Schwarze Löcher sind ein Dauerbrenner unter den „Fragen zur Astronomie“ die mir immer wieder gestellt werden. Dass es diese Objekte gibt wissen wir schon länger. Aber darüber hinaus gehören sie zu den Himmelskörpern, bei denen noch viele Fragen zu beantworten sind. Zum Beispiel zu ihrer Entstehung. Heute geht es um die Fragen nach den ganz massereichen schwarzen Löchern: Wie entstehen supermassereiche schwarze Löcher?“
Man unterscheidet bei den schwarzen Löchern grob zwei unterschiedliche Kategorien. Da sind zuerst einmal die stellaren schwarzen Löcher. Die entstehen immer dann, wenn ein sehr massereicher Stern am Ende seines Lebens und nach dem Ende der Kernfusion in seinem Inneren unter seinem eigenen Gewicht kollabiert. Die so entstehenden schwarzen Löcher haben ein Vielfaches der Sonnemasse; die schwersten unter ihnen sind zwei bis drei Dutzend mal schwerer als die Sonne. Diese schwarzen Löcher findet man überall in der Galaxis; überall dort wo man auch Sterne findet.
Es gibt aber auch noch eine andere Art: die supermassereichen schwarzen Löcher. Die gibt es in den Zentren aller großen Galaxien und sie können Millionen bis Milliarden mal schwerer sein als die Sonne. Das, das sich im Zentrum unserer eigenen Milchstraße befindet, hat ungefähr 4 Millionen Sonnenmassen und wir wissen zwar, dass es vorhanden ist aber die Entstehung dieser Objekte ist immer noch unklar.
Ich habe früher schon etwas zur Entstehung dieser Objekte geschrieben und bin am Ende zu dem Schluss gekommen, dass wir noch nicht wissen, was da genau abläuft. Das gilt heute immer noch; ein bisschen mehr haben wir aber in letzter Zeit doch heraus gefunden. Wir wissen, das die supermassereichen schwarzen Löcher nicht aus Sternen entstehen können. So große Sterne kann es nicht geben; ein Stern kann höchstens das etwa 300fache der Sonnenmasse erreichen. Je größer ein Stern ist, desto heißer brennt er und desto stärker ist auch der Druck der Strahlung der aus seinem Inneren entweicht. Noch größere Sterne würden unter der Kraft ihrer eigenen Strahlung auseinander gerissen werden.
Supermassereiche schwarze Löcher können entweder aus kleinen Objekten entstehen und langsam immer größer werden. Wenn zwei schwarze Löcher kollidieren entsteht dabei ein noch größeres schwarzes Loch. Dass solche Kollisionen stattfinden wissen wir, weil wir so etwas letztes Jahr das erste Mal beobachtet haben. In den Zentren der Galaxien stehen die Sterne sehr dicht beieinander und es kann durchaus immer wieder zu Kollisionen zwischen Sternen bzw. schwarzen Löchern kommen. Ob das aber ausreicht um die gigantischen supermassereichen schwarzen Löcher zu erzeugen wissen wir nicht. Vor allem finden wir die schwarzen Löcher auch in sehr jungen Galaxien wo die Zeit für das Wachstum eigentlich nicht gereicht haben kann.
Die andere Möglichkeit bestünde darin, dass die supermassereichen schwarzen Löcher ohne den Umweg über einen Stern entstehen. Riesige Gaswolken von mehreren Millionen bis Milliarden Sonnenmassen könnten direkt unter ihrem eigenen Gewicht kollabieren und gleich zu einem supermassereichen schwarzen Loch werden. Auch das passiert, aber normalerweise entstehen beim Kollaps solcher Gaswolken viele Sterne und die Strahlung dieser Sterne drückt dann quasi nach außen; wirkt also dem Kollaps der Wolke entgegen und verhindert so die Entstehung der supermassereichen schwarzen Löcher.
Ein Anfang März 2017 veröffentlichter Fachartikel („Rapid Formation of Massive Black Holes in close proximity to Embryonic Proto-Galaxies“) zeigt aber nun einen Weg wir das mit dem Kollaps doch klappen könnte. Junge Galaxien enthalten viele junge, stark und hell strahlende Sterne. Wenn sich jetzt eine solche junge Galaxie (A) in der Nähe einer anderen Galaxie (B) befindet in deren Zentrum eine Gaswolke gerade kollabieren will, dann kann folgendes passieren: Die Strahlung der Sterne der Galaxie A sorgt dafür dass in der Galaxie B die Sternentstehung verzögert wird. Die Strahlung heizt die Wolke auf die dann länger braucht um zu fragmentieren, d.h. sich kleinere Wolken aufzuspalten die dann zu Sternen kollabieren. Aber früher oder später würden sich die Wasserstoffatome in der Gaswolke zu Wasserstoffmolekülen verbinden und die braucht es in der Wolke, wenn daraus später ein Stern entstehen soll. Wenn nun aber in Galaxie A auf einen Schlag jede Menge Sterne entstehen; wenn Galaxie A also eine sogenannte Starburst-Galaxie ist, dann gibt es quasi einen „Strahlungsblitz“ der die Entstehung von Wasserstoffmolekülen verhindert bzw. schon vorhandene Moleküle wieder aufspaltet. Die Gaswolke kann nicht fragmentieren; es entstehen keine Sterne und am Ende kollabiert die ganze Wolke zu einem supermassereichen schwarzen Loch.
In den Computersimulationen der Wissenschaftler funktioniert dieser Prozess. Ob er auch in der Realität stattfindet, wissen wir nicht. Noch nicht – aber wenn im nächsten Jahrzehnt die neue Generation der Großteleskope den Betrieb aufnehmen wird, werden wir auch die Möglichkeit haben diese Hypothese durch Beobachtungen zu überprüfen.
Mehr Antworten findet ihr auf der Übersichtsseite zu den Fragen, wo ihr selbst auch Fragen stellen könnt.
