Kollaps schwerer Sterne: Wie Schwarze Löcher entstehen und ob man sie sehen kann. Ähnlichkeiten und Unterschiede zwischen einem Schwarzen Loch und einem Neutronenstern

Was schwarzes Loch? Warum heißt es Schwarz? Was passiert in den Sternen? Wie hängen ein Neutronenstern und ein Schwarzes Loch zusammen? Ist der Large Hadron Collider in der Lage, Schwarze Löcher zu erzeugen, und was bedeutet das für uns?

Was Stern??? Falls Sie es noch nicht wissen: Auch unsere Sonne ist ein Stern. Das ist ein Objekt große Größen in der Lage, mithilfe der Kernfusion elektromagnetische Wellen auszusenden (dies ist nicht die genaueste Definition). Wenn es nicht klar ist, können wir Folgendes sagen: Ein Stern ist ein großes kugelförmiges Objekt, in dem sich mithilfe von Kernreaktionen sehr, sehr, sehr viel bildet. große Menge Energie, von der ein Teil zur Emission von sichtbarem Licht verwendet wird. Neben gewöhnlichem Licht werden auch Wärme (Infrarotstrahlung), Radiowellen, Ultraviolett usw. emittiert.

Kernreaktionen laufen in jedem Stern auf die gleiche Weise ab wie in Atomkraftwerke, mit nur zwei Hauptunterschieden.

1. Kernfusionsreaktionen finden in Sternen, also der Verbindung von Kernen, und in Kernkraftwerken statt – nuklearer Zerfall. Im ersten Fall wird dreimal mehr Energie freigesetzt, tausendmal weniger Kosten, da nur Wasserstoff benötigt wird, und es ist relativ kostengünstig. Außerdem entsteht im ersten Fall kein schädlicher Abfall: Es wird nur harmloses Helium freigesetzt. Nun fragen Sie sich natürlich, warum solche Reaktionen in Kernkraftwerken nicht eingesetzt werden? Denn es ist UNKONTROLLIERT und führt leicht zu einer nuklearen Explosion, und diese Reaktion erfordert eine Temperatur von mehreren Millionen Grad. Für den Menschen ist die Kernfusion die wichtigste und schwierigste Aufgabe (niemand hat bisher einen Weg gefunden, die Kernfusion zu kontrollieren), da unsere Energiequellen zur Neige gehen.

2. Beteiligt sich an Reaktionen in Sternen mehr Substanz als in einem Kernkraftwerk, und natürlich wird dort mehr Energie erzeugt.

Nun zur Entwicklung der Sterne. Jeder Stern wird geboren, wächst, altert und stirbt (erlischt). Aufgrund ihres Entwicklungsstils werden Sterne je nach ihrer Masse in drei Kategorien eingeteilt.

Erste Kategorie – Sterne mit einer Masse von weniger als 1,4 * der Masse der Sonne. In solchen Sternen verwandelt sich der gesamte „Brennstoff“ langsam in Metall, da durch die Fusion (Verbindung) von Kernen immer mehr „mehrkernige“ (schwere) Elemente entstehen, und das sind Metalle. Zwar wurde das letzte Stadium der Entwicklung solcher Sterne nicht aufgezeichnet (es ist schwierig, Metallkugeln zu erkennen), dies ist nur eine Theorie.

Zweite Kategorie – Sterne mit einer Masse, die größer ist als die Masse von Sternen der ersten Kategorie, aber weniger als drei Sonnenmassen. Durch die Evolution geraten solche Sterne aus dem Gleichgewicht interne Kräfte Anziehung und Abstoßung. Dadurch wird ihre äußere Hülle in den Weltraum geschleudert und die innere Hülle (aus dem Impulserhaltungssatz) beginnt „rasend“ zu schrumpfen. Es entsteht ein Neutronenstern. Es besteht fast ausschließlich aus Neutronen, also Teilchen, die keine elektrische Ladung haben. Das Bemerkenswerteste an einem Neutronenstern – Das ist seine Dichte, denn um ein Neutron zu werden, muss ein Stern zu einer Kugel mit einem Durchmesser von nur etwa 300 km komprimiert werden, und das ist sehr klein. Daher ist seine Dichte sehr hoch – etwa mehrere zehn Billionen kg in einem Kubikmeter, was milliardenfach größer ist als die Dichte der dichtesten Substanzen auf der Erde. Woher kommt diese Dichte? Tatsache ist, dass alle Stoffe auf der Erde aus Atomen bestehen, die wiederum aus Kernen bestehen. Man kann sich jedes Atom als eine große leere Kugel (absolut leer) vorstellen, in deren Mitte sich ein kleiner Kern befindet. Der Kern enthält die gesamte Masse des Atoms (außer dem Kern enthält das Atom nur Elektronen, deren Masse jedoch sehr gering ist). Der Durchmesser des Kerns ist 1000-mal kleiner als der eines Atoms. Das bedeutet, dass das Volumen des Kerns 1000*1000*1000 = 1 Milliarde Mal kleiner als ein Atom ist. Und daher ist die Dichte des Kerns milliardenfach größer als die Dichte des Atoms. Was passiert in einem Neutronenstern? Atome hören als Materie auf zu existieren; sie werden durch Kerne ersetzt. Deshalb ist die Dichte solcher Sterne milliardenfach größer als die Dichte terrestrischer Substanzen.

Wir alle wissen, dass schwere Objekte (Planeten, Sterne) alles um sich herum stark anziehen. Auf diese Weise werden Neutronensterne entdeckt. Sie verzerren die Umlaufbahnen anderer stark sichtbare Sterne, in der Nähe gelegen.

Dritte Kategorie von Sternen – Sterne mit einer Masse von mehr als dem Dreifachen der Sonnenmasse. Solche Sterne, die zu Neutronen geworden sind, verdichten sich weiter und verwandeln sich in Schwarze Löcher. Ihre Dichte ist zehntausendmal größer als die Dichte von Neutronensternen. Aufgrund seiner enormen Dichte erlangt ein Schwarzes Loch die Fähigkeit einer sehr starken Schwerkraft (die Fähigkeit, umgebende Körper anzuziehen). Bei dieser Schwerkraft lässt der Stern nicht einmal zu, dass elektromagnetische Wellen und damit Licht seine Grenzen verlassen. Das heißt, ein Schwarzes Loch strahlt kein Licht aus. Fehlt jegliches Licht – Es ist Dunkelheit, deshalb schwarzes Loch und heißt schwarz. Es ist immer schwarz und kann mit keinem Teleskop gesehen werden. Jeder weiß, dass Schwarze Löcher aufgrund ihrer Schwerkraft in der Lage sind, alle umliegenden Körper in großem Umfang einzusaugen. Aus diesem Grund sind die Menschen vorsichtig, den Large Hadron Collider zu starten, bei dessen Arbeit laut Wissenschaftlern das Auftreten schwarzer Mikrolöcher möglich ist. Diese Mikrolöcher unterscheiden sich jedoch stark von gewöhnlichen: Sie sind instabil, weil ihre Lebensdauer sehr kurz ist, und praktisch nicht erwiesen. Darüber hinaus behaupten Wissenschaftler, dass diese Mikrolöcher eine völlig andere Natur haben als gewöhnliche Schwarze Löcher und nicht in der Lage sind, Materie zu absorbieren.

