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Schwarzes Loch: Was ist drin? Interessante Fakten und Forschung. Die erstaunliche Geschichte der Schwarzen Löcher

Aufgrund des relativ neuen Interesses, populärwissenschaftliche Filme über die Erforschung des Weltraums zu machen, hat der moderne Zuschauer viel über Phänomene wie die Singularität oder das Schwarze Loch gehört. Filme enthüllen jedoch offensichtlich nicht die volle Natur dieser Phänomene und verzerren manchmal sogar die konstruierten wissenschaftlichen Theorien, um eine größere Wirkung zu erzielen. Aus diesem Grund ist die Präsentation von vielen Moderne Menschenüber diese Phänomene entweder völlig oberflächlich oder völlig irrtümlich. Eine der Lösungen für das aufgetretene Problem ist dieser Artikel, in dem wir versuchen werden, die vorhandenen Forschungsergebnisse zu verstehen und die Frage zu beantworten: Was ist ein Schwarzes Loch?

1784 erwähnte der englische Priester und Naturforscher John Michell erstmals in einem Brief an die Royal Society einen hypothetischen massiven Körper, der eine so starke Gravitationsanziehung hat, dass die zweite kosmische Geschwindigkeit für ihn die Lichtgeschwindigkeit überschreiten würde. Die zweite kosmische Geschwindigkeit ist die Geschwindigkeit, die ein relativ kleines Objekt benötigt, um die Anziehungskraft eines Himmelskörpers zu überwinden und die geschlossene Umlaufbahn um diesen Körper zu verlassen. Nach seinen Berechnungen wird ein Körper mit der Dichte der Sonne und einem Radius von 500 Sonnenradien auf seiner Oberfläche eine zweite kosmische Geschwindigkeit haben, die der Lichtgeschwindigkeit entspricht. In diesem Fall wird auch das Licht die Oberfläche eines solchen Körpers nicht verlassen, und daher wird dieser Körper nur das einfallende Licht absorbieren und für den Betrachter unsichtbar bleiben - eine Art schwarzer Fleck vor dem Hintergrund des dunklen Raums.

Das von Michell vorgeschlagene Konzept eines supermassiven Körpers stieß jedoch bis zur Arbeit von Einstein nicht auf großes Interesse. Denken Sie daran, dass letztere die Lichtgeschwindigkeit als Grenzgeschwindigkeit der Informationsübertragung definiert haben. Außerdem erweiterte Einstein die Gravitationstheorie für Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit (). Infolgedessen war es nicht mehr relevant, die Newtonsche Theorie auf Schwarze Löcher anzuwenden.

Einsteins Gleichung

Als Ergebnis der Anwendung der Allgemeinen Relativitätstheorie auf Schwarze Löcher und der Lösung von Einsteins Gleichungen wurden die Hauptparameter eines Schwarzen Lochs enthüllt, von denen es nur drei gibt: Masse, elektrische Ladung und Drehimpuls. Hervorzuheben ist der bedeutende Beitrag des indischen Astrophysikers Subramanyan Chandrasekhar, der eine grundlegende Monographie erstellt hat: „The Mathematical Theory of Black Holes“.

Somit wird die Lösung der Einstein-Gleichungen durch vier Optionen für vier mögliche Arten von Schwarzen Löchern dargestellt:

Ein Schwarzes Loch ohne Rotation und ohne Ladung ist die Schwarzschild-Lösung. Eine der ersten Beschreibungen eines Schwarzen Lochs (1916) unter Verwendung von Einsteins Gleichungen, jedoch ohne Berücksichtigung von zwei der drei Parameter des Körpers. Mit der Lösung des deutschen Physikers Karl Schwarzschild können Sie das äußere Gravitationsfeld eines kugelförmigen massiven Körpers berechnen. Ein Merkmal des Konzepts des deutschen Wissenschaftlers von Schwarzen Löchern ist das Vorhandensein eines Ereignishorizonts und des dahinter liegenden. Schwarzschild berechnete auch zuerst den Gravitationsradius, der seinen Namen erhielt, der den Radius der Kugel bestimmt, auf der sich der Ereignishorizont für einen Körper mit einer bestimmten Masse befinden würde.
Ein schwarzes Loch ohne Rotation mit einer Ladung ist die Reisner-Nordström-Lösung. Eine 1916-1918 vorgeschlagene Lösung unter Berücksichtigung der möglichen elektrischen Ladung eines Schwarzen Lochs. Diese Ladung kann nicht beliebig groß sein und ist durch die resultierende elektrische Abstoßung begrenzt. Letzteres muss durch die Gravitationsanziehung kompensiert werden.
Ein schwarzes Loch mit Rotation und ohne Ladung - Kerrs Lösung (1963). Ein rotierendes Kerr-Schwarzes Loch unterscheidet sich von einem statischen durch das Vorhandensein der sogenannten Ergosphäre (lesen Sie mehr über diese und andere Bestandteile eines Schwarzen Lochs).
BH mit Rotation und Ladung - Kerr-Newman-Lösung. Diese Entscheidung wurde 1965 berechnet und ist derzeit das vollständigste, da es alle drei Parameter des Schwarzen Lochs berücksichtigt. Es wird jedoch immer noch angenommen, dass schwarze Löcher in der Natur eine unbedeutende Ladung haben.

Die Entstehung eines Schwarzen Lochs

Es gibt mehrere Theorien darüber, wie ein Schwarzes Loch entsteht und erscheint, von denen die berühmteste die Entstehung eines Sterns mit ausreichender Masse als Folge eines Gravitationskollaps ist. Eine solche Kompression kann die Entwicklung von Sternen mit einer Masse von mehr als drei Sonnenmassen beenden. Nach Abschluss der thermonuklearen Reaktionen in solchen Sternen beginnen sie schnell zu einem superdichten zu schrumpfen. Wenn der Druck des Gases eines Neutronensterns die Gravitationskräfte nicht kompensieren kann, das heißt, die Masse des Sterns überwindet die sogenannte. Oppenheimer-Volkov-Grenze, dann setzt sich der Kollaps fort, wodurch Materie zu einem Schwarzen Loch schrumpft.

Das zweite Szenario, das die Geburt eines Schwarzen Lochs beschreibt, ist die Kompression von protogalaktischem Gas, dh interstellarem Gas, das sich im Stadium der Umwandlung in eine Galaxie oder eine Art Haufen befindet. Bei zu geringem Innendruck, um die gleichen Gravitationskräfte auszugleichen, kann ein Schwarzes Loch entstehen.