Das verstehe ich überhaupt nicht. Die Reaktion zweier Wasserstoffatome zu einem H₂-Molekül ist exotherm (ca. 435 kJ/mol bzw. 4.5 eV), setzt also Energie frei (wäre es anders, dann hättern die H-Atome ja gar keinen Grund, zu H₂ zu reagieren).
Etwas anderes, was ich an dem beschriebenen Modell nicht verstehe: Es scheint vorauszusetzen, daß es Galaxien (bzw. zumindest Wolken mit Sternentstehung) auch ohne supermassives schwarzes Loch im Zentrum geben kann. Ist so etwas je beobachtet worden?
Was spricht eigentlich dagegen, daß die Schwarzen Löcher älter als die Galaxien sind und sich knapp nach dem Urknall aus Quantenfluktuationen gebildet haben?
@Chemiker: „Was spricht eigentlich dagegen, daß die Schwarzen Löcher älter als die Galaxien sind und sich knapp nach dem Urknall aus Quantenfluktuationen gebildet haben?“
Solche schwarzen Löcher hätten die Masse von Elementarteilchen und keine Milliarden Sonnenmassen. MWn ist kein Mechanismus bekannt wie Milliarden Sonnenmassen einfach aus dem Nichts ploppen können 😉
“ Ist so etwas je beobachtet worden? „
Ja, bei kleineren Galaxien. Das Problem ist, dass sich all das in der Frühzeit des Universums abgespielt hat; da gehts um die allererste Generation von Sternen (Pop III) die wir bis jetzt noch nicht beobachtet haben, weil sie so kurzlebig waren.
„Die Reaktion zweier Wasserstoffatome zu einem H₂-Molekül ist exotherm“
Hmm. Da hab ich wohl was durcheinander gebracht mit den Prozessen die in einem prästellaren Kern ablaufen (da braucht es Molküle, die dann aufgespalten werden können und dank der verbrauchten Energie kollabiert der Prästern zum echten Stern).
Danke für die rasche Antwort!
Was ist eigentlich mit Dunkler Materie? Die kann ja prinzipiell nicht durch Strahlung weggedrückt werden.
Sehr interessierter Laie, aber mit dem Thema dieses Blogs weder verwandt noch verschwägert
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Ich hab da mal eine Frage: wenn ein Stern explodiert und dann implodiert (Reihenfolge richtig?) entstehen sehr kleine, aber sehr massereiche Körper. Auch richtig? z.B. entsteht ein Neutronenstern, oder ein Magnetar, oder… gibts noch was vor dem Schwarzen Loch?
Einen Neutronenstern kann ich mir anhand der Beschreibungen, die ich hier in den ScienceBlogs und sonstwo im Netz (Wikipedia) gefunden habe als eine kleine Kugel im All vorstellen mit einer sehr hohen Gravitation, also einem sehr ungesunden „Klima“ für uns Erdlinge. Ähnlich der Magnetar.
Wie aber muss ich mir dann ein Schwarzes Loch, geschweige dann ein „Supermassereichen Schwarzes Loch“ vorstellen? Ein „Loch“ im Universum kann es ja wohl nicht sein. Also auch eine „Kugel“? Eine Kugel von, z.B. 10 km Durchmesser für ein Schwarzes Loch und 15km Durchmesser für ein Supermassereichen Schwarzes Loch? (So in einem Wikipedia Artikel zm Thema Neutronenstern gesehen, bei dem ein Neutronenstern mit 20 km angegeben wurde.)
Die Frage die sich dann anschließt: wenn auch ein Schwarzes Loch eigentlich nichts anderes ist als eine Materiekugel, wenn auch eine ganz besondere, wie kommen die Astrophysiker dann auf die Idee dass dort ein „Wurmloch“ entstehen könnte, ein „Tunnel“ in eine andere Raumzeit? Denn sowohl das „loch“ hinter dem Wurm, als auch der „Tunnel“ setzen meiner Meinung nach voraus das dort NICHTS ist, auch keine noch so kleine seltsame Kugel.
Grüße aus den schönen Rheinland
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PS sollte die Frage nicht in diesen Blog passen, bitte kurze Info wo ich sie unterbringen kann. Danke 🙂
Kann man aus den Daten der kosmischen Hintergrundstrahlung völlig sicher ausschließen, daß die Supermassiven Schwarzen Löcher von Anfang an da waren? Daß sie also auch den Urknall überlebt haben?
@Till
Zur Zeit stellt es sich so dar, dass die dunkle Materie erstmal als „ideales Gas“ aufgefasst wird. Das heißt, dass es keine irgendwie geartete dunkle Wechselwirkung zwischen den Teilchen gibt. Falls doch, könnte sie auch kollabieren und das Resultat wären Objekte mit einer Dichte, welche an die von Neutronensternen rankommt. Keine schwarze Löcher also.
https://arxiv.org/abs/1704.07286
@rauskucker
Man kann wohl nicht ausschließen, dass überhaupt Schwarze Löcher beim Urknall (nicht davor!) entstanden, aber die supermassiven sieht man gewissermaßen beim Wachsen, wenn man Quasare beobachtet; das sind punktförmige Strahlungsquellen in sehr großer Entfernung, die mittlerweile als Supermassive Schwarze Löcher erkannt sind, die sich gerade sehr viel Material einverleiben und deren Akkretionsscheiben deswegen so hell sind, dass sie die umgebende Galaxie überstrahlen, so dass sie unsichtbar bleibt.
Es wird aber diskutiert, dass beim Urknall Schwarze Löcher von mittlerer Größe entstanden sein könnten, weil man z.B. beim ersten Nachweis von Gravitationswellen durch LIGO überrascht war, dass dort zwei so massive Schwarze Löcher miteinander verschmolzen sind, in einem Massenbereich, den man für Stellare Schwarze Löcher eigentlich ausschließt. Diese Erklärung ist sogar im Gespräch für die Dunkle Materie. Allerdings hät man sie nicht für sonderlich wahrscheinlich.
Die Möglichkeit, dass die Supermassiven Schwarzen Löcher aus der Vereinigung primordialer, mittelschwerer Schwarzer Löcher hervorgingen, ist jedoch nicht auszuschließen.