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Dieser Beitrag ist eine Zusammenfassung der fünften Lektion im Astrophysik-Kursprogramm für weiterführende Schule. Es enthält eine Beschreibung von Supernova-Explosionen, Entstehungsprozessen von Neutronensternen (Pulsaren) und Schwarzen Löchern mit Sternmassen, sowohl Einzel- als auch Einzelsternen Sternpaare. Und ein paar Worte zu Braunen Zwergen.

Zunächst wiederhole ich das Bild, das die Klassifizierung der Sterntypen und ihre Entwicklung in Abhängigkeit von ihrer Masse zeigt:

1. Ausbrüche von Novae und Supernovae.
Das Verbrennen von Helium in den Tiefen der Sterne endet mit der Entstehung Roter Riesen und deren Ausbrüchen neu mit Bildung Weiße Zwerge oder die Bildung roter Überriesen und deren Ausbrüche Supernovae mit Bildung Neutronensterne oder Schwarze Löcher, sowie Nebel aus den von diesen Sternen ausgestoßenen Granaten. Oft übersteigen die Massen der ausgestoßenen Granaten die Massen der „Mumien“ dieser Sterne – Neutronensterne und Schwarze Löcher. Um das Ausmaß dieses Phänomens zu verstehen, werde ich ein Video der Explosion der Supernova 2015F in einer Entfernung von 50 Millionen Lichtjahren von uns bereitstellen. Jahre der Galaxie NGC 2442:

Ein weiteres Beispiel ist die Supernova von 1054 in unserer Galaxie, durch die in einer Entfernung von 6,5 Tausend Lichtjahren von uns der Krebsnebel und ein Neutronenstern entstanden. Jahre. In diesem Fall beträgt die Masse des entstehenden Neutronensterns ~ 2 Sonnenmassen und die Masse der ausgestoßenen Hülle beträgt ~ 5 Sonnenmassen. Zeitgenossen schätzten die Helligkeit dieser Supernova auf etwa das Vier- bis Fünffache der Helligkeit der Venus. Wenn eine solche Supernova tausendmal näher (6,5 Lichtjahre) ausbrechen würde, würde sie an unserem Himmel 4000-mal heller als der Mond, aber hundertmal schwächer als die Sonne funkeln.

2. Neutronensterne.
Sterne großer Massen (Klassen O, B, A) Nach dem Ausbrennen von Wasserstoff zu Helium und während des Ausbrennens von Helium überwiegend in Kohlenstoff treten Sauerstoff und Stickstoff in ein relativ kurzes Stadium ein roter Überriese und nach Abschluss des Helium-Kohlenstoff-Kreislaufs werfen sie auch ihre Hülle ab und flammen auf „Supernovae“. Auch ihre Tiefen werden unter dem Einfluss der Schwerkraft komprimiert. Doch der Druck des entarteten Elektronengases kann diese gravitative Selbstkompression nicht mehr wie bei Weißen Zwergen aufhalten. Daher steigt die Temperatur in den Tiefen dieser Sterne und in ihnen beginnen thermonukleare Reaktionen, wodurch die folgenden Elemente des Periodensystems gebildet werden. Bis zu Drüse.

Warum vor Eisen? Denn bei der Bildung von Kernen mit hoher Ordnungszahl geht es nicht um die Freisetzung von Energie, sondern um deren Aufnahme. Aber es von anderen Kernen zu übernehmen ist nicht so einfach. Natürlich entstehen in den Tiefen dieser Sterne Elemente mit hohen Ordnungszahlen. Aber in vielem kleinere Menge als Eisen.

Doch dann spaltet sich die Evolution. Nicht zu massereiche Sterne (Klassen A und teilweise IN) einbiegen in Neutronensterne. Dabei werden Elektronen buchstäblich in Protonen eingeprägt und der größte Teil des Sternkörpers verwandelt sich in einen riesigen Neutronenkern. Bestehend aus gewöhnlichen Neutronen, die sich berühren und sogar ineinander gepresst werden. Die Dichte des Stoffes liegt in der Größenordnung von mehreren Milliarden Tonnen pro Kubikzentimeter. Ein typisches Neutronensterndurchmesser- etwa 10-20 Kilometer. Neutronenstern – der zweite stabile Typ von „Mumien“ toter Stern. Ihre Massen liegen typischerweise zwischen etwa 1,3 und 2,1 Sonnenmassen (Beobachtungsdaten zufolge).

Einzelne Neutronensterne sind aufgrund ihrer extrem geringen Leuchtkraft optisch kaum zu erkennen. Aber einige von ihnen finden sich als Pulsare. Was ist das? Fast alle Sterne drehen sich um ihre Achse und haben eine ziemlich starke Bewegung Magnetfeld. Beispielsweise dreht sich unsere Sonne in etwa einem Monat um die eigene Achse.

Stellen Sie sich nun vor, dass sich sein Durchmesser um das Hunderttausendfache verringert. Es ist klar, dass es sich dank des Drehimpulserhaltungssatzes viel schneller drehen wird. Und das Magnetfeld eines solchen Sterns in der Nähe seiner Oberfläche wird um viele Größenordnungen stärker sein als das der Sonne. Die meisten Neutronensterne haben eine Rotationsperiode um ihre Achse von Zehntel- bis Hundertstelsekunden. Aus Beobachtungen ist bekannt, dass der am schnellsten rotierende Pulsar etwas mehr als 700 Umdrehungen um seine Achse pro Sekunde macht und der am langsamsten rotierende eine Umdrehung in mehr als 23 Sekunden macht.

Stellen Sie sich nun vor, dass die magnetische Achse eines solchen Sterns, wie die der Erde, nicht mit der Rotationsachse zusammenfällt. Die harte Strahlung eines solchen Sterns wird in schmalen Kegeln entlang der magnetischen Achse konzentriert. Und wenn dieser Kegel die Erde mit der Rotationsperiode des Sterns „berührt“, dann sehen wir diesen Stern als pulsierende Strahlungsquelle. Wie eine Taschenlampe, die von unserer Hand gedreht wird.

Ein solcher Pulsar (Neutronenstern) entstand nach einer Supernova-Explosion im Jahr 1054, die gerade während des Besuchs von Kardinal Humbert in Konstantinopel stattfand. In der Folge kam es zum endgültigen Bruch zwischen Katholiken und Katholiken Orthodoxe Kirchen. Dieser Pulsar selbst macht 30 Umdrehungen pro Sekunde. Und die Hülle, die es mit einer Masse von ~ 5 Sonnenmassen ausschleuderte, sieht so aus Krebsnebel:

3. Schwarze Löcher (Sternmassen).
Schließlich gibt es ziemlich massereiche Sterne (Klassen UM und teilweise IN) beenden ihre Lebensweg die dritte Art von „Mumie“ – schwarzes Loch. Ein solches Objekt entsteht, wenn die Masse eines Sternüberrests so groß ist, dass der Druck der kontaktierenden Neutronen (der Druck eines entarteten Neutronengases) in den Tiefen dieses Überrests seiner gravitativen Selbstkompression nicht widerstehen kann. Beobachtungen zeigen, dass die Massengrenze zwischen Neutronensternen und Schwarzen Löchern in der Nähe von ~2,1 Sonnenmassen liegt.