Zwei weitere Szenarien bleiben hypothetisch:

Das Auftreten eines Schwarzen Lochs als Folge - das sogenannte. Urzeitliche Schwarze Löcher.
Auftreten als Folge von Kernreaktionen bei hohen Energien. Ein Beispiel für solche Reaktionen sind Experimente an Collidern.

Aufbau und Physik Schwarzer Löcher

Die Struktur eines Schwarzen Lochs umfasst nach Schwarzschild nur zwei Elemente, die zuvor erwähnt wurden: die Singularität und den Ereignishorizont eines Schwarzen Lochs. Um kurz über die Singularität zu sprechen, kann festgestellt werden, dass es unmöglich ist, eine gerade Linie durch sie zu ziehen, und auch, dass die meisten der vorhandenen Physikalische Theorien arbeiten nicht. Daher bleibt die Physik der Singularität für Wissenschaftler heute ein Rätsel. eines Schwarzen Lochs ist eine bestimmte Grenze, bei deren Überschreiten ein physisches Objekt die Fähigkeit verliert, über seine Grenzen hinaus zurückzukehren, und „fällt“ eindeutig in die Singularität eines Schwarzen Lochs.

Etwas komplizierter wird der Aufbau eines Schwarzen Lochs bei der Kerr-Lösung, nämlich bei Anwesenheit von BH-Rotation. Kerrs Lösung impliziert, dass das Loch eine Ergosphäre hat. Ergosphäre - ein bestimmter Bereich außerhalb des Ereignishorizonts, in dem sich alle Körper in Rotationsrichtung des Schwarzen Lochs bewegen. Dieser Bereich ist noch nicht spannend und kann im Gegensatz zum Ereignishorizont verlassen werden. Die Ergosphäre ist wahrscheinlich eine Art Analogon einer Akkretionsscheibe, die eine rotierende Substanz um massive Körper darstellt. Wenn ein statisches Schwarzschild-Schwarzes Loch als schwarze Kugel dargestellt wird, hat das Kerry-Schwarze Loch aufgrund des Vorhandenseins einer Ergosphäre die Form eines abgeflachten Ellipsoids, in dessen Form wir früher oft schwarze Löcher in Zeichnungen gesehen haben Filme oder Videospiele.

Wie viel wiegt ein Schwarzes Loch? – Das größte theoretische Material zum Auftreten eines Schwarzen Lochs liegt für das Szenario seines Auftretens als Folge des Kollapses eines Sterns vor. In diesem Fall werden die maximale Masse eines Neutronensterns und die minimale Masse eines Schwarzen Lochs durch die Oppenheimer-Volkov-Grenze bestimmt, wonach die untere Grenze der BH-Masse 2,5 - 3 Sonnenmassen beträgt. Das schwerste jemals entdeckte Schwarze Loch (in der Galaxie NGC 4889) hat eine Masse von 21 Milliarden Sonnenmassen. Man sollte jedoch die Schwarzen Löcher nicht vergessen, die hypothetisch aus Kernreaktionen bei hohen Energien resultieren, wie sie beispielsweise bei Collidern auftreten. Die Masse solcher Quantenschwarzen Löcher, also "Planck-Schwarze Löcher", liegt in der Größenordnung von , nämlich 2 10 −5 g.
Größe des Schwarzen Lochs. Der minimale BH-Radius kann aus der minimalen Masse (2,5 – 3 Sonnenmassen) berechnet werden. Wenn der Gravitationsradius der Sonne, also der Bereich, in dem der Ereignishorizont liegen würde, etwa 2,95 km beträgt, dann beträgt der minimale Radius einer BH von 3 Sonnenmassen etwa neun Kilometer. Solche relativ kleinen Größen passen nicht in den Kopf, wenn es um massive Objekte geht, die alles um sich herum anziehen. Für schwarze Quantenlöcher beträgt der Radius jedoch -10 −35 m.
Die durchschnittliche Dichte eines Schwarzen Lochs hängt von zwei Parametern ab: Masse und Radius. Die Dichte eines Schwarzen Lochs mit einer Masse von etwa drei Sonnenmassen beträgt etwa 6 10 26 kg/m³, während die Dichte von Wasser 1000 kg/m³ beträgt. Solche kleinen Schwarzen Löcher wurden jedoch von Wissenschaftlern nicht gefunden. Die meisten der entdeckten BHs haben Massen von mehr als 105 Sonnenmassen. Es gibt ein interessantes Muster, nach dem je massereicher das Schwarze Loch ist, desto geringer ist seine Dichte. In diesem Fall hat eine Massenänderung um 11 Größenordnungen eine Dichteänderung um 22 Größenordnungen zur Folge. So hat ein Schwarzes Loch mit einer Masse von 1 ·10 9 Sonnenmassen eine Dichte von 18,5 kg/m³, was um eins geringer ist als die Dichte von Gold. Und Schwarze Löcher mit einer Masse von mehr als 10 10 Sonnenmassen können eine durchschnittliche Dichte haben, die geringer ist als die Dichte von Luft. Basierend auf diesen Berechnungen ist es logisch anzunehmen, dass die Bildung eines Schwarzen Lochs nicht auf die Kompression von Materie zurückzuführen ist, sondern auf die Ansammlung einer großen Menge an Materie in einem bestimmten Volumen. Bei Quantenschwarzen Löchern kann ihre Dichte etwa 10 94 kg/m³ betragen.
Die Temperatur eines Schwarzen Lochs ist auch umgekehrt proportional zu seiner Masse. Gegebene Temperatur in direktem Zusammenhang mit. Das Spektrum dieser Strahlung stimmt mit dem Spektrum eines vollständig schwarzen Körpers überein, dh eines Körpers, der alle einfallende Strahlung absorbiert. Das Strahlungsspektrum eines Schwarzen Körpers hängt nur von seiner Temperatur ab, dann kann die Temperatur eines Schwarzen Lochs aus dem Hawking-Strahlungsspektrum bestimmt werden. Wie oben erwähnt, ist diese Strahlung umso stärker, je kleiner das Schwarze Loch ist. Gleichzeitig bleibt die Hawking-Strahlung hypothetisch, da sie von Astronomen noch nicht beobachtet wurde. Daraus folgt, dass bei Vorhandensein von Hawking-Strahlung die Temperatur der beobachteten BHs so niedrig ist, dass die angezeigte Strahlung nicht nachgewiesen werden kann. Berechnungen zufolge ist sogar die Temperatur eines Lochs mit einer Masse in der Größenordnung der Sonnenmasse vernachlässigbar klein (1 10 -7 K oder -272 °C). Die Temperatur von Quantenschwarzen Löchern kann etwa 10 12 K erreichen, und mit ihrer schnellen Verdampfung (etwa 1,5 min) können solche BHs Energie in der Größenordnung von zehn Millionen Atombomben abgeben. Aber glücklicherweise wird die Erschaffung solcher hypothetischer Objekte 10 14 mal mehr Energie erfordern als die, die heute am Large Hadron Collider erreicht wird. Darüber hinaus wurden solche Phänomene noch nie von Astronomen beobachtet.