Das (laut einem Artikel im Januar-2017-Heft von Sky&Telescope) unter den Experten beliebteste Szenario ist aber, dass im jungen Universum aus dem noch reinen, ursprünglichen Wasserstoff-Helium-Gas Riesensterne von mehreren 100 Sonnenmassen entstehen konnten (was aus dem heute mit schweren Elementen verunreinigten Gas nicht mehr möglich ist), die alsbald zu Schwarzen Löchern kollabierten, welche sich dann im Kern von Galaxien zu Supermassiven Schwarzen Löchern vereinigten.
Das „direct-collapse“ Szenario wird hingegen für recht unwahrscheinlich gehalten: „It’s the opposite of Occam’s razor“, wird die Astrophysikerin Marta Volonteri im Artikel zitiert und weiter: „It’s such a series of events to occur all at the same time that I’m like, ‚Seriously?‘ I’m a scientist!“ Wenn, wie oben erklärt, eine zweite Galaxie nötig ist, um in einer Galaxie ein Supermassives Schwarzes Loch entstehen zu lassen, ist es nicht besonders plausibel, dass man in praktisch jeder heutigen Galaxie eines findet.
Außerdem schlucken Schwarze Löcher nur einen kleinen Teil der einfallenden Masse, das meiste (ca. 90%) wird per Jets entlang der Rotationsachse der Akkretionsscheibe wieder nach außen befördert und die Strahlung der Akkretionsscheibe selbst bremst den Einfall von Material (sogen. „Eddington-Limit“ für die maximale Einfallsrate), so dass ein Wachstum eines Schwarzen Lochs von Milliarden Sonnenmassen gar nicht in der kurzen, beobachteten Zeit von ein paar hundert Millionen Jahren möglich erscheint. Die Fragmentierung von Gas in Wolken, die über Riesensterne zu Schwarzen Löchern werden, welche danach verschmelzen, scheint wesentlich effizienter zu sein.
@Alderamin
Gibt es eigentlich neuere Erkenntnise bzgl. der Koevelution früher Schwarzer Löcher und Galaxien?
@Rolf L.
Ich versuche das mal Anhand der Raumzeitkrümmung zu erklären. Aus meiner Sicht ist das die verständlichste Erklärung.
Masse krümmt die sie umgebende Raumzeit. Bei einem führt die Krümmung dazu, dass ein Körper scheinbar zum Mittelpunkt der Erde hin beschleunigt wird, was man auch sehr gut an fallenden Gegenständen sehen kann. Dabei ist die Krümmung direkt an der Oberfläche am stärksten und nimmt nach innen ab bis sie im Mittelpunkt nicht mehr vorhanden ist. Könnte man also in den Kern der Erde klettern, so würde man dort schweben. Dass wir selbst uns nicht auf den Erdkern zu bewegen liegt (wie jedem klar sein sollte) am uns nach außen drückenden Boden unter unseren Füßen. Dieser Druck entsteht durch die Abstoßung der Atome und beschleunigt uns (von einem frei fallenden Körper aus gesehen) nach außen.
Bei Sternen ist das im Prinzip nicht anders, nur dass durch die höhere Masse auch die Krümmung stärker ist und die Abstoßung der Atome alleine nicht mehr für den nötigen Druck nach außen reichen würde. Hier greift zusätzlich der Strahlungsdruck, zumindest solange bis der Fusionsbrennstoff im Kern aufgebraucht ist. Beim anschließenden Kollaps konzentriert sich die Materie auf ein kleineres Volumen was zu einer stärkeren Krümmung führt. Diesem wirkt bei weißen Zwergen der deutlich stärkere Entartungsdruck der Elektronen bzw. bei Neutronensternen der noch stärkere Entartungsdruck der Neutronen entgegen.
Bei schwarzen Löchern ist die Masse und daher auch die Krümmung allerdings so hoch, dass keiner dieser Effekte reicht, um den nötigen Druck aufzubauen. Daher komprimiert sich die Materie immer weiter, die Raumzeitkrümmung nimmt immer weiter zu und theoretisch geht das solange, bis die gesamte Materie in einem einzigen unendlich dichten Punkt konzentriert ist. (Während bei der Erde die Krümmung des Raums gegenüber der Zeitkrümmung dominiert, wird beim SL die Zeit so stark verzehrt, dass von außen gesehen der Kollaps extrem (unendlich?) lange dauert).
Allerdings hat diese Theorie einen Haken. Die unendlichen Werte beim schwarzen Loch machen Probleme und lassen sich zum Beispiel nicht ohne weiteres mit den uns bekannten Gesetzen der Quantenphysik vereinen. Was bedeutet, dass es hier weitere Gesetzmäßigkeiten geben muss, die wir noch nicht kennen oder nicht vollständig verstanden haben. Und das ist der Grund für die vielen Spekulationen und Thesen wie Wurmlöcher etc.
Ich hoffe, ich hab hier nichts Falsches geschrieben und auch nicht zu viel weg gelassen.
@tomtoo
Laut einem Artikel in Sky&Telescope vom Februar gibt es vier mögliche Szenarien:
1. die Supermassiven Schwarzen Löcher (SSL) heizen mit ihrer Strahlung und ihren Jets das Gas in der Galaxie auf; heißes Gas kollabiert nicht gut und so behindern die SSLs die Sternentstehung. Das nahm man früher so an, erklärt auch, warum elliptische Riesengalaxien mit den größten SSLs kein Gas enthalten (wurde letztendlich vom Schwarzen Loch weggeblasen und war dabei zu schnell, um wieder in die Galaxie zurück zu fallen), aber demnach müssten Spiralgalaxien eigentlich massivere SSLs enthalten, als man beobachtet.
2. Die SSLs wuchsen durch Vereinigung von Galaxien – wenn schon ein lineares Verhältnis zwischen der Masse einer Galaxie und ihres SSLs besteht, dann bliebe es so auch in verschmolzenen Galaxien enthalten, wenn die SSLs ebenfalls verschmölzen, aber woher die lineare Beziehung ursrpünglich stammt, wird so nicht erklärt.