Es ist unmöglich, ein einzelnes Schwarzes Loch direkt zu beobachten. Denn kein Teilchen kann seiner Oberfläche entkommen (sofern es sie gibt). Sogar ein Lichtteilchen ist ein Photon.

4. Neutronensterne und Schwarze Löcher in Doppelsternsystemen.
Einzelne Neutronensterne und Schwarze Löcher mit Sternmasse sind praktisch nicht beobachtbar. Aber in Fällen, in denen es sich um einen von zwei oder mehr Sternen in nahegelegenen Sternensystemen handelt, sind solche Beobachtungen möglich. Denn mit ihrer Schwerkraft können sie die äußeren Hüllen ihrer Nachbarn, die immer noch normale Sterne bleiben, „aussaugen“.

Mit diesem „Sog“ um einen Neutronenstern oder ein Schwarzes Loch, a Akkretionsscheibe, dessen Materie teilweise auf einen Neutronenstern oder ein Schwarzes Loch „gleitet“ und teilweise in zwei Teile von diesem weggeschleudert wird Jets. Dieser Vorgang kann aufgezeichnet werden. Ein Beispiel ist das Doppelsternsystem in SS433, dessen Bestandteil entweder ein Neutronenstern oder ein Schwarzes Loch ist. Und der zweite ist immer noch ein gewöhnlicher Star:

5. Braune Zwerge.
Sterne mit Massen deutlich kleiner als die Sonnenmasse und bis zu ~0,08 Sonnenmassen sind Rote Zwerge der Klasse M. Sie funktionieren länger als das Alter des Universums im Wasserstoff-Helium-Zyklus. Bei Objekten mit Massen unterhalb dieser Grenze ist eine stationäre, lang andauernde thermonukleare Fusion aus verschiedenen Gründen nicht möglich. Solche Sterne werden Braune Zwerge genannt. Ihre Oberflächentemperatur ist so niedrig, dass sie in der Optik nahezu unsichtbar sind. Sie leuchten aber im Infrarotbereich. Aus der Kombination dieser Gründe werden sie oft aufgerufen Untersterne.

Der Massenbereich Brauner Zwerge liegt zwischen 0,012 und 0,08 Sonnenmassen. Objekte mit einer Masse von weniger als 0,012 Sonnenmassen (~12 Jupitermassen) können nur Planeten sein. Gasriesen. Aufgrund der langsamen gravitativen Selbstkompression strahlen sie deutlich mehr Energie ab, als sie von ihren Muttersternen erhalten. Somit strahlt Jupiter, gemessen an der Summe aller Reichweiten, etwa doppelt so viel Energie aus, wie er von der Sonne erhält.

Theoretisch kann sich jeder kosmische Körper in ein Schwarzes Loch verwandeln. Beispielsweise müsste ein Planet wie die Erde auf einen Radius von einigen Millimetern schrumpfen, was in der Praxis natürlich unwahrscheinlich ist. In der neuen Ausgabe mit dem „Enlightener“-Award veröffentlicht T&P einen Auszug aus dem Buch des Physikers Emil Akhmedov „On the Birth and Death of Black Holes“, der erklärt, wie sich Himmelskörper in Schwarze Löcher verwandeln und ob man sie im Schwarzen Loch sehen kann sternenklarer Himmel.

Wie entstehen Schwarze Löcher?

*Wenn eine Kraft einen Himmelskörper auf den seiner Masse entsprechenden Schwarzschildradius komprimiert, dann krümmt er die Raumzeit so stark, dass nicht einmal Licht ihn verlassen kann. Das bedeutet, dass der Körper zu einem Schwarzen Loch wird.

Für einen Stern mit der Masse der Sonne beträgt der Schwarzschildradius beispielsweise etwa drei Kilometer. Vergleichen Sie diesen Wert mit der tatsächlichen Größe der Sonne – 700.000 Kilometer. Gleichzeitig beträgt der Schwarzschild-Radius für einen Planeten mit der Masse der Erde mehrere Millimeter.

[…]Nur die Gravitationskraft ist in der Lage, einen Himmelskörper auf so kleine Größen wie seinen Schwarzschildradius* zu komprimieren, da nur die Gravitationswechselwirkung ausschließlich zur Anziehung führt und mit zunehmender Masse tatsächlich unbegrenzt zunimmt. Die elektromagnetische Wechselwirkung zwischen Elementarteilchen ist um viele Größenordnungen stärker als die gravitative Wechselwirkung. Es stellt sich jedoch heraus, dass jede elektrische Ladung in der Regel durch eine Ladung mit entgegengesetztem Vorzeichen kompensiert wird. Nichts kann die Gravitationsladung – die Masse – abschirmen.

Ein Planet wie die Erde schrumpft unter seinem eigenen Gewicht nicht auf die entsprechenden Schwarzschild-Dimensionen, weil seine Masse nicht ausreicht, um die elektromagnetische Abstoßung der Kerne, Atome und Moleküle, aus denen er besteht, zu überwinden. Und ein Stern wie die Sonne, der ein viel massereicheres Objekt ist, zieht sich aufgrund des starken gasdynamischen Drucks aufgrund der hohen Temperatur in seinen Tiefen nicht zusammen.

Beachten Sie, dass bei sehr massereichen Sternen mit einer Masse von mehr als hundert Sonnen keine Kompression auftritt, hauptsächlich aufgrund des starken Lichtdrucks. Bei Sternen mit einer Masse von mehr als zweihundert Sonnen reichen weder die Gasdynamik noch der Lichtdruck aus, um die katastrophale Kompression (Kollaps) eines solchen Sterns zu einem Schwarzen Loch zu verhindern. Im Folgenden werden wir jedoch die Entwicklung leichterer Sterne diskutieren.

Das Licht und die Wärme von Sternen sind Produkte thermonuklearer Reaktionen. Diese Reaktion findet statt, weil im Inneren von Sternen genügend Wasserstoff vorhanden ist und die Materie unter dem Druck der gesamten Sternmasse stark komprimiert wird. Eine starke Kompression ermöglicht es, die elektromagnetische Abstoßung identischer Ladungen von Wasserstoffkernen zu überwinden, denn eine thermonukleare Reaktion ist die Verschmelzung von Wasserstoffkernen zu einem Heliumkern, begleitet von einer großen Energiefreisetzung.

Früher oder später wird die Menge an thermonuklearem Brennstoff (Wasserstoff) stark reduziert, der Lichtdruck wird schwächer und die Temperatur wird sinken. Wenn die Masse des Sterns klein genug ist, wie die der Sonne, durchläuft er die Phase des Roten Riesen und wird zu einem Weißen Zwerg.

Wenn seine Masse groß ist, beginnt der Stern unter seinem eigenen Gewicht zu schrumpfen. Es wird einen Kollaps geben, den wir als Supernova-Explosion betrachten können. Dies ist ein sehr komplexer Prozess, der aus vielen Phasen besteht und dessen Details den Wissenschaftlern noch nicht klar sind, aber vieles ist bereits klar. Das ist zum Beispiel bekannt weiteres Schicksal eines Sterns hängt von seiner Masse im Moment vor dem Kollaps ab. Das Ergebnis einer solchen Kompression kann entweder ein Neutronenstern oder ein Schwarzes Loch oder eine Kombination mehrerer solcher Objekte und Weißer Zwerge sein.