Woraus besteht eine CHD?

Eine andere Frage beunruhigt sowohl Wissenschaftler als auch diejenigen, die sich einfach für Astrophysik interessieren: Woraus besteht ein Schwarzes Loch? Auf diese Frage gibt es keine einheitliche Antwort, da es nicht möglich ist, über den Ereignishorizont hinauszublicken, der ein Schwarzes Loch umgibt. Darüber hinaus sehen die theoretischen Modelle eines Schwarzen Lochs, wie bereits erwähnt, nur drei seiner Komponenten vor: die Ergosphäre, den Ereignishorizont und die Singularität. Es ist logisch anzunehmen, dass es in der Ergosphäre nur die Objekte gibt, die vom Schwarzen Loch angezogen wurden und nun um es kreisen – verschiedene Arten von kosmischen Körpern und kosmischem Gas. Der Ereignishorizont ist nur eine dünne implizite Grenze, hinter der dieselben kosmischen Körper unwiderruflich von der letzten Hauptkomponente des Schwarzen Lochs angezogen werden – der Singularität. Die Natur der Singularität wurde bis heute nicht untersucht, und es ist zu früh, um über ihre Zusammensetzung zu sprechen.

Nach einigen Annahmen könnte ein Schwarzes Loch aus Neutronen bestehen. Wenn wir das Szenario des Auftretens eines Schwarzen Lochs als Folge der Kompression eines Sterns zu einem Neutronenstern mit anschließender Kompression verfolgen, besteht der Hauptteil des Schwarzen Lochs wahrscheinlich aus Neutronen, aus denen der Neutronenstern besteht selbst besteht. In einfachen Worten: Wenn ein Stern kollabiert, werden seine Atome so komprimiert, dass sich Elektronen mit Protonen verbinden und so Neutronen bilden. Eine solche Reaktion findet tatsächlich in der Natur statt, bei der Bildung eines Neutrons kommt es zur Neutrino-Emission. Dies sind jedoch nur Vermutungen.

Was passiert, wenn man in ein Schwarzes Loch fällt?

Der Sturz in ein astrophysikalisches Schwarzes Loch führt zu einer Dehnung des Körpers. Stellen Sie sich einen hypothetischen Selbstmord-Astronauten vor, der mit nichts als einem Raumanzug bekleidet und mit den Füßen voran in ein Schwarzes Loch fliegt. Beim Überqueren des Ereignishorizonts wird der Astronaut keine Veränderungen bemerken, obwohl er keine Möglichkeit mehr hat, zurückzukehren. Irgendwann erreicht der Astronaut einen Punkt (etwas hinter dem Ereignishorizont), an dem die Verformung seines Körpers beginnt. Da das Gravitationsfeld eines Schwarzen Lochs ungleichmäßig ist und sich durch einen zum Zentrum hin zunehmenden Kraftgradienten darstellt, werden die Beine des Astronauten einer deutlich stärkeren Gravitationswirkung ausgesetzt als beispielsweise der Kopf. Dann „fallen“ die Beine aufgrund der Schwerkraft bzw. der Gezeitenkräfte schneller. So beginnt sich der Körper allmählich in der Länge zu dehnen. Um dieses Phänomen zu beschreiben, haben sich Astrophysiker einen ziemlich kreativen Begriff ausgedacht - Spaghettifizierung. Eine weitere Dehnung des Körpers wird ihn wahrscheinlich in Atome zerlegen, die früher oder später eine Singularität erreichen werden. Man kann nur vermuten, wie sich eine Person in dieser Situation fühlen wird. Es ist erwähnenswert, dass der Effekt der Dehnung des Körpers umgekehrt proportional zur Masse des Schwarzen Lochs ist. Das heißt, wenn ein BH mit der Masse von drei Sonnen den Körper sofort dehnt / bricht, dann hat das supermassereiche Schwarze Loch geringere Gezeitenkräfte, und es gibt Hinweise darauf, dass einige physikalische Materialien eine solche Verformung „tolerieren“ könnten, ohne ihre Struktur zu verlieren.

Wie Sie wissen, vergeht die Zeit in der Nähe massiver Objekte langsamer, was bedeutet, dass die Zeit für einen Selbstmordastronauten viel langsamer vergeht als für Erdbewohner. In diesem Fall überlebt er vielleicht nicht nur seine Freunde, sondern die Erde selbst. Es sind Berechnungen erforderlich, um zu bestimmen, wie viel Zeit sich ein Astronaut verlangsamen wird. Aus dem oben Gesagten kann jedoch davon ausgegangen werden, dass der Astronaut sehr langsam in das Schwarze Loch fällt und den Moment, in dem sein Körper beginnt, möglicherweise einfach nicht mehr erlebt zu verformen.

