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Schwarze Löcher - Referat
Schwarze Löcher:
Schwarze Löcher, der Name ist Programm, denn er sagt eigentlich schon das Wichtigste über diese geheimnisvollen Objekte aus. Wie in einem Loch verschwindet alles was ihnen zu nahe kommt, selbst Licht kann nicht mehr aus dem Inneren entkommen, es ist schwarz. Der Grund dafür ist die enorme Anziehungskraft eines Schwarzen Loches und es gibt eine Grenze, den so genannten Schwarzschildradius, unterhalb derer jede Masse zu einem Schwarzen Loch wird. Für unsere Sonne liegt dieser kritische Radius bei 3 Kilometern, für die Erde bei 9 Millimetern. Würde man also die Masse der Erde in einen Fingerhut pressen, bekäme man ein Schwarzes Loch.
Nach ihrer Größe geordnet, unterscheidet man drei verschiedene Arten von Schwarzen Löchern:
Supermassive Schwarze Löcher:
Sie werden im Zentrum von Galaxien vermutet und haben zum Teil eine Masse die dem Milliardenfachen unserer Sonne entspricht. Dennoch sind sie nicht größer als unser Sonnensystem. Obwohl die meisten Forscher heute überzeugt sind, dass es solche Objekte gibt, fehlt bisher der endgültige Beweis. Und den zu erbringen ist gar nicht so einfach. Schließlich ist das Besondere an einem Schwarzen Loch, das es keine Strahlung oder Materie aussendet, also auch nicht direkt zu sehen ist. Allerdings macht es durch seine enorme Anziehungskraft auf sich aufmerksam.
So wird zum Beispiel Gas aus dem Weltall eingefangen und spiralisiert in einer flachen Scheibe, wie in einem Strudel auf das Schwarzen Loch zu. Dabei erhitzt sich das Gas in dieser Akkretionsscheibe auf eine Million Grad und strahlt hell im Röntgenlicht. Ein Teil der Materie in der Scheibe wird jedoch nicht verschluckt, sondern als gewaltiger Materiestrom mit annähernd Lichtgeschwindigkeit in den Weltraum geblasen. Diese Jets können eine ganze Galaxie durchqueren und sind daher weithin sichtbar.
Stellare Schwarze Löcher:
Obwohl sie nur einen Durchmesser von wenigen duzend Kilometern haben, ist in ihnen die Masse von mehreren Sonnen konzentriert. Sie sind die letzte Phase in der Entwicklung eines massereichen Sterns. Wenn ein Stern, dutzend mal schwerer als unsere Sonnen, seinen Brennstoffvorrat nahezu aufgebraucht hat, kann er nichts mehr dem großen Druck seiner eigenen Anziehungskraft entgegensetzten. Er fällt in sich zusammen. Dabei erhitzt sich das einstürzende Gas noch einmal auf mehrere Millionen Grad. Diese Energie entlädt sich schließlich in einer gewaltigen Explosion. Die äußere Hülle des Sterns wird in den Weltraum geschleudert. Am Ende eines solchen Sternenkollaps, einer Supernova, bleibt ein kompakter Kern zurück. Wenn dieser Rest mehr als dreimal so schwer ist wie unsere Sonne, handelt es sich um ein Schwarzes Loch.
Natürlich sind auch die stellaren Schwarzen Löcher nicht direkt zu sehen. Allerdings haben viele Sterne einen Nachbar in ihrer Nähe, mit dem sie ein Doppelsternsystem bilden. Stirbt einer der beiden und wird zu einem Schwarzen Loch, kommt es schließlich dazu, das Gas von dem Begleiter zu dem Schwarze Loch hinüberfließt und eine Akkretionsscheibe sowie ein Jet entsteht.