„Schwarze Löcher sind das Ergebnis des Zusammenbruchs der schwersten Sterne“

Neutronensterne und Weiße Zwerge kollabieren nicht zu Schwarzen Löchern, weil sie nicht genug Masse haben, um den Druck des Neutronen- bzw. Elektronengases zu überwinden. Diese Belastungen sind bedingt Quanteneffekte, wirksam nach sehr starker Kompression. Die Diskussion des Letzteren steht nicht in direktem Zusammenhang mit der Physik Schwarzer Löcher und würde den Rahmen dieses Buches sprengen.

Befindet sich jedoch beispielsweise ein Neutronenstern in einem Doppelsternsystem, kann er Materie von einem Begleitstern anziehen. In diesem Fall wächst seine Masse und wenn sie einen bestimmten kritischen Wert überschreitet, kommt es erneut zum Kollaps, diesmal unter Bildung eines Schwarzen Lochs. Die kritische Masse wird aus der Bedingung bestimmt, dass das Neutronengas nicht genügend Druck erzeugt, um eine weitere Kompression zu verhindern.

*Dies ist eine Schätzung. Der genaue Wert des Grenzwerts ist noch nicht bekannt. - Ca. Autor.

Schwarze Löcher sind also das Ergebnis des Zusammenbruchs der schwersten Sterne. Nach modernem Verständnis sollte die Masse des Sternkerns nach dem Ausbrennen des thermonuklearen Brennstoffs mindestens zweieinhalb Sonnenmassen betragen*. Kein uns bekannter Materiezustand ist in der Lage, einen solchen Druck zu erzeugen, der verhindern würde, dass eine so große Masse zu einem Schwarzen Loch komprimiert wird, wenn der gesamte thermonukleare Brennstoff verbrannt wäre. Wir werden die Fakten, die die erwähnte Beschränkung der Masse eines Sterns für die Bildung eines Schwarzen Lochs experimentell bestätigen, etwas später besprechen, wenn wir darüber sprechen, wie Astronomen Schwarze Löcher entdecken. […]

Reis. 7. Missverständnis über den Zusammenbruch im Hinblick auf externer Beobachter wie ein langsamer werdender ewiger Fall, anstatt dass sich ein schwarzer Lochhorizont bildet

Im Zusammenhang mit unserer Diskussion wird es aufschlussreich sein, anhand eines Beispiels an die Verknüpfung verschiedener Ideen und Konzepte in der Wissenschaft zu erinnern. Diese Geschichte kann dem Leser einen Eindruck von der potenziellen Tiefe des diskutierten Themas vermitteln.

Es ist bekannt, dass Galileo als Reaktion auf die Kritik am kopernikanischen System das sogenannte Newtonsche Gesetz der Trägheitsbezugssysteme entwickelte. Die Kritik lautete, dass sich die Erde nicht um die Sonne drehen könne, weil wir sonst nicht auf ihrer Oberfläche bleiben könnten.

Als Antwort argumentierte Galileo, dass sich die Erde durch Trägheit um die Sonne dreht. Aber wir können Trägheitsbewegung nicht von Ruhe unterscheiden, genauso wie wir die Trägheitsbewegung beispielsweise eines Schiffes nicht spüren. Gleichzeitig glaubte er nicht an die Gravitationskräfte zwischen Planeten und Sternen, da er nicht an Fernwirkungen glaubte und er nicht einmal etwas über die Existenz von Feldern wissen konnte. Und eine so abstrakte Erklärung hätte ich damals nicht akzeptiert.

Galileo glaubte, dass Trägheitsbewegungen nur entlang einer idealen Kurve erfolgen können, das heißt, die Erde kann sich nur in einem Kreis oder in einem Kreis bewegen, dessen Mittelpunkt sich wiederum kreisförmig um die Sonne dreht. Das heißt, es kann zu einer Überlappung verschiedener Trägheitsbewegungen kommen. Diese letzte Art von Bewegung kann komplexer gestaltet werden, indem der Komposition noch mehr Kreise hinzugefügt werden. Eine solche Drehung wird als Bewegung entlang von Epizykeln bezeichnet. Es wurde erfunden, um das ptolemäische System mit den beobachteten Positionen der Planeten in Einklang zu bringen.

Übrigens beschrieb das kopernikanische System zum Zeitpunkt seiner Entstehung die beobachteten Phänomene viel schlechter als das ptolemäische System. Da auch Kopernikus nur an die Bewegung in perfekten Kreisen glaubte, stellte sich heraus, dass die Umlaufzentren einiger Planeten außerhalb der Sonne lagen. (Letzteres war einer der Gründe für die Verzögerung von Kopernikus bei der Veröffentlichung seiner Werke. Schließlich glaubte er aus ästhetischen Erwägungen an sein System, und das Vorhandensein seltsamer Verschiebungen von Umlaufzentren jenseits der Sonne passte nicht in diese Überlegungen.)

Es ist aufschlussreich, dass das System des Ptolemäus die beobachteten Daten im Prinzip mit jeder vorgegebenen Genauigkeit beschreiben konnte – es war lediglich erforderlich, die erforderliche Anzahl von Epizykeln hinzuzufügen. Trotz aller logischen Widersprüche in den ursprünglichen Ideen seiner Schöpfer konnte jedoch nur das kopernikanische System zu einer konzeptionellen Revolution unserer Ansichten über die Natur führen – zum Gesetz universelle Schwerkraft, das sowohl die Bewegung von Planeten als auch den Fall eines Apfels auf Newtons Kopf beschreibt, und anschließend zum Konzept eines Feldes.

Daher verneinte Galileo die keplersche Bewegung von Planeten entlang von Ellipsen. Er und Kepler tauschten Briefe aus, die in einem ziemlich gereizten Ton verfasst waren*. Dies trotz ihrer vollen Unterstützung desselben Planetensystems.

Galileo glaubte also, dass sich die Erde durch Trägheit um die Sonne bewegt. Aus Sicht der Newtonschen Mechanik ist dies ein klarer Fehler, da auf der Erde die Gravitationskraft wirkt. Allerdings aus der Sicht allgemeine Theorie Mit der Relativitätstheorie muss Galileo Recht haben: Aufgrund dieser Theorie bewegen sich Körper in einem Gravitationsfeld durch Trägheit, zumindest wenn ihre eigene Schwerkraft vernachlässigt werden kann. Diese Bewegung erfolgt entlang der sogenannten geodätischen Kurve. Im flachen Raum ist es einfach eine gerade Weltlinie, im Fall eines Planeten jedoch Sonnensystem Dabei handelt es sich um eine geodätische Weltlinie, die einer elliptischen und nicht unbedingt kreisförmigen Flugbahn entspricht. Leider konnte Galileo dies nicht wissen.

Aus der Allgemeinen Relativitätstheorie ist jedoch bekannt, dass Bewegung entlang einer Geodäten nur dann erfolgt, wenn man die Krümmung des Raums durch den sich bewegenden Körper selbst (den Planeten) vernachlässigen und annehmen kann, dass er ausschließlich durch das Gravitationszentrum (die Sonne) gekrümmt wird. . Es stellt sich natürlich die Frage: Hatte Galileo Recht mit der Trägheitsbewegung der Erde um die Sonne? Und obwohl dies keine so wichtige Frage ist, da wir jetzt den Grund kennen, warum Menschen nicht von der Erde fliegen, könnte es etwas mit der geometrischen Beschreibung der Schwerkraft zu tun haben.