Es ist bemerkenswert, dass für einen Beobachter von außen alle Körper, die zum Ereignishorizont geflogen sind, am Rand dieses Horizonts verbleiben werden, bis ihr Bild verschwindet. Der Grund für dieses Phänomen ist die gravitative Rotverschiebung. Etwas vereinfacht können wir sagen, dass das Licht, das auf den Körper eines am Ereignishorizont "eingefrorenen" Selbstmordastronauten fällt, aufgrund seiner verlangsamten Zeit seine Frequenz ändert. Als die Zeit läuft langsamer, die Frequenz des Lichts nimmt ab und die Wellenlänge nimmt zu. Infolge dieses Phänomens verschiebt sich das Licht am Ausgang, dh für einen externen Beobachter, allmählich in Richtung Niederfrequenz - Rot. Eine Verschiebung des Lichts entlang des Spektrums wird stattfinden, da sich der Selbstmordastronaut immer weiter vom Beobachter entfernt, wenn auch fast unmerklich, und seine Zeit immer langsamer vergeht. Somit wird das von seinem Körper reflektierte Licht bald über das sichtbare Spektrum hinausgehen (das Bild wird verschwinden), und der Körper des Astronauten kann in Zukunft nur noch im Infrarotbereich, später im Hochfrequenzbereich, und infolgedessen erkannt werden die Strahlung wird völlig schwer fassbar sein.

Ungeachtet dessen, was oben geschrieben wurde, wird angenommen, dass sich in sehr großen supermassereichen Schwarzen Löchern die Gezeitenkräfte nicht so stark mit der Entfernung ändern und fast gleichmäßig auf den fallenden Körper einwirken. In diesem Fall das Fallen Raumschiff würde seine Struktur behalten. Es stellt sich eine vernünftige Frage: Wohin führt das Schwarze Loch? Diese Frage kann durch die Arbeit einiger Wissenschaftler beantwortet werden, die zwei solche Phänomene wie Wurmlöcher und Schwarze Löcher miteinander verbinden.

Bereits 1935 stellten Albert Einstein und Nathan Rosen unter Berücksichtigung einer Hypothese über die Existenz sogenannter Wurmlöcher auf, die zwei Punkte der Raumzeit an Stellen mit erheblicher Krümmung der letzteren - der Einstein-Rosen-Brücke - verbinden oder Wurmloch. Für eine so starke Raumkrümmung werden Körper mit einer gigantischen Masse benötigt, mit deren Rolle Schwarze Löcher perfekt zurechtkommen würden.

Einstein-Rosen-Brücke - gilt als ein undurchdringliches Wurmloch, wie sie hat kleine Größe und ist instabil.

Ein durchquerbares Wurmloch ist innerhalb der Theorie der Schwarzen und Weißen Löcher möglich. Wobei das weiße Loch die Ausgabe von Informationen ist, die in das schwarze Loch gefallen sind. Das Weiße Loch wird im Rahmen der Allgemeinen Relativitätstheorie beschrieben, aber heute bleibt es hypothetisch und wurde nicht entdeckt. Ein weiteres Modell eines Wurmlochs wurde von den amerikanischen Wissenschaftlern Kip Thorne und seinem Doktoranden Mike Morris vorgeschlagen, das passierbar sein kann. Allerdings setzt die Reisemöglichkeit wie beim Morris-Thorn-Wurmloch sowie bei Schwarzen und Weißen Löchern die Existenz sogenannter exotischer Materie voraus, die negative Energie hat und ebenfalls hypothetisch bleibt.

Schwarze Löcher im Universum

Die Existenz von Schwarzen Löchern wurde erst vor relativ kurzer Zeit bestätigt (September 2015), aber vor dieser Zeit gab es bereits viel theoretisches Material über die Natur von Schwarzen Löchern sowie viele Kandidatenobjekte für die Rolle eines Schwarzen Lochs. Zuallererst sollte man die Dimensionen des Schwarzen Lochs berücksichtigen, da die Natur des Phänomens von ihnen abhängt:

Schwarzes Loch mit stellarer Masse. Solche Objekte entstehen durch den Kollaps eines Sterns. Wie bereits erwähnt, beträgt die Mindestmasse eines Körpers, der ein solches Schwarzes Loch bilden kann, 2,5 - 3 Sonnenmassen.
Schwarze Löcher mittlerer Masse. Ein bedingter Zwischentyp von Schwarzen Löchern, die durch die Absorption nahegelegener Objekte wie Gasansammlungen, eines benachbarten Sterns (in Systemen mit zwei Sternen) und anderer kosmischer Körper zugenommen haben.
Supermassives Schwarzes Loch. Kompakte Objekte mit 10 5 -10 10 Sonnenmassen. Charakteristische Eigenschaften solcher BHs sind paradoxerweise geringe Dichte sowie schwache Gezeitenkräfte, die zuvor diskutiert wurden. Es ist dieses supermassive Schwarze Loch im Zentrum unserer Milchstraße (Sagittarius A*, Sgr A*) sowie der meisten anderen Galaxien.

Kandidaten für CHD

Das nächste Schwarze Loch, oder besser gesagt ein Kandidat für die Rolle eines Schwarzen Lochs, ist ein Objekt (V616 Unicorn), das sich in einer Entfernung von 3000 Lichtjahren von der Sonne (in unserer Galaxie) befindet. Es besteht aus zwei Komponenten: einem Stern mit einer Masse von der Hälfte der Sonnenmasse sowie einem unsichtbaren kleinen Körper, dessen Masse 3-5 Sonnenmassen beträgt. Wenn sich herausstellt, dass dieses Objekt ein kleines Schwarzes Loch mit Sternmasse ist, dann ist es mit Recht das nächste Schwarze Loch.

Nach diesem Objekt ist das zweitnächste Schwarze Loch Cyg X-1 (Cyg X-1), das der erste Kandidat für die Rolle eines Schwarzen Lochs war. Die Entfernung zu ihm beträgt ungefähr 6070 Lichtjahre. Ziemlich gut untersucht: Er hat eine Masse von 14,8 Sonnenmassen und einen Ereignishorizontradius von etwa 26 km.

Laut einigen Quellen könnte ein weiterer naheliegender Kandidat für die Rolle eines Schwarzen Lochs ein Körper im Sternensystem V4641 Sagittarii (V4641 Sgr) sein, der sich nach Schätzungen von 1999 in einer Entfernung von 1600 Lichtjahren befand. Spätere Studien erhöhten diesen Abstand jedoch um mindestens das 15-fache.

Wie viele Schwarze Löcher gibt es in unserer Galaxie?

