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Schwarze Löcher - 2.Version - Referat
I. Einführung
„Das Universum ist voll von magischen Dingen, die geduldig darauf warten, dass wir scharfsinnig werden.“1 Und eines von diesen magischen Dingen sind die schwarzen Löcher, die alles um sich herum, auch Licht, in sich hineinziehen und nicht mehr herauslassen.
Dieses Außergewöhnliche und Rätselhafte hat mein Interesse an sich gezogen, nachdem ich eine Dokumentation darüber gesehen habe. Diese Begeisterung hat mich dazu gebracht, mich in meiner GFS ausführlicher damit zu beschäftigen.
In der vorliegenden Arbeit werde ich mich zuerst mit der Geschichte, dann mit einigen Grundlagen von schwarzen Löchern beschäftigen, wie die Relativitätstheorie von Albert Einstein. Anschließend wie ein schwarzes Loch entstehen kann und schließlich wie der innere Aufbau eines schwarzen Lochs aussieht.
II. Definition schwarzes Loch
Schwarze Löcher sind Objekte im Weltall, die durch ihre Eigenschaften Raum und Zeit verändern. Alles was sich im Weltall befindet und in die Nähe des schwarzen Lochs gelangt, wird von diesem verschluckt und kann nicht mehr herauskommen. Licht ist auch mit einbezogen.
Aber die Frage ist: Was ist Raum und was Zeit? Und: wie kann sich Raum und Zeit krümmen?
III. Geschichte
Das erste Mal wurden die schwarzen Löcher im 18. Jahrhundert von John Michell entdeckt, der dichte Körper im Weltall sah, aber sie nicht zuordnen konnte und im Folgenden von Pierre Simon Laplace weiter untersucht. Jedoch konnten sie nicht richtig erkannt und erschlossen werden, da es sich nur an dem Gravitationsgesetz von Isaac Newton orientierte, bis im 19. Jahrhundert Albert Einstein mit der Relativitätstheorie einen Hinweis darauf gab. Denn erst durch die Relativitätstheorie und dem neuen Verständnis von Raum und Zeit, konnte die Existenz der schwarzen Löcher bewiesen werden. Einige Zeit später kann Karl Schwarzschild eine Lösung für die noch ungelöste Einsteinsche Feldgleichung finden. Die Einsteinsche Feldgleichung handelte darüber, wie die Raumzeit bei einer bestimmten Masseverteilung gekrümmt ist. Diese Lösung konnte die Phänomene der Gravitation exakt nach der Relativitätstheorie beschreiben. Nach weiteren Untersuchungen konnte er auch Eigenschaften des schwarzen Lochs herausfinden, die daraufhin nach ihm benannt wurden. Wie zum Beispiel die äußere und innere Schwarzschild-Lösung. Kurz darauf konnte Roy Patrick Kerr diese Eigenschaften auch auf rotierende schwarze Löcher beziehen.
Dennoch ist dies noch nicht das Ende der Forschung, da es noch sehr viele Phänomene des schwarzen Lochs gibt, die noch nicht aufgeklärt worden sind.
IV. Die Relativitätstheorie
a) Definition Raum
In unserem Alltag kennen wir Raum als etwas worin wir uns frei bewegen können. Es definiert sich als eine Länge, eine Breite und eine Höhe.
b) Definition Zeit
Die Zeit hat eine eindeutige Richtung in die sie sich bewegt. Denn sie bewegt sich von der Vergangenheit zur Gegenwart und anschließend in die Zukunft.
Die Relativitätstheorie, von Albert Einstein, beschreibt unser Universum in Bezug auf Raum und Zeit und in Abhängigkeit der Gravitation. Sie teilt sich in zwei auf: die spezielle Relativitätstheorie und die allgemeine Relativitätstheorie.
c) Spezielle Relativitätstheorie
Mit der speziellen Relativitätstheorie zeigt Einstein, dass die Zeit nicht allgemein betrachtet werden darf, da es für jedes Inertialsystem2 eine andere Definition gibt. Befindet man sich in einem Zustand der gleichförmigen Bewegung, also in einem sich bewegenden System, dann verläuft diese Zeit langsamer in Bezug auf einen relativ ruhenden Beobachter. Also einem beobachterabhängigen Beobachter. Diese Entdeckung wird auch die Zeitdilatation genannt. Gibt es eine sehr hohe Geschwindigkeit, die fast so schnell ist wie die Lichtgeschwindigkeit, dann kann es auch sehr verheerende Folgen haben. Als Beispiel kann man hier das Zwillingsparadoxon nehmen.
