghtons Aussagen auch auf
primordiale (wenn es sie denn gibt) und supermassive SL im Zentrum von Galaxien? Wenn ich das richtig verstanden habe, sind die nicht durch einen Sternenkollaps entstanden.
@schlappohr: „Wenn ich das richtig verstanden habe, sind die nicht durch einen Sternenkollaps entstanden.“
Wie die entstanden sind, weiß man noch nicht. Insofern denke ich, dass man da auch keine Aussagen machen kann, wie sie in das aktuelle paper passen.
@Wolfgang: „Aber wie kann Hawkingstrahlung vor dem entstehenden Schwarzen Loch auftreten, wenn der Schwarzschildradius noch “innerhalb” der kollabierenden Sternoberfläche liegt und somit keine virtuellen Teilchenpaare getrennt werden können?“
Da bin ich zuwenig Experte um antworten zu können. Aber ich denke, dass das Bild der virtuellen Teilchenpaare vielleicht nicht ganz aktuell oder hier passend ist. Es geht um etwas, das sich „Backreaction“ nennt. Wie das genau abläuft, kann ich aber auch nciht sagen. Im paper steht: „Particle creation leading to Hawking radiation is produced by the changing gravitational field of the collapsing star. The two main initial conditions in the far past placed on the quantum field from which particles arise, are the Hartle Hawking vacuum and the Unruh vacuum. The former leads to a time symmetric thermal bath of radiation, while the latter to a flux of radiation coming out of the collapsing star. The energy of Hawking radiation in the interior of the collapsing star is negative and equal in magnitude to its value at future infinity. This work investigates the backreaction of Hawking radiation on the interior of a gravitationally collapsing star, in a Hartle-Hawking initial vacuum. It shows that due to the negative energy Hawking radiation in the interior, the collapse of the star stops at a finite radius, before the singularity and the event horizon of a black hole have a chance to form.“
Hallo Florian, mir ist da noch etwas unklar: Frau Mersini-Houghton erklärt ihre Beschreibung durch die Hawking-Strahlung während des Kollapses des Stern zu einem Schwarzen Loch. Bisher dachte ich, die Hawkingstrahlung entsteht erst duch den ausgebildeten Schwarzschildradius, an dessen Grenze ein virtuelles Teilchen verschluckt und das andere freigelassen wird. Duch diesen Prozess verliert ja das Schwarze Loch Energie und verdampft. Aber wie kann Hawkingstrahlung vor dem entstehenden Schwarzen Loch auftreten, wenn der Schwarzschildradius noch „innerhalb“ der kollabierenden Sternoberfläche liegt und somit keine virtuellen Teilchenpaare getrennt werden können?
Florian, ich dachte, die absolute Wahrheit, welche ich auf Facebook gelesen habe ist, dass diese Papers gar keinen Peer-Review-Prozess über sich ergehen lassen haben. Stimmt das? Danke:)
@MrMir: “ ich dachte, die absolute Wahrheit, welche ich auf Facebook gelesen habe ist, dass diese Papers gar keinen Peer-Review-Prozess über sich ergehen lassen haben.“
1) Es gibt keine „absolute Wahrheit“. Und 2): In der theoretischen Physik ist es durchaus üblich, sich den Kram mit den Journals zu sparen und gleich (und oft ausschließlich) bei arXiv zu veröffentlichen und dann eine Art „Open Review“ in der Community zu machen, wo öffentlich in Blogs und anderswo über die papers diskutiert wird. Was in diesem Fall ja auch passiert…
@ Florian
1) eh klar 😉
2) Könnte dann jemand auch ein „Paper“ über die Nutzbarmachung der Freien Raumenergie auf arXiv hochstellen? Oder gibt es da irgenwo irgendwie eine untere Grenze …
@MrMIR: „2) Könnte dann jemand auch ein “Paper” über die Nutzbarmachung der Freien Raumenergie auf arXiv hochstellen? Oder gibt es da irgenwo irgendwie eine untere Grenze …
Es gibt Richtlinien, die man bei arXiv nachlesen kann. Das ist KEINE Uploadseite bei der jeder Kram hochgeladen werden kann sondern eine wissenschaftliche Datenbank.