Es gibt keine genaue Antwort auf diese Frage, da es ziemlich schwierig ist, sie zu beobachten, und während der gesamten Untersuchung des Himmels gelang es den Wissenschaftlern, etwa ein Dutzend schwarze Löcher darin zu entdecken Milchstraße. Ohne uns auf Berechnungen einzulassen, stellen wir fest, dass es in unserer Galaxie etwa 100 bis 400 Milliarden Sterne gibt und etwa jeder tausendste Stern genug Masse hat, um ein Schwarzes Loch zu bilden. Es ist wahrscheinlich, dass sich während der Existenz der Milchstraße Millionen von Schwarzen Löchern gebildet haben könnten. Da es einfacher ist, riesige Schwarze Löcher zu registrieren, ist es logisch anzunehmen, dass höchstwahrscheinlich die Mehrheit der Schwarzen Löcher in unserer Galaxie nicht supermassereich sind. Es ist bemerkenswert, dass die NASA-Forschung im Jahr 2005 auf die Anwesenheit eines ganzen Schwarms schwarzer Löcher (10-20.000) hinweist, die das Zentrum der Galaxie umkreisen. Darüber hinaus entdeckten japanische Astrophysiker 2016 einen massiven Satelliten in der Nähe des Objekts * - ein Schwarzes Loch, den Kern der Milchstraße. Aufgrund des kleinen Radius (0,15 Lichtjahre) dieses Körpers sowie seiner enormen Masse (100.000 Sonnenmassen) vermuten Wissenschaftler, dass dieses Objekt auch ein supermassereiches Schwarzes Loch ist.

Der Kern unserer Galaxie, das Schwarze Loch der Milchstraße (Sagittarius A*, Sgr A* oder Sagittarius A*) ist supermassiv und hat eine Masse von 4,31 10 6 Sonnenmassen und einen Radius von 0,00071 Lichtjahren (6,25 Lichtstunden). oder 6,75 Milliarden km). Die Temperatur von Sagittarius A* zusammen mit dem ihn umgebenden Haufen beträgt etwa 1 10 7 K.

Das größte Schwarze Loch

Das größte Schwarze Loch im Universum, das Wissenschaftler nachweisen konnten, ist ein supermassereiches Schwarzes Loch, der FSRQ-Blazar, im Zentrum der Galaxie S5 0014+81, in einer Entfernung von 1,2·10 10 Lichtjahren von der Erde. Nach vorläufigen Beobachtungsergebnissen mit dem Swift-Weltraumobservatorium betrug die Masse des Schwarzen Lochs 40 Milliarden (40 10 9) Sonnenmassen und der Schwarzschild-Radius eines solchen Lochs 118,35 Milliarden Kilometer (0,013 Lichtjahre). Berechnungen zufolge entstand er zudem vor 12,1 Milliarden Jahren (1,6 Milliarden Jahre nach dem Urknall). Wenn dieses riesige Schwarze Loch die ihn umgebende Materie nicht absorbiert, wird es die Ära der Schwarzen Löcher erleben - eine der Epochen in der Entwicklung des Universums, in der Schwarze Löcher darin dominieren werden. Wenn der Kern der Galaxie S5 0014+81 weiter wächst, wird er zu einem der letzten Schwarzen Löcher, die es im Universum geben wird.

Die anderen beiden bekannten Schwarzen Löcher, obwohl nicht benannt, sind von größter Bedeutung für das Studium der Schwarzen Löcher, da sie ihre Existenz experimentell bestätigten und auch wichtige Ergebnisse für das Studium der Schwerkraft lieferten. Wir sprechen über das Ereignis GW150914, das die Kollision von zwei Schwarzen Löchern in einem genannt wird. Diese Veranstaltung darf sich registrieren .

Nachweis von Schwarzen Löchern

Bevor man Methoden zum Nachweis von Schwarzen Löchern betrachtet, sollte man die Frage beantworten: Warum ist ein Schwarzes Loch schwarz? - die Antwort darauf erfordert keine tiefen Kenntnisse in Astrophysik und Kosmologie. Tatsache ist, dass ein Schwarzes Loch die gesamte darauf fallende Strahlung absorbiert und überhaupt nicht strahlt, wenn Sie die Hypothese nicht berücksichtigen. Betrachtet man dieses Phänomen genauer, so kann man davon ausgehen, dass es im Inneren von Schwarzen Löchern keine Prozesse gibt, die zur Freisetzung von Energie in Form von elektromagnetischer Strahlung führen. Wenn das Schwarze Loch dann strahlt, dann liegt es im Hawking-Spektrum (das mit dem Spektrum eines erhitzten, absolut schwarzen Körpers zusammenfällt). Wie bereits erwähnt, wurde diese Strahlung jedoch nicht nachgewiesen, was auf eine völlig niedrige Temperatur von Schwarzen Löchern hindeutet.

Eine andere allgemein akzeptierte Theorie besagt, dass elektromagnetische Strahlung überhaupt nicht in der Lage ist, den Ereignishorizont zu verlassen. Photonen (Lichtteilchen) werden höchstwahrscheinlich nicht von massiven Objekten angezogen, da sie der Theorie zufolge selbst keine Masse haben. Das Schwarze Loch "zieht" jedoch immer noch die Lichtphotonen durch die Verzerrung der Raumzeit an. Wenn wir uns ein Schwarzes Loch im Weltraum als eine Art Vertiefung auf der glatten Oberfläche der Raumzeit vorstellen, dann gibt es einen bestimmten Abstand vom Zentrum des Schwarzen Lochs, dem sich Licht nicht mehr entziehen kann. Das heißt, grob gesagt beginnt das Licht in die "Grube" zu "fallen", die nicht einmal einen "Boden" hat.

Darüber hinaus ist es aufgrund des Effekts der gravitativen Rotverschiebung möglich, dass Licht in einem Schwarzen Loch seine Frequenz verliert und sich entlang des Spektrums in den Bereich niederfrequenter langwelliger Strahlung verschiebt, bis es vollständig an Energie verliert.

Ein Schwarzes Loch ist also schwarz und daher im Weltraum schwer zu erkennen.