Wie kann man ein Schwarzes Loch „sehen“?

[…] Kommen wir nun zu einer Diskussion darüber, wie Schwarze Löcher am Sternenhimmel beobachtet werden. Wenn ein Schwarzes Loch die gesamte Materie, die es umgibt, verbraucht hat, kann es nur noch durch die Verzerrung der Lichtstrahlen entfernter Sterne gesehen werden. Das heißt, wenn es in der Nähe von uns ein Schwarzes Loch in so reiner Form gäbe, dann würden wir ungefähr das sehen, was auf dem Cover abgebildet ist. Aber selbst wenn man auf ein solches Phänomen gestoßen ist, kann man nicht sicher sein, dass es sich um ein Schwarzes Loch handelt und nicht nur um einen massiven, nicht leuchtenden Körper. Es erfordert einige Arbeit, das eine vom anderen zu unterscheiden.

In Wirklichkeit sind Schwarze Löcher jedoch von Wolken umgeben, die Elementarteilchen, Staub, Gase, Meteoriten, Planeten und sogar Sterne enthalten. Daher beobachten Astronomen etwas wie das in Abb. 9. Aber wie kommen sie zu dem Schluss, dass es sich um ein Schwarzes Loch und nicht um eine Art Stern handelt?

Reis. 9. Die Realität ist viel prosaischer und wir müssen Schwarze Löcher beobachten, die von verschiedenen Himmelskörpern, Gasen und Staubwolken umgeben sind

Wählen Sie zunächst einen Bereich einer bestimmten Größe am Sternenhimmel aus, normalerweise in einem Doppelsternsystem oder in einem aktiven galaktischen Kern. Die von ihm ausgehenden Strahlungsspektren bestimmen die Masse und das Verhalten der darin enthaltenen Substanz. Als nächstes wird aufgezeichnet, dass Strahlung von dem betreffenden Objekt ausgeht, etwa von Partikeln, die in ein Gravitationsfeld fallen, und nicht nur von thermonuklearen Reaktionen, die im Inneren von Sternen ablaufen. Die Strahlung, die insbesondere das Ergebnis der gegenseitigen Reibung der auf einen Himmelskörper fallenden Materie ist, enthält viel energiereichere Gammastrahlung als das Ergebnis einer thermonuklearen Reaktion.

„Schwarze Löcher sind von Wolken umgeben, die Elementarteilchen, Staub, Gase, Meteoriten, Planeten und sogar Sterne enthalten.“

Wenn die beobachtete Region klein genug ist, kein Pulsar ist und eine große Masse darin konzentriert ist, kann daraus geschlossen werden, dass es sich um ein Schwarzes Loch handelt. Erstens wird theoretisch vorhergesagt, dass es nach dem Ausbrennen des Fusionsbrennstoffs keinen Aggregatzustand gibt, der einen Druck erzeugen könnte, der den Kollaps so großer Masse in einem so kleinen Bereich verhindern könnte.

Zweitens dürfte es sich, wie gerade betont, bei den Objekten nicht um Pulsare handeln. Ein Pulsar ist ein Neutronenstern, der im Gegensatz zu einem Schwarzen Loch eine Oberfläche hat und sich wie ein großer Magnet verhält, was eine dieser subtileren Eigenschaften ist elektromagnetisches Feld als die Ladung. Neutronensterne sind das Ergebnis einer sehr starken Kompression der ursprünglich rotierenden Sterne und rotieren noch schneller, da der Drehimpuls erhalten bleiben muss. Dies führt dazu, dass solche Sterne Magnetfelder erzeugen, die sich im Laufe der Zeit ändern. Letztere sind maßgeblich an der Entstehung der charakteristischen pulsierenden Strahlung beteiligt.

Alles gefunden auf dieser Moment Pulsare haben eine Masse von weniger als zweieinhalb Sonnenmassen. Quellen charakteristischer energiereicher Gammastrahlung, deren Masse diesen Grenzwert überschreitet, sind keine Pulsare. Wie man sieht, deckt sich diese Massengrenze mit theoretischen Vorhersagen, die auf den uns bekannten Materiezuständen basieren.

All dies ist zwar keine direkte Beobachtung, aber ein ziemlich überzeugendes Argument dafür, dass Astronomen Schwarze Löcher sehen und nicht etwas anderes. Allerdings ist es eine große Frage, was als direkte Beobachtung angesehen werden kann und was nicht. Schließlich sehen Sie als Leser nicht das Buch selbst, sondern nur das von ihm gestreute Licht. Und erst die Kombination aus taktilen und visuellen Empfindungen überzeugt Sie von der Realität seiner Existenz. Auf die gleiche Weise ziehen Wissenschaftler auf der Grundlage der Gesamtheit der von ihnen beobachteten Daten eine Schlussfolgerung über die Realität der Existenz dieses oder jenes Objekts.

Bei Sternen mit einer Masse unterhalb einer bestimmten kritischen Masse endet die Gravitationskompression im Stadium des sogenannten „Weißen Zwergs“.

Die Dichte des Weißen Zwergs beträgt mehr als 10 7 g/cm 3, die Oberflächentemperatur beträgt ~ 10 4 K. Dabei hohe Temperatur Die Atome müssen vollständig ionisiert sein und im Inneren des Sterns müssen die Kerne in ein Meer aus Elektronen eingetaucht sein, die ein entartetes Elektronengas bilden. Der Druck dieses Gases verhindert einen weiteren Gravitationskollaps des Sterns.

Der Druck eines entarteten Elektronengases ist quantenmechanischer Natur. Es ergibt sich aus dem Pauli-Prinzip, dem Elektronen gehorchen.

Das Pauli-Prinzip legt eine Grenze für den minimalen Raum fest, den jedes Elektron einnehmen kann. Der Druck von außen ist nicht in der Lage, dieses Volumen zu reduzieren. In einem Weißen Zwerg haben alle Elektronen ein Mindestvolumen erreicht und die Gravitationskompression wird durch den Innendruck des Elektronengases ausgeglichen.

Die maximale Masse eines Weißen Zwergs liegt bei etwa 1,5 Mio. s. Diese Grenzmasse wird Chandrasekhar-Grenze genannt (M s ist die Masse der Sonne, gleich ~ 1,99·10 30 kg).

Normalerweise wird das geglaubt maximales Gewicht Weißer Zwerg 1,4M s. Daher kann der Elektronenentartungsdruck keine Massen größer als 1,4 M s enthalten. Wenn 0,5 Mio. s< M < 1.4M s , ядро белого карлика состоит из углерода и кислорода. Если M < 0.5M s , ядро белого карлика состоит из гелия.

Die Dichte eines Weißen Zwergs mit einer Masse nahe der von Chandrasekhar beträgt 6x10 6 g/cm3, der Radius beträgt 5x10 3 km.

Die Leuchtkraft von Weißen Zwergen beträgt 10 -2 -10 -4 der Leuchtkraft der Sonne. Ihre Strahlung wird durch die in ihnen gespeicherte Wärmeenergie bereitgestellt.

Neutronenstern

Berechnungen zeigen, dass bei einer Supernova-Explosion mit M ~ 25M s ein dichter Neutronenkern (Neutronenstern) mit einer Masse von ~ 1,6M s zurückbleibt.

