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Schwarzes Loch


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Ein Schwarzes Loch ist ein Bereich im Raum in die Gravitation so stark ist dass selbst Licht nicht mehr entweichen kann.

Inhaltsverzeichnis

Schwarze Löcher im Universum

Endzustände von Sternen

Schwarze Löcher können als Endzustand eines bei einer Supernova (Explosion eines Sternes) entstehen. Ein derartiges Loch ist ein Objekt mit der Masse Sterns allerdings mit wesentlich geringerer Ausdehnung als Stern. Ein so entstandenes schwarzes Loch nennt stellares schwarzes Loch.

Ein Teil der Masse des ursprünglichen wird bei der Supernova-Explosion weggeschleudert der Rest komprimiert so dass der Umfang deutlich kleiner als zuvor. Dabei wird die Dichte des Körpers unglaublich erhöht und die Anziehungskraft (Gravitation) dermaßen an dass die Entweichungsgeschwindigkeit die ein Körper aufbringen müsste um Gravitationsfeld dieses Objekts zu überwinden größer als Lichtgeschwindigkeit wäre. Laut der Allgemeinen Relativitätstheorie ist keine schnellere Bewegung als die möglich. Das bedeutet dass nichts also auch Licht das Gravitationsfeld dieses Objekts überwinden kann.

Die Größe eines nichtrotierenden schwarzen Lochs durch den Schwarzschildradius angegeben der proportional zur Masse des ist. Jedem Teilchen innerhalb dieses Umkreises ist unmöglich ihn wieder zu verlassen. Auch elektromagnetische können ein Schwarzes Loch nicht verlassen.Für die beträgt der Schwarzschildradius knapp einen Zentimeter.

Arten von schwarzen Löchern

Man unterscheidet stellare Schwarze Löcher (stellar hole) supermassereiche Schwarze Löcher (supermassive black hole) primodiale schwarze Löcher:

Stellare Schwarze Löcher

sind eine Folge der Sternentwicklung: Während Sterne wie unsere Sonne ihr Leben recht als auskühlender Sternenrest beenden (als so genannter Weißer Zwerg ) sieht das bei Sternen die die Masse unserer Sonne haben anders aus: Sie explodieren am ihres Lebens als Supernova und der übrig bleibende Sternenrest kann einem Schwarzen Loch kollabieren. Diese Schwarzen Löcher etwa acht bis 15 Mal die Masse Sonne.

Mittelschwere Schwarze Löcher

sind möglicherweise die Folge von Sternenkollisionen. Existenz ist noch nicht sicher erwiesen allerdings Forscher Anfang 2004 Ergebnisse einer Untersuchungen von mit dem Weltraumteleskop Chandra in der sie Hinweise auf Mittelschwere Löcher fanden.

Supermassereiche Schwarze Löcher

können die Millionen bis Milliardenfache Masse Sonne haben und finden sich vermutlich in Zentren der meisten Galaxien . Wie sie entstanden sind und wie Entstehung mit der Entwicklung der Galaxien zusammenhängt Gegenstand aktueller Forschung.

Primordiale schwarze Löcher

Neben solchen durch Supernovae entstandenen schwarzen könnte es aber auch so genannte primordiale Löcher geben. Das sind schwarze Löcher die ohne eine Supernova als "Raumverwerfungen" bereits im gebildet haben.

Im Galaxienzentrum

Man geht heute davon aus dass Spiralgalaxien unsere eigene Milchstraße eingeschlossen in ihrem Zentrum ein supermassives Loch haben. Die hohe Leuchtkraft der Quasare wird auf Strahlung zurückgeführt die Materie Sturz in ein Schwarzes Loch abgibt.

Eine direkte Beobachtung von schwarzen Löchern da sie selbst keine Strahlung abgeben problematisch. um schwarze Löcher erwarteten Akkretionsscheiben sollten allerdings klar erkennbare Strahlung abgeben. der Fertigstellung von Gravitationsteleskopen sollte es möglich werden die Geburt Löcher zu beobachten.

Bedeutung schwarzer Löcher

Trotz ihrer Eigenschaften alles zu verschlucken schwarze Löcher dazu beigetragen dass das Universum gegenwärtigen Eigenschaften besitzt.

Nach dem Urknall entstanden aus den die ersten wahrscheinlich sehr massiven Sterne die kurzer Zeit (einige 100 Millionen Jahre) per explodierten. Durch diese Supernovae wurde zum einen ins Weltall verstreut zum anderen durch die benachbarte Gaswolken komprimiert so dass dort neue entstanden.

Die ersten schwarzen Löcher zogen Materie und wurden zu den ersten Quasaren die dann weiter (eventuell nach Verschmelzen mehrerer schwarzer zu den Mittelpunkten von Spiralgalxien entwickelten. Eine Spiralgalaxis ist unsere Milchstraße.

Schwarze Löcher in der allgemeinen Relativitätstheorie

Formell ergibt sich ein schwarzes Loch spezielle Vakuum -Lösung der allgemeinen Relativitätstheorie der so genannten Schwarzschild-Lösung (nach Karl Schwarzschild der diese Lösung gefunden hat) beziehungsweise rotierende und elektrisch geladene Schwarze Löcher aus Kerr-Newman-Lösung . "Vakuumlösung" bedeutet hierbei dass das schwarze aus nichts anderem besteht als aus leerem der allerdings stark gekrümmt ist. In der des schwarzen Loches befindet sich allerdings eine Singularität das bedeutet dass an dieser Stelle Gleichungen der Relativitätstheorie versagen. Die ganze Masse Schwarzen Loches ist in einem Punkt ohne konzentriert. Nach heutigem Stand des Wissens kann Zustande kommen weil die Gravitation in einem Loch so gross ist dass keine der drei Grundkräfte der Physik der Komprimierung entgegenwirken kann. Die gesamte stürzt in sich zusammen und konzentriert sich der Singularität. Aus diesem Grund ist die Dichte der Singularität unendlich.