3. Eigentlich ist es widersinnig, dass etwas im Vergleich zu einer Galaxie so winziges wie ein SSL die Galaxie beeinflussen kann, es könnte genau umgekehrt sein, dass das Wachstum der Galaxie dasjenige des SSLs steuert. Wenn zwei Galaxien kollidieren und durch die Kollision der Gaswolken neue Sterne entstehen, dauert es rund 250 Millionen Jahre, bis die SSLs Aktivität zeigen, das ist in etwa der Zeitraum, den neu entstandene massive blaue, heiße Sterne lang das Gas aufheizen und am weiteren Kollabieren hindern können, so dass es die SSLs nicht erreicht. Auf diese Weise könnte die Sternenstehung den Gaseinfall in das SSL bei der Galaxienentstehung gebremst haben.
4. Es könnte aber auch einfach sein, dass Galaxien und SSLs vergleichbar schnell wachsen, weil sie beide aus dem gleichen Gasreservoir gespeist werden. So wurde gefunden, dass Galaxien, deren SSLs noch Gas einsammelten, typischerweise nur 1/10 so massive SSLs im Vergleich zur Masse der Sterne in den Galaxien haben, wie SSLs, die das nicht mehr tun. Hier sind also Wachstum der Galaxie und des SSLs zeitlich entkoppelt.
Insgesamt zeigte sich auch, dass die Beziehung (übrigens M-Sigma genannt) zwischen der Masse der Galaxie und ihres SSLs nicht so eindeutig ist, wie fürher angenommen, es gibt da eine Menge Abweichler, und man weiß noch zu wenig über die Beziehung in fernen, lichtschwachen Zwerggalaxien – man sieht halt die großen aktiven Galaxien am besten, aber die müssen nicht repräsentativ sein.
Fazit: nichts genaues weiß man noch nicht. WRINT-Holgi würde sagen: die Wissenschaft braucht mehr Daten.
@Rolf L.
Der Kern des Sterns kollabiert zum kompakten Objekt und die Hülle des Sterns explodiert danach. Beispielsweise kann die Stoßwelle des beim Aufrpall auf den entstandenen Neutronenstern einfallenden Materials diesem entgegenlaufen und es zur Fusion bringen. Wie es bei einem entstehenden Schwarzen Loch abläuft, weiß ich nicht genau, vielleicht entsteht da zuerst ein Neutronenstern, der die Supernova auslöst, und dann erst das Schwarze Loch, oder der Jet des SL stößt in den umgebenden Stern und löst die Supernova aus.
Magnetare sind Neutronensterne mit besonders starken Magnetfeldern. Zwischen Neutronenstern und Schwarzem Loch könnte es noch „Quarksterne“ (in denen die Quarks nicht mehr zu Neutronen gruppiert sind) oder „Strange Stars“ (die neben den üblichen up- und down- auch strange-Quarks enthalten) sowie Mischformen derselben (mit Schichtungen dieser Formen) geben. Im Prinzip sind das hypothetische Sonderformen von Neutronensternen.
Wie Joselb oben erklärt, ist ein Schwarzes Loch theoretisch eine punktförmige Masse (oder ein Ring, wenn es rotiert, was alle realistischen SLs tun werden). Allerdings verbirgt sich diese sogenannte „Singularität“ hinter einem „Ereignishorizont“, wo die Schwerkraft bereits so groß ist, dass kein Licht ihr mehr entkommen kann. Deshalb bleibt die Singularität, falls es sie wirklich gibt, unsichtbar und verborgen (die Allgemeine Relativitätstheorie sagt Singularitäten voraus, aber die Quantentheorie liefert für diesen Fall unsinnige Ergebnisse).
Der Schwarzschildradius ist der Halbmesser des Ereignishorizonts. Er wächst linear mit der Masse des SLs. Für eine Sonnenmasse beträgt er knapp 3 km. Ein typisches SL von 10 Sonnenmassen hätte also rund 30 km Radius. Das Supermassive SL im Zentrum der Milchstraße (Sagittarius A*) hat 4 Millionen Sonnenmassen und somit 12 Millionen km Radius, das ist schon 1/3 des Radius der Merkurbahn. Und das Schwarze Loch im Zentrum der Galaxie Messier 87 (das neulich neben Sag. A* und drei anderen mit dem Event-Horizon-Telescope aufegenommen wurde; die Bilder werden erst im kommenden Jahr erwartet) hat rund 6,6 Milliarden Sonnenmassen und damit einen Schwarzschildradius von 130 Astronomischen Einheiten, das ist mehr als viermal der Bahnradius des Planeten Neptun!
Ist es ja nicht, im Prinzip ist es ein Trichter in der Raumzeit, der sich in einem gewissen Radius um eine möglicherweise punkt- oder ringfömige Masse formt. Wenn zwei solche Trichter mit den schmalen Enden verbunden würden, hätte man ein Wurmloch.
Allerdings geht m.E. niemand davon aus, dass ein gewöhnliches SL ein Wurmloch an einen anderen Ort ausbilden würde, sondern sind vielmehr Wurmlöcher durch die Allgemeine Relativitätstheorie ebenso wie Schwarze Löcher gedeckt, aber als instabile Lösung, die nur mit viel Aufwand aufrecht erhalten werden könnte, wenn überhaupt. Ihre reale Existenz ist höchst hypothetisch.
@Rolf L.
Ich sehe die Sache ähnlich wie Alderamin (aber nicht exakt genauso, will mich da aber jetzt nicht streiten).
Bei einem Neutronenstern gibt es immer noch eine Oberfläche, die einfallende Materie stoppt, so dass sie nicht weiter fällt. Man sieht also einen Aufprall.