Bei Sternen mit einer Restmasse M > 1,4M s, die das Supernova-Stadium noch nicht erreicht haben, kann der Druck des entarteten Elektronengases auch die Gravitationskräfte nicht ausgleichen und der Stern wird auf einen Zustand nuklearer Dichte komprimiert. Der Mechanismus dieses Gravitationskollapses ist der gleiche wie bei einer Supernova-Explosion.

Der Druck und die Temperatur im Inneren des Sterns erreichen solche Werte, bei denen Elektronen und Protonen scheinbar ineinander und infolge der Reaktion „gepresst“ werden

p + e - > n + v e

Nach der Emission von Neutrinos entstehen Neutronen, die ein viel kleineres Phasenvolumen einnehmen als Elektronen.

Es entsteht ein sogenannter Neutronenstern, dessen Dichte 10 14 - 10 15 g/cm 3 erreicht. Die charakteristische Größe eines Neutronensterns beträgt 10-15 km.

In gewissem Sinne ist ein Neutronenstern ein riesiger Atomkern.

Eine weitere Gravitationskompression wird durch den Druck der Kernmaterie verhindert, der durch die Wechselwirkung von Neutronen entsteht. Dies ist der gleiche Entartungsdruck wie zuvor im Fall eines Weißen Zwergs, es handelt sich jedoch um den Entartungsdruck eines viel dichteren Neutronengases. Dieser Druck kann Massen bis zu 3,2 M s halten.

Im Moment des Kollaps erzeugte Neutrinos kühlen den Neutronenstern ziemlich schnell ab. Theoretischen Schätzungen zufolge sinkt seine Temperatur in einer Zeit von ~ 100 s von 10 11 auf 10 9 K. Darüber hinaus nimmt die Abkühlgeschwindigkeit leicht ab. Allerdings ist sie im astronomischen Maßstab recht hoch. In 100 Jahren kommt es zu einem Temperaturabfall von 10 9 auf 10 8 K und in einer Million Jahren auf 10 6 K.

Der Nachweis von Neutronensternen mit optischen Methoden ist aufgrund ihrer geringen Größe und niedrigen Temperatur recht schwierig.

1967 entdeckten Hewish und Bell an der Universität Cambridge kosmische Quellen periodischer elektromagnetischer Strahlung – Pulsare. Die Pulswiederholungsperioden der meisten Pulsare liegen im Bereich von 3,3·10 -2 bis 4,3 s.

Nach modernen Vorstellungen sind Pulsare rotierende Neutronensterne mit einer Masse von 1–3 Mio. s und einem Durchmesser von 10–20 km.

Nur kompakte Objekte mit den Eigenschaften von Neutronensternen können bei solchen Rotationsgeschwindigkeiten ihre Form beibehalten, ohne zu kollabieren.

Die Erhaltung des Drehimpulses und des Magnetfeldes während der Entstehung eines Neutronensterns führt zur Entstehung schnell rotierender Pulsare mit einem starken Magnetfeld B ~ 10 12 G.

B ist der magnetische Induktionsvektor, die Hauptkraftcharakteristik des Magnetfelds. Gemessen in Gauss (G) im CGS-System (Zentimeter-Gramm-Sekunde) und in Tesla (T) in Internationales System Einheiten (SI). 1 T = 10 4 Gs.

Es wird angenommen, dass ein Neutronenstern ein Magnetfeld besitzt, dessen Achse nicht mit der Rotationsachse des Sterns übereinstimmt. In diesem Fall gleitet die Strahlung des Sterns (Radiowellen und sichtbares Licht) wie die Strahlen eines Leuchtturms über die Erde. Wenn der Strahl die Erde kreuzt, wird ein Impuls aufgezeichnet.

Die Strahlung eines Neutronensterns selbst entsteht dadurch, dass sich geladene Teilchen von der Oberfläche des Sterns entlang magnetischer Feldlinien nach außen bewegen und dabei elektromagnetische Wellen aussenden. Dieser erstmals von Gold vorgeschlagene Pulsar-Radioemissionsmechanismus ist in der folgenden Abbildung dargestellt.

Trifft ein Strahlungsstrahl auf einen Beobachter auf der Erde, erkennt das Radioteleskop kurze Radioemissionsimpulse mit einer Periode, die der Rotationsperiode des Neutronensterns entspricht.

Die Form des Pulses kann sehr komplex sein, was durch die Geometrie der Magnetosphäre des Neutronensterns bestimmt wird und für jeden Pulsar charakteristisch ist.

Die Rotationsperioden von Pulsaren sind streng konstant und die Genauigkeit der Messung dieser Perioden erreicht 14-stellige Werte.

Derzeit wurden Pulsare entdeckt, die Teil binärer Systeme sind. Wenn der Pulsar die zweite Komponente umkreist, sollten aufgrund des Doppler-Effekts Schwankungen in der Pulsarperiode beobachtet werden.

Wenn sich der Pulsar dem Beobachter nähert, verringert sich die aufgezeichnete Periode der Radioimpulse aufgrund des Doppler-Effekts, und wenn sich der Pulsar von uns entfernt, erhöht sich seine Periode. Basierend auf diesem Phänomen wurden Pulsare entdeckt, die Teil von Doppelsternen sind.

Für den ersten entdeckten Pulsar PSR 1913 + 16, der Teil eines Doppelsternsystems ist, betrug die Umlaufzeit 7 Stunden 45 Minuten. Die natürliche Umlaufzeit des Pulsars PSR 1913 + 16 beträgt 59 ms.

Die Strahlung des Pulsars soll zu einer Verringerung der Rotationsgeschwindigkeit des Neutronensterns führen. Dieser Effekt wurde auch festgestellt. Auch ein Neutronenstern, der Teil eines Doppelsternsystems ist, kann eine Quelle intensiver Röntgenstrahlung sein.

Die Entstehung von Neutronensternen ist nicht immer eine Folge einer Supernova-Explosion. Ein weiterer möglicher Mechanismus für die Entstehung von Neutronensternen während der Entwicklung von Weißen Zwergen in nahen Doppelsternsystemen.

Der Materiefluss vom Begleitstern zum Weißen Zwerg erhöht allmählich die Masse des Weißen Zwergs und bei Erreichen einer kritischen Masse (Chandrasekhar-Grenze) verwandelt sich der Weiße Zwerg in einen Neutronenstern.

Wenn der Materiefluss nach der Entstehung eines Neutronensterns weitergeht, kann seine Masse erheblich zunehmen und er kann sich infolge eines Gravitationskollapses in ein Schwarzes Loch verwandeln. Dies entspricht dem sogenannten „stillen“ Zusammenbruch.

Es gibt eine Grenze für die Masse eines Sterns, die durch dicht gepackte Neutronen im Gleichgewicht gehalten werden kann. Diese Grenze kann nicht genau berechnet werden, da das Verhalten von Materie bei Dichten, die deutlich über der Dichte der Kernmaterie liegen, nicht ausreichend untersucht wurde.

Schätzungen der Masse des Sterns, die durch entartete Neutronen nicht mehr stabilisiert werden kann, ergeben einen Wert von ~ 3M s.

Wenn also bei einer Supernova-Explosion eine Restmasse M > 3M s erhalten bleibt, kann dieser nicht in Form eines stabilen Neutronensterns existieren.