Ist nicht der Ereignisshorizont auch gleichzeitig die Oberfläche des kollabierenden Sterns, da dort ja die Lichtgeschwindigkeit erreicht wird ist doch dort die Zeitdilletation am grössten oder?
@partikel: Ich habe deine Frage nicht ganz verstanden. Kannst du sie vielleicht noch einmal anders formulieren? Vielleicht wirds mir dann klar.
naja, infolge der Schwehrkraft verlangsamt sich für den aussenstehenden Beobachter der Abstieg der Oberfläche des Kollapsars.Fallgeschwindigkeit müsste im Ereignisshorizont dann ca 300k km/sek² sein (Licht kann ja nicht mehr entkommen) bezieht sich auf die ART.
Den Artikel lese ich mir gleich in Ruhe durch, aber eins schon mal vorweg: Bitte vermeidet automatisch startende Videos!
Da sitzt man nach Feierabend am Rechner, öffnet die interessanten Links im RSS-Feed „auf Vorrat“ … und dann plärrt plötzlich in einem Tab irgendwelche Mucke los.
In meinem fortgeschrittenen Alter kann das schlimme Folgen haben! 🙂
@DerCamper: „Bitte vermeidet automatisch startende Videos!“
Also bei mir startet das Video nicht automatisch…
Und bei mir startet das Video gar nicht: „Error loading media. File could not be played“… Liegt ev. an dem „JWPlayer“, der das abspielen soll!? Keine Ahnung.
Spannende Sache. Bei einer Formulierung wie „mathematisch unmöglich“ muss ich immer an einen Vortrag von Rudolf Mößbauer denken, den ich einmal an der Berliner Urania hören konnte. Dabei erzählte er unter anderem, wie er am Anfang seiner Forscherlaufbahn einen Artikel las, in dem ein Kollege mathematisch „bewiesen“ hat, dass die rückstoßfreie Emission eines Gamma-Quants durch einen Atomkern unmöglich sei. Davon ließ er sich aber nicht abhalten und erhielt bekanntlich für den Nachweis dieses später nach ihm benannten Effekts den Nobelpreis.
@ Partikel
[i]Ist nicht der Ereignisshorizont auch gleichzeitig die Oberfläche des kollabierenden Sterns[/i]
Vielleicht kann ich Dir bei der Beantwortung dieser Frage weiter helfen.
Wenn man annimmt, dass die gelten physikalischen Gesetze auch innerhalb des Ereignishorizontes gelten, dann ist die Fluchtgeschwindigkeit innerhalb des schwarzen Lochs größer als die Lichtgeschwindigkeit.
Das führt dazu, dass Materieteilchen innerhalb es schwarzen Lochs, die „unter“ ihnen liegenden nicht mehr „sehen“, da keine Austauschteilchen für die Kraftübertragung „bergauf“ reichen können. Damit gibt es bis auf die subatomare Ebene keinen stabilen Zustand von Materie mehr. Alles zerlegt sich in seine Elementarteilchen, welche unter den angenommenen Bedingungen praktisch mit Lichtgeschwindigkeit auf das Schwerkraftzentrum zu bewegen. Somit kann es innerhalb eines schwarzen Lochs keinen stabilen Körper geben, wenn man die Problematik rein relativistisch betrachtet.
Der Ereignishorizont, ist somit nur eine von Außen als solche wahrgenommene Grenzfläche. Ein einfliegendes Objekt nimmt diese Grenzfläche nicht wahr … sofern es als Objekt überleben sollte.