Nachweisverfahren

Betrachten Sie die Methoden, die Astronomen verwenden, um ein Schwarzes Loch zu entdecken:

Zusätzlich zu den oben genannten Methoden assoziieren Wissenschaftler häufig Objekte wie Schwarze Löcher und. Quasare sind einige Ansammlungen von kosmischen Körpern und Gas, die zu den hellsten astronomischen Objekten im Universum gehören. Da sie bei relativ kleinen Größen eine hohe Lumineszenzintensität aufweisen, gibt es Grund zu der Annahme, dass das Zentrum dieser Objekte ein supermassereiches Schwarzes Loch ist, das die umgebende Materie an sich zieht. Aufgrund einer so starken Gravitationsanziehung wird die angezogene Materie so erhitzt, dass sie intensiv strahlt. Die Detektion solcher Objekte wird üblicherweise mit der Detektion eines Schwarzen Lochs verglichen. Manchmal können Quasare Jets aus erhitztem Plasma in zwei Richtungen aussenden - relativistische Jets. Die Gründe für die Entstehung solcher Jets (Jet) sind nicht ganz klar, aber sie werden wahrscheinlich durch die Wechselwirkung der Magnetfelder der BH und der Akkretionsscheibe verursacht und nicht von einem direkten Schwarzen Loch emittiert.

Ein Jet in der M87-Galaxie, der aus dem Zentrum eines Schwarzen Lochs einschlägt

Zusammenfassend kann man sich aus der Nähe vorstellen: Es ist ein kugelförmiges schwarzes Objekt, um das sich stark erhitzte Materie dreht und eine leuchtende Akkretionsscheibe bildet.

Verschmelzende und kollidierende Schwarze Löcher

Eines der interessantesten Phänomene in der Astrophysik ist die Kollision von Schwarzen Löchern, die es auch ermöglicht, solch massive astronomische Körper zu entdecken. Solche Prozesse sind nicht nur für Astrophysiker interessant, da sie zu von Physikern schlecht untersuchten Phänomenen führen. Das hellste Beispiel ist das bereits erwähnte Ereignis namens GW150914, bei dem sich zwei Schwarze Löcher so sehr näherten, dass sie aufgrund gegenseitiger Anziehungskraft zu einem verschmolzen. Eine wichtige Konsequenz diese Kollision war die Entstehung von Gravitationswellen.

Nach der Definition von Gravitationswellen sind dies Änderungen des Gravitationsfeldes, die sich von massiven bewegten Objekten wellenartig ausbreiten. Nähern sich zwei solcher Objekte einander an, beginnen sie sich um einen gemeinsamen Schwerpunkt zu drehen. Wenn sie sich einander nähern, nimmt ihre Rotation um die eigene Achse zu. Solche variablen Schwingungen des Gravitationsfeldes können irgendwann eine mächtige Gravitationswelle bilden, die sich über Millionen von Lichtjahren im Weltraum ausbreiten kann. So kam es in einer Entfernung von 1,3 Milliarden Lichtjahren zu einer Kollision zweier Schwarzer Löcher, die eine starke Gravitationswelle bildeten, die am 14. September 2015 die Erde erreichte und von den Detektoren LIGO und VIRGO aufgezeichnet wurde.

Wie sterben Schwarze Löcher?

Damit ein Schwarzes Loch nicht mehr existiert, müsste es offensichtlich seine gesamte Masse verlieren. Doch nach ihrer Definition kann nichts das Schwarze Loch verlassen, wenn es seinen Ereignishorizont überschritten hat. Es ist bekannt, dass der sowjetische theoretische Physiker Vladimir Gribov in seiner Diskussion mit einem anderen sowjetischen Wissenschaftler Yakov Zeldovich zum ersten Mal die Möglichkeit der Emission von Teilchen durch ein Schwarzes Loch erwähnte. Er argumentierte, dass in Bezug auf Quantenmechanik Ein Schwarzes Loch ist in der Lage, Teilchen durch einen Tunneleffekt zu emittieren. Später baute er mit Hilfe der Quantenmechanik eine eigene, etwas andere Theorie auf, der englische theoretische Physiker Stephen Hawking. Sie können mehr über dieses Phänomen lesen. Kurz gesagt, es gibt sogenannte virtuelle Teilchen im Vakuum, die ständig paarweise geboren werden und sich gegenseitig vernichten, ohne mit der Außenwelt zu interagieren. Aber wenn solche Paare am Ereignishorizont des Schwarzen Lochs entstehen, dann ist die starke Schwerkraft hypothetisch in der Lage, sie zu trennen, wobei ein Teilchen in das Schwarze Loch fällt und das andere sich vom Schwarzen Loch entfernt. Und da ein Teilchen, das von einem Loch weggeflogen ist, beobachtet werden kann und daher positive Energie hat, muss ein Teilchen, das in ein Loch gefallen ist, negative Energie haben. Somit verliert das Schwarze Loch seine Energie und es tritt ein Effekt auf, der als Schwarzes-Loch-Verdunstung bezeichnet wird.

Gemäß den verfügbaren Modellen eines Schwarzen Lochs wird, wie bereits erwähnt, seine Strahlung intensiver, wenn seine Masse abnimmt. Dann, im Endstadium der Existenz eines Schwarzen Lochs, wenn es auf die Größe eines Quantenschwarzen Lochs reduziert werden kann, wird es eine riesige Menge an Energie in Form von Strahlung freisetzen, die Tausenden oder sogar Tausenden entsprechen kann Millionen Atombomben. Dieses Ereignis erinnert ein wenig an die Explosion eines Schwarzen Lochs, wie dieselbe Bombe. Berechnungen zufolge könnten durch den Urknall urzeitliche Schwarze Löcher entstanden sein, deren Masse in der Größenordnung von 10 12 kg ungefähr in unserer Zeit verdampft und explodiert sein müsste. Wie dem auch sei, solche Explosionen wurden von Astronomen noch nie beobachtet.

Trotz des von Hawking vorgeschlagenen Mechanismus zur Zerstörung von Schwarzen Löchern verursachen die Eigenschaften der Hawking-Strahlung ein Paradoxon im Rahmen der Quantenmechanik. Wenn ein Schwarzes Loch einen Körper absorbiert und dann die Masse verliert, die sich aus der Absorption dieses Körpers ergibt, dann wird sich das Schwarze Loch unabhängig von der Natur des Körpers nicht von dem unterscheiden, was es vor der Absorption des Körpers war. In diesem Fall gehen Informationen über den Körper für immer verloren. Aus Sicht theoretischer Berechnungen entspricht die Umwandlung des anfänglich reinen Zustands in den resultierenden gemischten („thermischen“) Zustand nicht der gängigen Theorie der Quantenmechanik. Dieses Paradoxon wird manchmal als das Verschwinden von Informationen in einem Schwarzen Loch bezeichnet. Eine wirkliche Lösung für dieses Paradoxon wurde nie gefunden. Bekannte Möglichkeiten zur Lösung des Paradoxons:

Widersprüchlichkeit von Hawkings Theorie. Dies beinhaltet die Unmöglichkeit, das Schwarze Loch und sein ständiges Wachstum zu zerstören.
Das Vorhandensein von weißen Löchern. In diesem Fall verschwinden die aufgenommenen Informationen nicht, sondern werden einfach in ein anderes Universum geworfen.
Nicht Zahlungsfähigkeit anerkannte Theorie Quantenmechanik.