Die nuklearen Abstoßungskräfte auf kurze Distanz können einer weiteren Gravitationskompression des Sterns nicht standhalten. Ein ungewöhnliches Objekt erscheint – ein Schwarzes Loch.

Die Haupteigenschaft eines Schwarzen Lochs besteht darin, dass keine von ihm ausgesendeten Signale über seine Grenzen hinausgehen und einen externen Beobachter erreichen können.

Ein Stern der Masse M, der in ein Schwarzes Loch kollabiert, erreicht eine Kugel mit dem Radius r g (Schwarzschild-Kugel):

r g = 2GM/c 2,

(Formal lässt sich dieser Zusammenhang dadurch erreichen, dass man in der bekannten Formel für die zweite Fluchtgeschwindigkeit annimmt v k2 = (2GM/R) 1/2 der Grenzwert dieser Geschwindigkeit ist gleich der Lichtgeschwindigkeit).

Wenn ein Objekt die Größe einer Schwarzschild-Kugel erreicht, wird sein Gravitationsfeld so stark, dass sogar elektromagnetische Strahlung. Der Schwarzschildradius der Sonne beträgt 3 km, der der Erde 1 cm.

Ein Schwarzschild-Schwarzes Loch ist ein nicht rotierendes Objekt und der Überrest eines massereichen, nicht rotierenden Sterns. Ein rotierender massereicher Stern kollabiert in ein rotierendes Schwarzes Loch (Kerr-Schwarzes Loch).

Ein Schwarzes Loch kann nur durch indirekte Beweise nachgewiesen werden, insbesondere wenn es Teil eines Doppelsternsystems mit einem sichtbaren Stern ist. In diesem Fall saugt das Schwarze Loch das Gas des Sterns an. Dieses Gas erwärmt sich und wird zu einer Quelle intensiver Röntgenstrahlung, die nachgewiesen werden kann.

Derzeit gibt es keine direkten experimentelle Bestätigung Existenz von Schwarzen Löchern. Es gibt mehrere Weltraumobjekte, deren Verhalten durch die Anwesenheit von Schwarzen Löchern erklärt werden kann.

Es handelt sich also um das Objekt Cygnus XI, bei dem es sich um ein Doppelsternsystem mit einer Rotationsperiode von 5,6 Tagen handelt. Das System umfasst einen Blauen Riesen mit einer Masse von 22 Mio. s und eine unsichtbare Quelle pulsierender Röntgenstrahlung mit einer Masse von 8 Mio. s, bei der es sich möglicherweise um ein Schwarzes Loch handelt (ein Objekt mit einer so großen Masse kann kein Neutronenstern sein).

Neben Schwarzen Löchern, die beim Zusammenbruch von Sternen entstehen, kann es im Universum auch Schwarze Löcher geben, die aufgrund der Inhomogenität des Urknalls lange vor dem Erscheinen der ersten Sterne entstanden sind.

Die entstandenen Materieklumpen konnten zu Schwarzen Löchern komprimiert werden, während sich der Rest der Materie ausdehnte. Schwarze Löcher, die im frühesten Stadium des Universums entstanden sind, werden Reliktlöcher genannt. Es wird angenommen, dass die Größe einiger von ihnen deutlich kleiner sein könnte als die Größe eines Protons.

1974 zeigte Hawking, dass Schwarze Löcher Teilchen aussenden müssen. Die Quelle dieser Teilchen ist der Prozess der Bildung virtueller Teilchen-Antiteilchen-Paare im Vakuum. In gewöhnlichen Feldern vernichten sich diese Paare so schnell, dass sie nicht beobachtet werden können. In sehr starken Feldern können sich jedoch ein virtuelles Teilchen und ein Antiteilchen trennen und real werden.

Am Rand eines Schwarzen Lochs wirken starke Gezeitenkräfte. Unter dem Einfluss dieser Kräfte können einige der Teilchen (Antiteilchen), die Teil der virtuellen Paare waren, aus dem Schwarzen Loch herausfliegen. Da viele von ihnen vernichten, muss das Schwarze Loch zu einer Strahlungsquelle werden.

Die Energie, die ein Schwarzes Loch in den Weltraum abgibt, stammt aus seinen Tiefen. Daher sollten im Prozess einer solchen Partikelemission die Masse und die Größe des Schwarzen Lochs abnehmen. Dies ist der Mechanismus der „Verdunstung“ eines Schwarzen Lochs.

Die Temperatur eines Schwarzen Lochs ist umgekehrt proportional zu seiner Masse, sodass die massereicheren Löcher langsamer verdampfen, da ihre Lebensdauer proportional zur dritten Potenz der Masse (in der vierdimensionalen Raumzeit) ist. Beispielsweise übersteigt die Lebensdauer eines Schwarzen Lochs mit einer Masse M in der Größenordnung der Sonne das Alter des Universums, während ein Mikroloch mit M = 1 Teraelektronenvolt (10 12 eV, etwa 2x10 -30 kg) etwa 10 -27 lebt Sekunden (Wissenschaft und Leben, SCHWARZE LÖCHER).

Bei großen Schwarzen Löchern ist die „Verdunstung“ sehr langsam und kann praktisch vernachlässigt werden. Ein Schwarzes Loch mit einer Masse von 10 Sonnenmassen wird in 10 69 Jahren verdampfen. Verdampfungszeit supermassiver (Milliarden Sonnenmassen) Schwarzer Löcher, die sich möglicherweise im Zentrum befinden große Galaxien, kann 10 96 Jahre betragen.

Die Umwandlungsprozesse von Sternen in Weiße Zwerge, Neutronensterne oder Schwarze Löcher gehen meist mit der Emission kolossaler Energie einher. Weitere Details zu dieser Art von Energieemissionen und anderen kosmischen Explosionen werden im folgenden Video beschrieben.

Video: Die schwersten und größten Explosionen im Weltraum. Explosionen von Galaxien, Sternen, Planeten.

Weiße Zwerge, Neutronensterne und Schwarze Löcher sind es verschiedene Formen das letzte Stadium der Sternentwicklung. Junge Sterne beziehen ihre Energie aus thermonuklearen Reaktionen, die im Inneren des Sterns ablaufen; Bei diesen Reaktionen wird Wasserstoff in Helium umgewandelt. Nachdem ein bestimmter Anteil an Wasserstoff verbraucht ist, beginnt der resultierende Heliumkern zu schrumpfen. Die weitere Entwicklung eines Sterns hängt von seiner Masse ab, genauer gesagt davon, wie sie sich auf einen bestimmten kritischen Wert bezieht, der als Chandrasekhar-Grenze bezeichnet wird. Wenn die Masse des Sterns unter diesem Wert liegt, stoppt der Druck des entarteten Elektronengases die Kompression (Kollaps) des Heliumkerns, bevor seine Temperatur einen so hohen Wert erreicht, wenn thermonukleare Reaktionen beginnen, bei denen Helium in Kohlenstoff umgewandelt wird . Unterdessen werden die äußeren Schichten des sich entwickelnden Sterns relativ schnell abgeworfen. (Es wird angenommen, dass auf diese Weise planetarische Nebel entstehen.) Ein Weißer Zwerg ist ein Heliumkern, der von einer mehr oder weniger ausgedehnten Wasserstoffhülle umgeben ist.