Die Grenze bei der auf der Seite noch Licht entweichen kann auf der Seite nicht mehr heißt Ereignishorizont oder Schwarzschild-Singularität . Da ein nicht-rotierendes Schwarzes Loch von gesehen kugelförmig ist hat auch der Ereignishorizont Form einer Kugeloberfläche. Der Radius dieser Kugel ist der Schwarzschildradius . Die Schwarzschild-Singularität ist jedoch keine echte sondern nur eine Koordinatensingularität (vergleichbar dem Nordpol dem ebenfalls eine Koordinatensingularität auftritt ohne dass der den Nordpol überquert irgendetwas besonderes merken

Für rotierende und/oder geladene schwarze Löcher der Ereignishorizont nicht mehr kugelförmig und seine ist auch nicht mehr durch den Schwarzschildradius Rotierende schwarze Löcher haben zudem außerhalb des einen Bereich (Ergosphäre genannt) in dem es Objekt nicht möglich ist nicht zu rotieren.

Ein Schwarzes Loch wird vollständig durch Masse seinen Drehimpuls und seine elektrische Ladung beschrieben. Diese Tatsache ist bekannt als No-Hair-Theorem ("ein schwarzes Loch hat keine Haare").

Die "Hauptsätze der Schwarzloch-Dynamik"

Für schwarze Löcher folgen aus der Relativitätstheorie Gesetze die auffallend jenen der Thermodynamik Es gelten im einzelnen die folgenden Gesetze:

Der erste Hauptsatz ist wie in Thermodynamik (und aller anderen nichtrelativistischen Theorien) die der Energie. Zusätzlich gelten auch die anderen der Mechanik und Elektrodynamik: Neben der Energie Impuls Drehimpuls und Ladung erhalten.

Der zweite Hauptsatz von Stephen W. Hawking entdeckt besagt dass die Summe der der Ereignishorizonte niemals abnehmen kann egal was den schwarzen Löchern passiert. Dies gilt nicht wenn Materie in das schwarze Loch fällt dessen Masse – und damit dessen Ereignishorizont vergrößert) sondern auch z.B. für die Verschmelzung schwarzer Löcher und jeden anderen denkbaren Prozess. entspricht dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik wobei Fläche des Ereignishorizonts die Rolle der Entropie

Hawking-Strahlung

Quantentheoretische Überlegungen die zuerst von Hawking wurden zeigen dass bei Berücksichtigung quantenmechanischer Effekte der Schwarzschild-Metrik auch ein schwarzes Loch Strahlung müsste die so genannte Hawking-Strahlung . Diese Strahlung müsste gerade das Spektrum schwarzen Strahlers haben wobei die Temperatur der mit wachsender Masse des schwarzen Loches sinkt. schwarze Löcher wie sie aus Supernova entstehen dadurch eine so geringe Strahlung dass diese Universum nicht nachweisbar ist. Kleine schwarze Löcher haben nach dieser Theorie eine deutliche Wärmestrahlung dazu führt dass ihre Masse rasch abnimmt. dadurch ihre Strahlung weiter ansteigt zerstrahlt so kleines Loch in relativ kurzer Zeit völlig. ist von Bedeutung für die bereits erwähnten schwarzen Löcher: Da diese generell sehr klein könnten sie bereits zerstrahlt sein. Durch die entstandene charakteristische Strahlung könnte man solche Löcher Andersherum gibt die Tatsache dass man diese bisher nicht gesehen hat eine Obergrenze für Anzahl.

Als möglicher Entstehungsmechanismus gilt spontane Elektron-Positron-Paarbildung im Vakuum die als Konsequenz der Heisenbergschen Unschärferelation bezüglich Zeit und Energie und damit E=mc² auch einer entsprechenden Masse für hinreichend Zeiträume möglich ist. Geschieht sie in unmittelbarer des Schwarzen Loches so kann eines der hineinstürzen und damit eine potenzielle Energie freisetzen die für eine Paarbildung inkl. Hinauskatapultierens des anderen Teilchens aus dem Gravitationsfeld Als Folge des enormen Verlusts von potenzieller durch das hineinstürzende Teilchens nimmt dabei die des Schwarzen Loches wider Erwarten nicht zu sogar ab.

Die Hawking-Strahlung bedeutet eine Verletzung des Hauptsatzes der Schwarzloch-Dynamik da die Strahlung die – und damit die Horizontfläche – des Loches verringert. Allerdings wird gleichzeitig eine entsprechende Entropie abgegeben (eben in Form thermischer Strahlung) einen tieferen Zusammenhang zwischen beiden Größen nahelegt.

Allerdings beruht die Vorhersage der Hawking-Strahlung der Kombination von Effekten der Quantenmechanik und ART. Da eine Vereinheitlichung der beiden Theorien nicht gelungen ist sind solche Vorhersagen immer einer gewissen Unsicherheit behaftet.

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