Zwillingsparadoxon
Das Zwillingsparadoxon kann man so veranschaulichen: Einer der beiden Zwillinge ist auf der Erde und der andere Zwilling mit Lichtgeschwindigkeit auf Raumflug.50 Lichtjahre später kommt der Zwilling von seinem Raumflug zurück auf die Erde und man kann sehen, dass er im Gegensatz zu dem Zwilling auf der Erde nicht älter geworden ist. Denn der Zwilling auf der Erde ist um 50 Jahre älter geworden.
d) Allgemeine Relativitätstheorie
Bei der allgemeinen Relativitätstheorie konnten die Forscher mehr als zuvor die Existenz der schwarzen Löcher beweisen. Denn unter Einfluss einer Masse krümmt sich die Raumzeit. Diese Krümmung hat auch Einflüsse auf den Weg, den das Licht führt. Denn durch die Krümmung entsteht eine Delle und der Lichtstrahl folgt der Delle, da es nicht ausweichen kann. Dasselbe macht das Licht auch um die Sonne herum.
V. Die Entstehung eines schwarzen Lochs
Gibt es einen Stern mit einer hohen Masse, wird dieser zum Ende seines Lebens zu einem roten Riesen. Dieser rote Riese wird anschließend zu einem roten Überriesen. Der rote Überriese wird mit der Zeit instabil und wird durch Wegsprengen der äußeren Hülle zu einer Supernova. Während dieses Vorgangs wird eine Menge Energie frei. Das führt dazu, dass sich der Kern zusammenpresst, also komprimiert wird. Ist dann seine Masse größer als drei Sonnenmassen, fällt der Kern in sich zusammen, da seine Anziehungskraft zu groß geworden ist. Währenddessen, krümmt sich der Raum um diese Stelle immer mehr, und die Raumkrümmung wird so groß, dass weder Teilchen, noch Licht hinaus können. Somit wird eine bestimmte Grenze, der Schwarzschild-Radius erreicht.
VI. Eigenschaften von schwarzen Löchern
a) Der Ereignishorizont
Stellt man sich einen kollabierenden Stern so vor, als ob ihn eine Kugel mit dem Radius des Schwarschild-Radius umschließen würde, dann wäre diese imaginäre Kugel der Ereignishorizont. Dieser stellt keine feste, materielle Grenze dar, sondern ist nur eine mathematisch-physikalisch definierte Oberfläche. Da innerhalb des Ereignishorizontes eine sehr große Gravitation herrscht, wäre es nur mit weit mehr als Lichtgeschwindigkeit möglich, hinauszukommen.
b) Die Schwarzschild-Lösung
Befindet sich die gesamte Masse des Objektes im Zentrum, ist die Krümmung der Raumzeit an dieser Stelle unendlich groß und es existiert keine Zeit mehr. Diese Stelle wird Singularität genannt. Sie entsteht dadurch, dass der Stern nachdem er seinen Ereignishorizont erreicht hat, weiter kollabiert. Wodurch die Masse des Objektes auf einen Punkt zusammengedrückt wird. Von außen betrachtet kann man die Singularität nicht sehen, da der Ereignishorizont davor ist.
c) Die Kerr-Lösung
Die Kerr-Lösung bezieht sich auf rotierende, elektrisch geladene schwarze Löcher. Durch die Rotation wird die Raumzeit mit sich gezogen und verzerrt. Die Materie konzentriert sich nicht auf einen Punkt wie bei der Schwarzschild-Lösung, sondern auf eine punktförmige Singularität.
d) Die Akkretionsscheibe
Da es in der Umgebung von schwarzen Löchern viele Staub- und Gasteilchen, aber auch Materie von anderen schwarzen Löchern gibt, werden diese durch die Gravitation, die vorherrscht, angezogen und bewegen sich deshalb mit dem schwarzen Loch zusammen. Daher kann man sagen, dass schwarze Löcher von einer „dichten, großen und flachen Struktur von Materie umgeben“ sind.
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