Winzige primordiale (urzeitliche) Schwarze Löcher:
Ihre Masse beträgt lediglich einige Milliarden Tonnen, das entspricht ungefähr der Masse eines großen Bergmassivs, und ihr Durchmesser ist kleiner als ein Atomkern. Sie sind vermutlich durch die extremen Umweltbedingungen während des Urknalls entstanden. Ihre Anziehungskraft ist jedoch so klein, dass sie fast keine Materie verschlucken, stattdessen verlieren sie ihre Masse durch einen quantenphysikalischen Effekt, sie verdampfen sozusagen. Ihre Lebensdauer ist daher begrenzt, sie lösen sich einfach irgendwann komplett auf. Bisher gibt es für diese Exoten jedoch noch keinen einzigen Hinweis, sie existieren lediglich in der Theorie.
Zwei Möglichkeiten der Entstehung:
Ein schwarzes Loch entsteht beim Ableben eines Sternes mit einer Masse > 3 Sonnenmassen. Im normalen Zustand besteht ein Gleichgewicht zwischen der Eigengravitation und dem Innendruck (thermischer Druck, den die heißen Teilchen im Inneren auf die äußeren, kälteren Teilchen ausüben). Ist der Brennstoff (H) verbraucht erkalten die inneren Teilchen und der Druck nimmt ab. Dadurch gewinnt die nach innen wirkende Gravitationskraft die Oberhand und der Stern kollabiert. Er wird bei gleichbleibender Masse immer kleiner und kleiner, theoretisch würde er dabei unendliche Dichte erlangen. Ein schwarzes Loch ist entstanden. Nur bei Sternen über 3 Sonnenmassen entsteht ein Schwarzes Loch, bei kleineren würde ein weißer Zwerg bzw. ein Neutronenstern entstehen.
Hierbei folgt die Existenz eines schwarzen Lochs zwingend aus der Kopplung von Masse und Raumzeitkrümmung. Berechnet man den Sternaufbau eines Sterns mit den Formeln der Relativitätstheorie ergibt sich eine obere Grenzmasse. Erreicht ein Stern langsam diese Masse kann die Gewichtslast nicht mehr durch einen entsprechenden Druckanstieg kompensiert werden Durch die Zeitdilatation, die Bewegung der Elementarteilchen erscheinen tief im Inneren langsamer und der effektive Druck wird geringer, wird der Druck im Sterninneren reduziert. Der Stern müsste nun einen immer stärkeren Druck aufbauen. Da sich die Schallwellen maximal mit c fortbewegen können, kann p nicht ins Unendliche ansteigen. Ist eine Grenzmasse erreicht wird die Zeitdilatation unendlich und der Innendruck somit 0. Der Stern wird dadurch immer kleiner und kleiner. Er wird zum schwarzen Loch.
Ende eines schwarzen Lochs:
Dies ist ein sehr umstrittenes Problem. Es ist eine noch nicht geklärte Frage ob und wie sich ein schwarzes Loch auflösen kann. Der erste, der ein mögliches Ende eines schwarzen Lochs entdeckte, war Steven Hawking. Er stellte eine Theorie auf, dass ein schwarzes Loch masselose Teilchen (17% Photonen, 2% Gravitonen und 81% Neutrinos) produziert und sie mittels Wärmestrahlung abstrahlt. Diese abgestrahlte Energie lässt sich in Masse umrechnen (E=m*c²). Mit diesem Massenverlust wird auch der Schwarzschildradius kleiner und immer weniger vobeifliegende Teilchen können aufgenommen werden. Demzufolge würde es mit abnehmender Masse immer schneller kleiner werden. Es würde allerdings Zigmilliarden Jahre dauern bis ein schwarzes Loch verdampft wäre.
Quellenangaben:
-> Joseph Schwartz & Michael McGuiness: "Einstein für Anfänger", Rowohlt
Taschenbuch Verlag, Hamburg, Dezember 1979
-> Stephen W. Hawking: "Eine kurze Geschichte der Zeit", Rowohlt
Taschenbuch Verlag, Hamburg, April 1991
-> Internet-Quellen:
- http://members.lol.li/twostone/geometri.html
- http://www.astro.unibas.ch/~krona/Lisa/Stern/stern_sl.html
- http://www.borg-graz.ac.at/~hallein/2fbaaue.htm
- http://rhein-zeitung.de/old/97/01/17/topnews/blackholes.html
-http://www1.arcs.ac.at/baa/infserv/astro/stsci/pr/97/01/A.html
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