Ein schwarzes Loch dagegen hat einen Ereignishorizont. Materie, die den Ereignishorizont erreicht, fällt aber immer noch. Und ein Beobachter im Vakuum außerhalb des schwarzen Lochs kann nicht mehr beobachten, was mit der Materie innerhalb des Ereignishorizonts passiert, obwohl diese Materie weiter existiert.
Was der Beobachter sieht, sind die Signale, die die Materie vor der Überquerung des Ereignishorizonts abgegeben hat. Wenn die Materie dem Ereignishorizont sehr nah ist, brauchen die Signale immer länger, um beim Beobachter anzukommen, und vom Ereignishorizont selbst würde das Signal unendliche Zeit bis zum Beobachter brauchen. Die eigentliche Überschreitung des Ereignishorizonts bleibt also unbeobachtbar.
@ # 10, 12 + 13 Vielen Dank für eure schnellen, und vor allem ausführlichen Antworten. Da hab ich was zu knabbern, ehe ich das so ziemlich verstanden habe.
Obwohl, verstehen werde ich es wohl nie. Habt ihr das wirklich alles verstanden?
Und die Frage, die sich bei mir angeschlossen hätte, hat sich wohl damit erübrigt: aus was besteht eine „Schwarzes Loch Kugel“? Wenn ein Neutronenstern im äußeren Bereich aus Elektronen und Neutronen besteht, und im inneren aus so seltsamen Sachen wie „Neutron-Proton-Fermiflüssigkeit“ und noch weiter innen vielleicht aus „Quark Gluon Plasma“ (Wikipedia), (was zum Teufel das auch immer sein soll) was passier damit? Lässt sich diese Art von Materie immer weiter verdichten, bis auf punktgröße?
Oder gibt es das vllt. was das wir noch nicht kennen? Oder löst sich die ganze Materie in Energie auf?
Ihr merkt, ich bin wirklich kein Physiker und kann mir einfach nicht vorstellen, dass millionen- oder milliardenfache Sonnenmassen einfach verschwinden und nichts übrigbleibt als eine gewaltige punktförmige Gravitationsquelle im All 🙁
Kann dieser Punkt eigentlich auch wieder wachsen? Soweit wachsen dass er in den Meter- oder gar Kilometerbereich (Durchmesser) kommt? Und was passiert dann damit ?
Puuh, Schluss für heute, muss weiter tapezieren, die Gattin wartet … 🙂
Grüße aus dem schönen Rheinland
Wenn jemand wüsste, und zumindest schlüssig darlegen (wenn schon nicht beweisen), ob es so einen Punkt gibt. Und wenn, wie er sich verhält.
Derjenige könnte sich ohne Umwege direkt auf den Weg nach Stockholm begeben. Der nächste Nobelpreis wäre ihm sicher.
Alles was sich hinter dem EH abspielt ist eigentlich nicht einmal mehr graue Theorie, weil es voraussichtlich auch in weiter Zukunft nicht durch Experimente überprüfbar sein wird.
@Rolf L.
Im wesentlichen aus leerer, gekrümmter Raumzeit. Aus dem, was zwischen Erde und Mond ist (wenn man die Satelliten wegnimmt). Das ist auch gekrümmte Raumzeit. Nur nicht so stark gekrümmte.
Mit diesen Begriffen kenne ich mich auch nicht aus, aber im Prinzip ist eine Flüssigkeit ein Stoff, in dem die Teilchen mehr oder weniger frei beweglich mit enger Packungsdichte aneinander vorbeigleiten, im Gegensatz zu einem Feststoff (mit nicht beweglichen Teilchen) oder einem Gas (mit nicht dicht gepackten Teilchen). Was jetzt genau die Quanteneigenschaften einer Fermi-Flüssigkeit ausmacht (Supraflüssigkeit? Supraleitung?) weiß ich auch nicht. Aber jedenfalls fließen die Protonen und Neutronen da offenbar an einander vorbei.
Soviel ich verstehe ist ein Quark-Gluon-Plasma ein heißes Gas, in dem Quarks und Gluonen sich frei bewegen können. Normalerweise sind Quarks immer an ein oder mehrere andere Quarks gebunden, indem sie Gluonen austauschen. Wenn man zwei Quarks auseinander ziehen will, wird die nötige Kraft mit zunehmendem Abstand so groß, dass aus der aufgewendeten Energie schließlich zwei neue Quarks entstehen, die das Auseinanderreissen letzlich ermöglichen, nur hat man dann wieder zwei Quark-Paare. In einem Quark-Gluonen-Plasma ist wohl die Energie so hoch, dass die Quarks keine stabilen Bindungen eingehen, sondern sogleich wieder auseinander gerissen werden. Somit gibt’s keine stabilen Protonen und Neutronen, die es in der Neutron-Proton-Fermiflüssigkeit noch gibt, sondern die Quarks schwirren quasi-frei gemischt mit ihren Gluonen wie in einem Plasma (Gas, in dem Elektronen und Atomkerne getrennt sind) umher. So würde ich das verstehen.
Wenn die Kraft groß genug ist, prinzipiell schon. Diese Teilchen sind ja keine Billiardkugeln, sondern Anregungszustände von Kraftfeldern, unsere gewohnten Begriffe von Festkörpern verlieren im Allerkleinsten ihre Bedeutung. Allerdings mag ein Quantenteilchen nicht auf ein unendlich kleines Volumen gequetscht werden, weil es dann unendlich hohe Energie erhält – die Heisenbergsche Unschärferelation besagt, dass wir nicht Ort und Impuls eines Teilchens gleichzeitig messen können, und das widerspricht einer punktförmigen Singularität. Deswegen klafft da noch eine Verständnislücke, die z.B. die Stringtheorie mit ausgedehnten Elementarteilchen (eben Strings) oder die Schleifen-Quantengravitation mit gequantelter Raumzeit (und somit einem Minimalvolumen > 0) zu füllen versucht.