Danke fürs raussuchen der betreffenden Textstelle mit der Hawkingstahlung. Muss aber gestehen, dass ich das jetzt so auf Anhieb nicht verstanden habe. Klingt aber beeindruckend 😉
Ereignishorizont und Zeitdilletation… als Laie fühle ich mich grade nach Dr. Who vesetzt 😀
Zum Thema „Wo kommt die Hawkingsstrahlung her“ hab ich letztens in diesem Paper etwas dazu gelesen.
https://www.theory.caltech.edu/people/preskill/talks/blackholes.pdf (Ab Seite 4, „Black Hole Radiance“)
Mal gucken ob ich es vernünftig wiedergeben kann:
Wenn Teilchen/Teilchenpaare entstehen dann dauert es eine Zeit bis sie wieder rekombinieren, abhänig von ihrer Wellenlänge. Je länger die Wellenlänge (also je niedriger die Energie) desto länger können sie überstehen, das passt auch zur Energie/Zeit Unschärfe. Wenn jetzt ein Beobachter mit einem Teilchen interagiert, bevor es rekombiniert, dann kann er keinen Unterschied zwischen echten und virtuellem Teilchen feststellen, er misst nur eine Strahlung. Dieser Effekt tritt überall auf und ist abhänig von der Beschleunigung des „Beobachters“. Bei einer Beschleunigung von 9,81 m/s² liegt die Enerige allerdings nur bei 10^-20 K. In der nähe einens Ereignishorizontes hingegen werden die Beschleunigungen so extrem, das auch hoch energetische Strahlung entsteht.
Was ich jetzt noch nicht verstanden habe ist, warum die Beschleunigung und nicht die relative Geschwindigkeit zum Teilchen eine so große Rolle spielt.
Ich habe einen recht interessanten Link zu Andreas Müller’s Homepage. Da gibt es eine eigene Sektion über Schwarze Löcher..
Schwarze Löcher – Das dunkelste Geheimnis der Gravitation
@Pham
Ich glaube, daß Dein Argument falsch ist. Wenn Du recht hättest, dann könnte man bemerken, ob man den Ereignishorizont schon überschritten hat — man hört ja sofort auf, zu existieren.
Der Knackpunkt ist das Wörtchen sofort im vorigen Satz. Wenn ein solches Wort in einer Diskussion zur RT auftaucht, dann weiß man sofort (!), daß man genauer hinsehen muß. Praktisch alle der bekannten RT-Paradoxien, mit denen Physik-Studis gequält werden, haben damit zu tun, daß „Gleichzeitigkeit” intuitiv aber falsch verwendet wird.
Ich verstehe zwar nicht viel von ART, aber ich vermute, Dein Paradox löst sich so auf: Sobald ein ausgedehnter Körper den Ereignishorizont überschreitet, hat jeder Punkt dieses Körpers keinen kausalen Kontakt mehr zu jenen Punkten, die enger an der Singularität liegen als er selbst. Aber das merkt er nicht, weil die Photonen, die die „tiefer“liegenden Punkte früher ausgesendet haben, immer noch unterwegs sind und dem Hund einen „Phantomschwanz“ vorgaukeln. Die extreme Zeitdilatation macht das möglich.
Aber vermutlich haben die Experten dazu mehr (und Besseres) zu sagen.
@HF#17: ist n nicht flash-eingebettetes .mp4-video; wenn dein player nicht ordentlich als plugin im browser eingebunden ist bzw er innerhalb des browsers nix mit der dateiendung anfangen kann, wirds nicht abgespielt. das schöne ist aber, dasses sich runterladen lässt, der link verweist explizit aufs video (was ja zb bei youtube oder vimeo so nicht der fall ist). also, rechte maustaste, speichern u…ach, was solls, hier isser:
https://iai.tv/assets/videos/linked/HTLGI2014_50_OutofDarkness.mp4
ahja, der kommentar wird wegen dem link moderiert (*kicher*, obwohl der exakt gleiche link im artikel ist), also mal die fassung ohne link:
@HF#17: ist n nicht flash-eingebettetes .mp4-video; wenn dein player nicht ordentlich als plugin im browser eingebunden ist bzw er innerhalb des browsers nix mit der dateiendung anfangen kann, wirds nicht abgespielt. das schöne ist aber, dasses sich runterladen lässt, der link verweist explizit aufs video (was ja zb bei youtube oder vimeo so nicht der fall ist). also, rechte maustaste, „speichern unter“ und externen player anwerfen, voilà.
dafuq? seit wann werd ich auch ohne link moderiert? verschluckt sich mal wieder der spamfilter?