Ungelöstes Problem der Physik von Schwarzen Löchern

Nach allem zu urteilen, was zuvor beschrieben wurde, weisen Schwarze Löcher, obwohl sie seit relativ langer Zeit untersucht werden, immer noch viele Merkmale auf, deren Mechanismen den Wissenschaftlern noch nicht bekannt sind.

1970 formulierte ein englischer Wissenschaftler das sogenannte. "Prinzip der kosmischen Zensur" - "Die Natur verabscheut die bloße Singularität." Das bedeutet, dass die Singularität nur an Orten gebildet wird, die nicht sichtbar sind, wie im Zentrum eines Schwarzen Lochs. Bewiesen ist dieses Prinzip allerdings noch nicht. Es gibt auch theoretische Berechnungen, nach denen eine "nackte" Singularität auftreten kann.
Auch das „No-Hair-Theorem“, wonach Schwarze Löcher nur drei Parameter haben, ist nicht bewiesen.
Eine vollständige Theorie der Magnetosphäre des Schwarzen Lochs wurde nicht entwickelt.
Die Natur und Physik der gravitativen Singularität wurde nicht untersucht.
Es ist nicht sicher bekannt, was im Endstadium der Existenz eines Schwarzen Lochs passiert und was nach seinem Quantenzerfall übrig bleibt.

Interessante Fakten über Schwarze Löcher

Zusammenfassend können wir einige interessante und ungewöhnliche Merkmale der Natur von Schwarzen Löchern hervorheben:

Schwarze Löcher haben nur drei Parameter: Masse, elektrische Ladung und Drehimpuls. Aufgrund dieser geringen Anzahl von Eigenschaften dieses Körpers wird der Satz, der dies besagt, als "No-Hair-Theorem" bezeichnet. Daher stammt auch der Ausdruck „ein Schwarzes Loch hat keine Haare“, was bedeutet, dass zwei Schwarze Löcher absolut identisch sind, ihre drei genannten Parameter sind gleich.
Die Dichte von Schwarzen Löchern kann geringer sein als die Dichte von Luft, und die Temperatur liegt nahe am absoluten Nullpunkt. Daraus können wir annehmen, dass die Bildung eines Schwarzen Lochs nicht durch die Verdichtung von Materie zustande kommt, sondern durch die Ansammlung einer großen Menge Materie in einem bestimmten Volumen.
Die Zeit für Körper, die von Schwarzen Löchern absorbiert werden, vergeht viel langsamer als für einen externen Beobachter. Darüber hinaus werden die absorbierten Körper innerhalb des Schwarzen Lochs erheblich gestreckt, was von Wissenschaftlern als Spagettifikation bezeichnet wird.
Es könnte ungefähr eine Million Schwarze Löcher in unserer Galaxie geben.
Wahrscheinlich befindet sich im Zentrum jeder Galaxie ein supermassereiches Schwarzes Loch.
In Zukunft wird das Universum nach dem theoretischen Modell die sogenannte Ära der Schwarzen Löcher erreichen, wenn Schwarze Löcher die dominierenden Körper im Universum werden.

Schwarze Löcher – vielleicht die mysteriösesten und rätselhaftesten astronomischen Objekte in unserem Universum – haben seit ihrer Entdeckung die Aufmerksamkeit von Experten auf sich gezogen und die Fantasie von Science-Fiction-Autoren angeregt. Was sind Schwarze Löcher und wie sehen sie aus? Schwarze Löcher sind erloschene Sterne, aufgrund ihrer physikalische Eigenschaften, die eine so hohe Dichte und eine so starke Schwerkraft haben, dass ihnen nicht einmal Licht entkommen kann.

Die Geschichte der Entdeckung von Schwarzen Löchern

Zum ersten Mal wurde die theoretische Existenz von Schwarzen Löchern lange vor ihrer tatsächlichen Entdeckung von jemandem D. Michel (einem englischen Priester aus Yorkshire, der sich in seiner Freizeit gerne mit Astronomie beschäftigt) im Jahr 1783 vorgeschlagen. Wenn wir nach seinen Berechnungen unsere nehmen und sie auf einen Radius von 3 km komprimieren (in modernen Computerbegriffen archivieren), entsteht eine so große (ebenso riesige) Gravitationskraft, dass selbst Licht sie nicht verlassen kann. So entstand der Begriff „Schwarzes Loch“, obwohl es eigentlich gar nicht schwarz ist, unserer Meinung nach wäre der Begriff „dunkles Loch“ treffender, da gerade die Abwesenheit von Licht stattfindet.

Später, im Jahr 1918, schrieb der große Wissenschaftler Albert Einstein über das Problem der Schwarzen Löcher im Zusammenhang mit der Relativitätstheorie. Aber erst 1967 gewann das Konzept der Schwarzen Löcher durch die Bemühungen des amerikanischen Astrophysikers John Wheeler endgültig einen Platz in akademischen Kreisen.

Wie dem auch sei, sowohl D. Michel als auch Albert Einstein und John Wheeler gingen in ihren Arbeiten nur von der theoretischen Existenz dieser mysteriösen Himmelsobjekte im Weltraum aus, aber die wahre Entdeckung der Schwarzen Löcher fand 1971 statt dann, dass sie zuerst im Weltraum bemerkt wurden.Teleskop.

So sieht ein Schwarzes Loch aus.

Wie entstehen Schwarze Löcher im Weltall?