Aber jedenfalls – wenn die Gravitation stärker als jede uns bekannte abstoßende Grundkraft wird, dann wird die Materie immer weiter komprimiert, immer heißer und am Ende gibt’s dann keine Protonen und Neutronen und auch keine Quarks mehr. Es sei denn, eine noch unbekannte Kraft gebietet dem irgendwann Einhalt. Das passiert dann aber schon innerhalb eines Ereignishorizonts, durch den wir nicht schauen können (wenn’s keine nackten Singularitäten gibt).
So in der Art wird das sein. Im frühen Universum gab es in den gängigen Erklärungen vor den Quarks auch nur Strahlung. Vielleicht geht das Vakuum in einen Zustand mit höherer Energiedichte über, wie man es für die kosmische Inflationsphase des Universums vor der Entstehung der Materie annimmt. Vielleicht entsteht aus einem Schwarzen Loch gar ein neues Universum mit seinem eigenen Raum, der unserem Universum durch den Ereignishorizont sicher verborgen bleibt, mal so weitergesponnen. Das kann noch niemand beantworten.
Nicht direkt, aber Schwarze Löcher zerfallen irgendwann durch Hawking-Strahlung. Wenn Herr Hawking recht hat, strahlt ein Schwarzes Loch eine winzige Strahlungsmenge ab, die am Ereignishorizont entsteht und ihm Masse raubt. Umso mehr, je stärker die Raumkrümmung ist (und sie ist bei kleinen Schwarzen Löchern stärker als bei großen). Nach einer seeeehr langen Zeit von 10^70 bis über 10^100 Jahre bleibt dann von einem stellaren bzw. einem supermassiven Schwarzen Loch nichts mehr übrig, es verschwindet mit einem großen Knall. Was verbleibt, ist die Hawking-Strahlung, die genau der Masse des ursprünglichen Schwarzen Lochs entspricht.
@Alderamin
Eine winzige Korrektur zur Hawking-Strahlung: Sabine Hossenfelder (Physikerin mit Spezialgebiet Relativität und Schwarze Löcher) hat neulich darauf hingewiesen, dass Hawking-Strahlung nicht konzentriert am Ereignishorizont entsteht, sondern gewissermaßen verschmiert im Gravitationsfeld, wobei die Wahrscheinlichkeit dort höher ist, wo die Krümmung stärker ist. (Theoretisch wäre nicht mal das schwarze Loch notwendig, aber eigentlich ist nur dort die Krümmung stark genug, um jemals einen messbaren Masseverlust zu verursachen)
Sie hat deshalb darauf hingewiesen, weil Leute nämlich regelmäßig versuchen würden, auszurechnen, was für Bedingungen am Entstehungsort der Hawking-Strahlung herrschen, und sie kämen zu sehr unterschiedlichen Ergebnissen: bei korrekter „verschmierter“ Entstehung wäre die Strahlung lokal niedrigenergetisch, bei Konzentration am Ereignishorizont dagegen lokal extrem hochenergetisch (und würde alles zerstrahlen, was dorthin käme, bevor es den Ereignishorizont überschreiten könnte).
Naja, so einfach ist das nicht. Gibt ja die Theorie der „supermassive stars“. Also dass die allerersten Sterne 100.000 Sonnenmassen hatten. Das war möglich weil sie keine Metallizität hatten, die Gaswolken daher nicht fragmentierten, was auch bedeutet, sie hatten kaum einen Sternenwind, keine Pulsationsinstabilitäten und durch schnelle Rotation auch keinen Gravitationskollaps.
Meines Wissens ist die Theorie gut im Rennen mit anderen. Vor allem kann sie sehr gut die sehr rasche Entstehung supermassiver Schwarzer Löcher erklären.Nur eine Auswahl an Arbeiten:
https://arxiv.org/abs/1308.4457v2
https://arxiv.org/abs/1305.5923v1
@Ambivalent
Danke. Ich hab‘ ja schon in meiner Erklärung die virtuellen Teilchen mit negativer Masse, die ins SL fallen, vermieden, weil’s populär aber physikalischer Unsinn ist, aber dass die Strahlung von überall her im Schwerefeld kommt, war mir neu.
Der Ereignishorizont ist ja auch nicht wirklich eine feste Grenze – er liegt für einen bewegten Beobachter woanders als für einen in der Ferne ruhenden. Wenn man auf das SL zufällt, weicht der EH vor einem zurück und schrumpft, man erreicht ihn nie. Es kann einen immer noch Licht von voraus erreichen, nur erreicht dieses Licht nicht mehr den ruhenden, entfernten Beobachter (oder einen Beobachter, der mit gewissem Abstand hinter einem her fällt).
@AmbiValent: Heißt das, es gibt doch kein Feuerwand-Paradoxon oder ist das nochmal was anderes?
@Alderamin: Also 1. halte ich die Erklärung für falsch (wo bitte steht sowas? Ganz im Gegenteil, mit Überschreitten des Horizont bewegt sich alles auf die Singluarität zu, auch alle eventuellen elektrischen Impulse eines Gehirn eines möglichen Beobachters, wie Rechnungen schön zeigen).
2. Ist hier die Rede von statischen Schwarzen Löcher. Die es nicht gibt. Bei Kerr-Löcher ist es weit komplexer. Hier zwingt einen das frame draggibg zur Rotation und das so schnell wie das Kerr-Loch rotiert, also >90 % c und fällt dabei auf die Singluarität zu. Nur auch das ist kompliziert, weil – so die Berechnungen – sich fundamentale Änderungen der Artigkeit der Raum und Zeitdimension ergeben.
@Boombox
Bei dem,was ich beschrieben hatte, ging es um entweichende, also theoretisch beobachtbare Hawking-Strahlung. Beim Feuerwand-Paradoxon dagegen wäre die Strahlung für einen Beobachter außerhalb nicht beobachtbar.
@Stefan
Z.B. hier (2. Absatz).
Oder dort.
Aus der Sicht eines fallenden Beobachters sieht das ganze anders aus als aus der Sicht eines ruhenden. Überall findet man die Aussage, dass man als fallender Beobachter beim Überschreiten des Ereignishorizont nichts besonderes bemerke (außer Verzerrungen der Umgebung, aber die gibt’s auch schon vorher). Man sieht auch noch seine Füße, wenn man mit denen voran den Ereignishorizont überschreitet (was bei einem supermassiven Schwarzen Loch noch vor der Spaghettifizierung möglich wäre)..