Bei massereicheren Sternen zieht sich der Heliumkern weiter zusammen, bis das Helium „ausbrennt“. Die bei der Umwandlung von Helium in Kohlenstoff freigesetzte Energie verhindert, dass der Kern weiter kollabiert – allerdings nicht für lange. Nachdem das Helium vollständig verbraucht ist, setzt sich die Kompression des Kerns fort. Die Temperatur steigt wieder an, weitere Kernreaktionen beginnen, die so lange ablaufen, bis die in den Atomkernen gespeicherte Energie erschöpft ist. Zu diesem Zeitpunkt besteht der Kern des Sterns bereits aus reinem Eisen, das die Rolle der nuklearen „Asche“ spielt. Jetzt kann nichts mehr den weiteren Kollaps des Sterns verhindern – er geht weiter, bis die Dichte seiner Materie die Dichte von Atomkernen erreicht. Die starke Kompression der Materie in den zentralen Regionen des Sterns erzeugt eine Explosion von enormer Kraft, wodurch die äußeren Schichten des Sterns mit enormer Geschwindigkeit auseinanderfliegen. Es sind diese Explosionen, die Astronomen mit dem Phänomen der Supernovae assoziieren.

Das Schicksal eines kollabierenden Sternrestes hängt von seiner Masse ab. Wenn die Masse weniger als etwa 2,5 M 0 (die Masse der Sonne) beträgt, ist der Druck aufgrund der „Null“-Bewegung von Neutronen und Protonen groß genug, um eine weitere gravitative Kompression des Sterns zu verhindern. Objekte, deren Materiedichte gleich der Dichte von Atomkernen ist (oder diese sogar übersteigt), werden Neutronensterne genannt. Ihre Eigenschaften wurden erstmals in den 30er Jahren von R. Oppenheimer und G. Volkov untersucht.

Nach Newtons Theorie verringert sich der Radius eines kollabierenden Sterns in endlicher Zeit auf Null, während das Gravitationspotential auf unbestimmte Zeit zunimmt. Einsteins Theorie zeichnet ein anderes Szenario. Die Geschwindigkeit des Photons nimmt ab, je mehr es sich dem Zentrum des Schwarzen Lochs nähert, es entsteht gleich Null. Das bedeutet, dass ein Photon, das in ein Schwarzes Loch fällt, aus der Sicht eines externen Beobachters niemals dessen Zentrum erreichen wird. Da sich Materieteilchen nicht schneller als ein Photon bewegen können, wird der Radius eines Schwarzen Lochs erreicht Grenzwert für unendliche Zeit. Darüber hinaus erfahren die von der Oberfläche des Schwarzen Lochs emittierten Photonen während des Kollaps eine zunehmende Rotverschiebung. Aus der Sicht eines externen Beobachters zieht sich das Objekt, aus dem das Schwarze Loch entsteht, zunächst immer schneller zusammen; dann beginnt sein Radius immer langsamer abzunehmen.

Ohne interne Energiequellen kühlen Neutronensterne und Schwarze Löcher schnell ab. Und da ihre Oberfläche sehr klein ist – nur wenige Dutzend Quadratkilometer – muss man damit rechnen, dass die Helligkeit dieser Objekte äußerst gering ist. Tatsächlich wurde bisher keine Wärmestrahlung von der Oberfläche von Neutronensternen oder Schwarzen Löchern beobachtet. Einige Neutronensterne sind jedoch starke Quellen nichtthermischer Strahlung. Es geht umüber die sogenannten Pulsare, die 1967 von Jocelyn Bell, einer Doktorandin an der Universität Cambridge, entdeckt wurden. Bell untersuchte Radiosignale, die mit Geräten aufgezeichnet wurden, die Anthony Hewish entwickelt hatte, um die Strahlung oszillierender Radioquellen zu untersuchen. Unter den vielen Aufnahmen chaotisch flackernder Quellen fiel ihr eine auf, bei der sich die Ausbrüche mit deutlicher Periodizität wiederholten, obwohl sie in ihrer Intensität variierten. Detailliertere Beobachtungen bestätigten die exakt periodische Natur der Impulse, und bei der Untersuchung anderer Aufzeichnungen wurden zwei weitere Quellen mit denselben Eigenschaften entdeckt. Beobachtungen und theoretische Analysen deuten darauf hin, dass Pulsare schnell rotierende Neutronensterne mit ungewöhnlich starken Magnetfeldern sind. Die pulsierende Natur der Strahlung wird durch einen Strahlenstrahl verursacht, der von „Hot Spots“ auf (oder in der Nähe) der Oberfläche eines rotierenden Neutronensterns austritt. Der detaillierte Mechanismus dieser Strahlung bleibt für Wissenschaftler immer noch ein Rätsel.

Als Teil enger Doppelsternsysteme wurden mehrere Neutronensterne entdeckt. Es sind diese (und keine anderen) Neutronensterne, die starke Quellen für Röntgenstrahlung sind. Stellen wir uns einen nahen Doppelstern vor, dessen eine Komponente ein Riese oder Überriese und die andere ein kompakter Stern ist. Unter dem Einfluss des Gravitationsfeldes eines kompakten Sterns kann Gas aus der verdünnten Atmosphäre des Riesen strömen: Solche Gasströme in engen Doppelsternsystemen, die seit langem durch Methoden der Spektralanalyse entdeckt wurden, haben eine entsprechende theoretische Interpretation erhalten. Wenn der kompakte Stern in einem Doppelsternsystem ein Neutronenstern oder ein Schwarzes Loch ist, können Gasmoleküle, die aus einer anderen Komponente des Systems austreten, auf sehr hohe Energien beschleunigt werden. Aufgrund von Kollisionen zwischen Molekülen kinetische Energie Gas, das auf einen kompakten Stern fällt, verwandelt sich schließlich in Wärme und Strahlung. Wie Schätzungen zeigen, erklärt die dabei freigesetzte Energie vollständig die beobachtete Intensität der Röntgenemission von binären Systemen dieses Typs.

In Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie nehmen Schwarze Löcher denselben Platz ein wie ultrarelativistische Teilchen in seiner spezielle Theorie Relativität. Aber wenn die Welt der ultrarelativistischen Teilchen – die Hochenergiephysik – voller erstaunlicher Phänomene ist, die eine Rolle spielen wichtige Rolle In der Experimentalphysik und beobachtenden Astronomie sorgen die mit Schwarzen Löchern verbundenen Phänomene immer noch nur für Überraschung. Die Physik Schwarzer Löcher wird irgendwann zu Ergebnissen führen, die für die Kosmologie wichtig sind, doch derzeit ist dieser Wissenschaftszweig größtenteils ein Spielplatz für Theoretiker. Folgt daraus nicht, dass Einsteins Gravitationstheorie uns weniger Informationen über das Universum liefert als Newtons Theorie, obwohl sie dieser theoretisch deutlich überlegen ist? Gar nicht! Im Gegensatz zu Newtons Theorie bildet Einsteins Theorie die Grundlage für ein in sich konsistentes Modell des realen Universums als Ganzes. Diese Theorie enthält viele erstaunliche und überprüfbare Vorhersagen und stellt schließlich einen kausalen Zusammenhang zwischen frei fallenden, nicht rotierenden Referenzen her Rahmen und die Verteilung, sowie die Bewegung der Masse im Kosmosraum.