HÄ? der ging…probier ich halt die kurzfassung…
@HF: ist n direktlink aufs .mp4; kann also auch einfach mit rechter maustaste runtergeladen werden wenns im browser nicht läuft.
@Partikel#14:
Ja, von außen gesehen dauert der Kollaps unendlich lange.
Ebenso das Überschreiten des Ereignishorizonts.
Was Deine Frage #12 betrifft:
Nein, es ist nicht das Gleiche:
Wenn ein massereicher Stern an seinem Lebensende kollabiert, entstehen in seinem Inneren ein oder auch mehrere Schwarze Löcher, während es die Sternoberfläche noch gibt( aber nicht mehr lange 😉 ).
Spricht nicht schon die Drehimpulserhaltung gegen eine Singularität im Inneren des schwarzen Lochs? Einfallende Materie würde ihren Drehimpuls in diesem Fall doch verlieren.
@Alex
Weiß nicht genau, wie das gemeint ist, aber es gibt auf jeden Fall schwarze Löcher mit Drehimpuls. Das no-hair theorem besagt ja auch, dass der gravitative Kollaps von Materie im Allgemeinem in einem geladenen, rotierenden schwarzen Loch endet.
@Alex
Bei rotierende Schwarzen Löchern rotiert die gesamte Raumzeit um sie herum mit (Lense-Thirring Effekt). Das tut sie übrigens auch bei der Erde, wie experimentell unter anderem mit der Gravity-Probe-B-Sonde nachgewiesen wurde, aber natürlich erheblich langsamer.
Rotierende Schwarze Löcher enthalten übrigens eine Ringsingularität. Toll, denkt man, da ist die Singularität also ein dünner Ring, der kann ja auch Drehmoment haben. Dieser hat allerdings einen Radius von 0. Nein, verstehe ich auch nicht, steht aber so bei Andreas Müller.
Ich meinte natürlich Drehimpuls, nicht Drehmoment. Wo ist denn die Textvorschau hin??
@Alderamin
Geht mir genau so 😉 Naja… ich bin ja auch nicht der begabteste Mathematikversteher, zumindest nicht auf dem Gebiet.
hallo pham@
ja das was du als These desen was die Gesetze der Physik betrifft sagst mag wohl auch ein Ansatz dafür sein Mathematisch den Schwerpunkt Mittelpunkt zubestimmen,
hallo pham@
ja das was du als These desen was die Gesetze der Physik betrifft sagst mag wohl auch ein Ansatz dafür sein Mathematisch den Schwerpunkt Mittelpunkt zubestimmen,
den hinter einem schwarzen Loch ist das Universum ja nicht zu ende
da meine Tastatur etwas spinnt und ab und an macht was sie will möchte ich noch mal aauf @pham zurück kommen
Da Materie ja nicht verschwindet muss ja ,…selbst wenn die Raum zeit eine rolle spiel ,müssen die gewaltigen massen irgend wo bleiben….außer sie werden in eine andere raum und Zeit katapultiert wie auch immer sollten die allgemeinen physikalischen Gesetze gelten gilt auch die Mathematik und nur die kann das Rätsel lösen
[…] soll, es gäbe nun doch keinen schwarzen Löcher (Habe ich damals eigentlich darüber gebloggt? Hier habe ich über einen ähnlichen Fall geschrieben. Ansonsten empfehle ich euch die entsprechende Folge des “Exposing […]