(Noch vor dem Abschicken wieder gelöscht, weil mir ja doch keiner glauben würde)
@AmbiValent: Danke, dass die Strahlung beim Feuerwand-Paradoxon von außen nicht sichtbar ist, war mir bisher nicht klar.
@Alderamin: Vielleicht ist das kein Widerspruch zu dem, was du schreibst und/oder ich habe irgendwas missverstanden oder es ist inzwischen überholt, aber ich habe mal eine Simulation gesehen, in der sich der Ereignishorizont aus Sicht eines nähernden Beobachters durch die Raumzeitkrümmung quasi um ihn herumstülpt, bis nur noch ein kleiner Lichtpunkt hinter dem Beobachter zu sehen ist (der dann schließlich auch verschwindet).
@Boombox
Es gibt einen inneren und einen äußeren Horizont, die sich für den fallenden Beobachter beim Durchschreiten des Ereginishorizonts aufspalten; der äußere stülpt sich nach hinten um den Beobachter.
Auf dieser Seite gibt’s ein paar Videos und zugehörige Erklärungen, wie das ganze dann aussehen würde.
Schön auch das Wasserfallmodell. Seit ich das gelesen habe, bilde ich mir ein, halbwegs nachvollziehen zu können, was beim Durchschreiten des Ereignishorizonts, aber auch bei der Expansion des Universums abläuft. Da habe ich das ursprünglich her.
@Alderamin: Danke, die Seiten werde ich mir mal ansehen.
> #26 Alderamin, 3. Mai 2017
> Schön auch das Wasserfallmodell. Seit ich das gelesen habe, bilde ich mir ein, halbwegs nachvollziehen zu können, was beim Durchschreiten des Ereignishorizonts abläuft.
Da läuft nichts mehr ab, denn die Zeit steht still:
https://www.wissenschaft.de/archiv/-/journal_content/56/12054/1629074/Wenn-die-Zeit-still-steht/
> #17 AmbiValent, 2. Mai 2017
>Sabine Hossenfelder (Physikerin mit Spezialgebiet Relativität und Schwarze Löcher) hat neulich darauf hingewiesen.
Wenn schon Sabine, dann:
So that’s the other reason why physicists worry so much about the black hole information loss problem: Because it’s speculation unconstrained by data, it’s easy to write papers about it, and there are so many people working on it that citations aren’t hard to come by either.
https://backreaction.blogspot.de/2017/04/dear-dr-b-why-do-physicist-worry-so.html
@Karl Mistelberger:
„Da läuft nichts mehr ab, denn die Zeit steht still“
Eben nur für einen weit entfernten Beobachter, nicht für einen, der gerade selbst ins Schwarze Loch fällt, Stichwort Relativität der Zeit.
@ Alderamin: Simulation auf vereinfachte Formeln. Stand auch deswegen nicnht unberechtigt unter Kritik.
Und wie schon geschrieben, nette Spielerei mit statischen Schwarzen Löchern die es nicht gibt. Und wenn die Gezeitenkräfte klein genug sind, merkt ein fallender Beobachter nichts – bei einem statischen Schwarzen Loch (!). Alle Objekte werden gezwungen zu rotieren, sobald sie die Ergosphäre überschreiten. Die Raumzeit rotiert dann selbst so wie das Schwarze Loch. Selbst mit c ist kein statisches Zustand mehr möglich und rotiert und fällt dabei gezwungen auf die Singularität. Was nun für einen fallenden Beobachter für ein Eindruck entsteht, ist höchst spekulativ, dafür reicht kein Supercomputer das zu berechnen – selbst wenn man die Quantenphysik beiseite lässt.
@Alderamin #11
Vielen Dank für die ausführliche Info.
Ich komm einfach von dem Gedanken nicht los das die MBH’s irgentwie mit der Entstehung und oder Entwicklung von Galaxien zu tun haben. Naja mal abwarten.
vs.
Merkste wat, Karl Mistelberger?
Zusätzlich frage ich mich, wie du auf diese steile Behauptung kommst, daß in einem SL keine Zeit verginge. Das steht in dem von dir verlinkten Artikel nämlich mit keinem Sterbenswörtchen drin. Schon blöd, wa?
Die englische Wikipedia ist etwas ausführlicher als die deutsche zum Thema Horizonte:
Anscheinend werden verschiedene Arten von Horizonten oft als „event horizon“ bezeichnet, darum hat die „offizielle Grenze“ des Schwarzen Lochs zusätzlich den Namen „absolute horizon“. Dieser ist die Grenze zwischen Orten, von denen Licht oder Information ins Unendliche entweichen kann oder nicht kann.
Innerhalb dieses „absolute horizon“ ist noch Bewegung nach außen möglich, aber die Raumzeit wird aufgrund des Gravitationskollaps schneller gedehnt, als dass ein nach außen gehendes Signal eine bestimmte Maximalentfernung vom Zentrum überschreiten kann.
Im Beispiel von Alderamin oben besteht der „aufgespaltene Horizont“ einmal aus dem „absolute horizon“ des gesamten Objekts – den der fallende Beobachter überschreitet – und gewissermaßen dem Horizont der vom Beobachter weiter innen liegenden Teile des Objekts.
An anderer Horizont ist der „apparent horizon“. Dieser trennt Gebiete, in denen noch Bewegung nach außen möglich ist, von denen, in denen jede Bewegung nach innen geht. In vielen populären Darstellungen werden „apparent“ und „absolute horizon“ gleichgesetzt, tatsächlich wäre dies nur in einen extremen Spezialfall korrekt.
Wenn man nicht genau sagt, in welchem Kontext oder Koordinatensystem eine Aussage geschieht, geht man schnell in die Irre.
In einer flachen, massefreien Raumzeit wären die Aussagen basierend auf den Beobachtungen eines frei fallenden Beobachters A, eines ortsfesten Beobachters B und die mathematische Beschreibung des Standardkoordinatensystems dieselben. Durch Masse ändert sich das, und bei einem Schwarzen Loch sogar extrem.
Angenommen, A überschreitet den „absolute horizon“. Dann nimmt A selber aufgrund des Einsteinschen Äquivalenzprinzips nichts wahr, höchstens Gezeitenkräfte. Die Zeit scheint normal weiterzulaufen.
B dagegen sieht A dem „absolute horizon“ immer näher kommen, aber sieht nie die Überschreitung des Horizonts, nur in immer stärkerer Verlangsamung die Momente davor.
Für das Standardkoodinatensystem ist die Raumzeit bei A schon stark gekrümmt, aber noch nicht in so extremen Ausmaß, dass die Zeit stillstehen würde: bei Überschreitung des „absolute horizon“ ist noch Bewegung nach innen möglich, und die Zeit läuft für A innerhalb des „absolute horizon“ noch weiter – aber Informationen von dort erreichen die Außenwelt nicht mehr.
> #34 AmbiValent, 4. Mai 2017
> Die englische Wikipedia ist etwas ausführlicher als die deutsche zum Thema Horizonte:
– Furthermore, a distant observer will never actually see something cross the horizon. Instead, while approaching the hole, the object will seem to go ever more slowly, while any light it emits will be further and further redshifted.
– Observers crossing a black hole event horizon can calculate the moment they have crossed it, but will not actually see or feel anything special happen at that moment. In terms of visual appearance, observers who fall into the hole perceive the black region constituting the horizon as lying at some apparent distance below them, and never experience crossing this visual horizon.[
– Furthermore, a distant observer will never actually see something cross the horizon. Instead, while approaching the hole, the object will seem to go ever more slowly, while any light it emits will be further and further redshiftet
Was würde das bedeuten ? Doch im Prinzip das das Objekt immer mehr verschmiert oder ? Also die Wellenlänge der Photonen ginge immer mehr Richtung null hertz. Und wäre somit auch immer schwerer einem Punkt zuzuordnen ?? sry war gerade so ein pothead Gedanke.
@tomtoo
Das, was immer mehr verschmiert wäre, wäre das Erscheinungsbild des Objekts, nicht das Objekt selber.
Genaugenommen ändern sich alle Wirkungen, Felder etc auf den Beobachter, nicht nur das Bild. Für das Objekt selber wirkt es selbst normal, aber die Wirkungen der anderen Objekte erscheinen wegen der Relativität ungewöhnlich.
@ Florian:
Hm, aber gab es nicht die Hypothese daß das ganze Universum eine Quantenfluktuation ist? Das wäre dann schon ein bißchen mehr als Milliarden Sonnenmassen. 😉
Ansonsten, wie sähe es mit Fluktuationen etwas später aus, z.B. während der kosmischen Inflation. Könnte es z.B nicht nur kleine Quantenfluktuationen in der Temperatur des Was-auch-immer gegeben haben, die sich dann in der kosmischen Hintergrundstrahlung zeigten, sondern auch im Inflatonfeld, so daß einige Bereiche stagnierten und irgendwann kollabierten? Wobei die Beobachtungen nicht vielversprechend sind:
https://en.m.wikipedia.org/wiki/Primordial_black_hole
@Ambivalent
Sry, ja ich meinte was der Beobachter sieht. Je tiefer die Frequenz der Photonen desto verwaschener das Bild oder ?
@Ambivalent
Also klar angenommen wir hätten eine Empfangseinrichtung die auch Photonen mit 10^-20 Hz empfangen würde. Also tief in der Physik drin oder ?
@tomtoo
Die Wellenlänge wird immer länger, das Bild verblasst tiefrot. Verwaschen wird es nicht (lange, lange, lange bevor die Wellenlänge so groß wird, dass die Konturen unscharf werden, sieht das Auge schon nichts mehr, das wäre dann im Radiobereich).
@Stefan
Die Webseite über den Fall ins Schwarze Loch enthält zwar keine Simulation für den Kerr-Fall, aber der Autor sagt, der Kerr-Fall ähnele dem Reissner-Nordström-Fall eines geladenen Schwarzen Lochs, und dafür hat er eine Simulation eingestellt.
Der Autor hat einige Papers zum Thema veröffentlicht, auch für den Kerr-Fall (ist mir allerdings bei weitem zu hoch). Aber die Literaturliste enthält einige wirklich interessante Artikel.
@Alderamin
Ja das war mir schon klar. Aber irgentwann könnte man es nur noch im Microwellen bereich bis später runter ukw,MW,LW,ELF und noch viel , viel tiefer wahrnehmen. Und die Ortsbestimmung (technik ausser acht nur rein physikalisch) würde immer ungenauer oder ?
@tomtoo
Genau richtig.
Ist LIGO aktuell in der Lage das Verschmelzen von zwei SSL nachzuweisen?
@Jens
Nein, deren Frequenzen sind zu niedrig. eLISA wird diese nachweisen können. Siehe folgende Grafiken:
https://3.bp.blogspot.com/-R-1zQMQji3g/TZ4NiHglGhI/AAAAAAAAAHM/OpTo3qrYwx4/s1600/LIGO-LISA.jpg
https://3.bp.blogspot.com/-VVpnTP6tc34/VrzIJjb2SxI/AAAAAAAAB2w/eTAf1_NEmSg/s1600/LIGO_frequencies.png (MBHB = Massive Black Hole Binaries, BH = Black Hole, NS = Neutron Star, WD = White Dwarf)
@Alderamin
Vielen Dank ! Wieder was gelernt. Dachte erstmal es käme auf die Amplitute an. Über die Frequenz hab ich garnicht nachgedacht. War der Meinung wenn Ligo die Kollision kleiner BH’s registriert sind große null problemo. So kann man sich täuschen.
: ) Disaster Area hatten bestimmt sowas wie einen Gravitationswellen Amplifier für den Ultra-Sub-Bass kick.
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