Wie wir aus der Astrophysik wissen, haben alle Sterne (einschließlich unserer Sonne) eine begrenzte Menge an Brennstoff. Und obwohl das Leben eines Sterns Milliarden von Lichtjahren dauern kann, endet diese bedingte Treibstoffversorgung früher oder später und der Stern „erlischt“. Der Prozess des „Aussterbens“ eines Sterns wird von intensiven Reaktionen begleitet, bei denen der Stern eine erhebliche Umwandlung erfährt und sich je nach Größe in einen Weißen Zwerg, einen Neutronenstern oder ein Schwarzes Loch verwandeln kann. Darüber hinaus verwandeln sich die größten Sterne, die unglaublich beeindruckende Abmessungen haben, normalerweise in ein Schwarzes Loch - aufgrund der Kompression dieser unglaublichsten Größen kommt es zu einer mehrfachen Zunahme der Masse und der Gravitationskraft des neu gebildeten Schwarzen Lochs, das sich in ein verwandelt eine Art galaktischer Staubsauger - saugt alles und jeden um sich herum auf.

Ein Schwarzes Loch verschluckt einen Stern.

Eine kleine Anmerkung - unsere Sonne ist nach galaktischen Maßstäben überhaupt kein großer Stern, und nach dem Verblassen, das in etwa ein paar Milliarden Jahren auftreten wird, wird sie sich höchstwahrscheinlich nicht in ein Schwarzes Loch verwandeln.

Aber seien wir ehrlich zu Ihnen - Wissenschaftler kennen heute noch nicht alle Feinheiten der Entstehung eines Schwarzen Lochs. Zweifellos handelt es sich um einen äußerst komplexen astrophysikalischen Prozess, der selbst Millionen von Lichtjahren dauern kann. Obwohl es möglich ist, in diese Richtung voranzukommen, ist der Nachweis und die anschließende Untersuchung der sogenannten intermediären Schwarzen Löcher, also von Sternen, die sich im Zustand der Auslöschung befinden, in denen der aktive Prozess der Bildung eines Schwarzen Lochs stattfindet, könnten. Ein ähnlicher Stern wurde übrigens 2014 von Astronomen im Arm einer Spiralgalaxie entdeckt.

Wie viele schwarze löcher gibt es im universum

Nach den Theorien moderner Wissenschaftler kann es in unserer Milchstraße bis zu Hunderte Millionen Schwarze Löcher geben. Es gibt vielleicht nicht weniger von ihnen in der Galaxie neben uns, zu der von unserer Milchstraße nichts zu fliegen ist - 2,5 Millionen Lichtjahre.

Theorie der Schwarzen Löcher

Trotz der enormen Masse (die hunderttausendmal größer ist als die Masse unserer Sonne) und der unglaublichen Schwerkraft war es nicht einfach, Schwarze Löcher durch ein Teleskop zu sehen, da sie überhaupt kein Licht aussenden. Wissenschaftlern ist es gelungen, ein Schwarzes Loch nur im Moment seiner "Mahlzeit" zu bemerken - die Absorption eines anderen Sterns, in diesem Moment erscheint eine charakteristische Strahlung, die bereits beobachtet werden kann. Damit hat die Schwarze-Loch-Theorie eine tatsächliche Bestätigung gefunden.

Eigenschaften von Schwarzen Löchern

Die Haupteigenschaft eines Schwarzen Lochs sind seine unglaublichen Gravitationsfelder, die es dem umgebenden Raum und der Zeit nicht erlauben, in ihrem gewohnten Zustand zu bleiben. Ja, Sie haben richtig gehört, die Zeit in einem Schwarzen Loch fließt um ein Vielfaches langsamer als gewöhnlich, und wenn Sie dort wären und dann zurückkehrten (wenn Sie so viel Glück hätten, natürlich), würden Sie überrascht feststellen, dass Jahrhunderte auf der Erde vergangen sind, und du wirst nicht einmal alt werden zeit haben. Seien wir ehrlich, wenn Sie in einem Schwarzen Loch wären, hätten Sie kaum überlebt, da die Gravitationskraft dort so groß ist, dass jedes materielle Objekt einfach auseinandergerissen würde, nicht einmal in Teile, sondern in Atome.

Aber selbst in der Nähe eines Schwarzen Lochs, innerhalb der Grenzen seines Gravitationsfeldes, hättest du es ebenfalls schwer, denn je mehr du seiner Schwerkraft widerstehst und versuchst wegzufliegen, desto schneller würdest du hineinfallen. Der Grund für dieses scheinbare Paradoxon ist das Gravitationswirbelfeld, das alle Schwarzen Löcher besitzen.

Was ist, wenn eine Person in ein schwarzes Loch fällt?

Verdampfung von Schwarzen Löchern

Der englische Astronom S. Hawking entdeckte eine interessante Tatsache: Auch schwarze Löcher geben, wie sich herausstellt, Verdunstung ab. Dies gilt allerdings nur für Löcher mit relativ geringer Masse. Die starke Schwerkraft um sie herum erzeugt Paare von Teilchen und Antiteilchen, von denen eines durch das Loch nach innen gezogen und das zweite nach außen geschleudert wird. Ein Schwarzes Loch strahlt also harte Antiteilchen und Gammastrahlen aus. Diese Verdunstung oder Strahlung eines Schwarzen Lochs wurde nach dem Wissenschaftler benannt, der sie entdeckte – „Hawking-Strahlung“.

Das größte Schwarze Loch

Nach der Theorie der Schwarzen Löcher befinden sich im Zentrum fast aller Galaxien riesige Schwarze Löcher mit Massen von mehreren Millionen bis mehreren Milliarden Sonnenmassen. Und vor relativ kurzer Zeit haben Wissenschaftler die zwei größten bisher bekannten Schwarzen Löcher entdeckt, sie befinden sich in zwei nahe gelegenen Galaxien: NGC 3842 und NGC 4849.

NGC 3842 ist die hellste Galaxie im Sternbild Löwe und befindet sich in einer Entfernung von 320 Millionen Lichtjahren von uns. In seinem Zentrum befindet sich ein riesiges Schwarzes Loch mit einer Masse von 9,7 Milliarden Sonnenmassen.

NGC 4849 ist eine Galaxie im Coma-Haufen, 335 Millionen Lichtjahre entfernt, mit einem ebenso beeindruckenden Schwarzen Loch.

Die Wirkungszonen des Gravitationsfeldes dieser riesigen Schwarzen Löcher, oder wissenschaftlich ausgedrückt, ihr Ereignishorizont, sind etwa 5 mal so weit von der Sonne entfernt! Ein solches Schwarzes Loch würde unser Sonnensystem auffressen und nicht einmal ersticken.

Das kleinste Schwarze Loch

Aber es gibt sehr kleine Vertreter in der großen Familie der Schwarzen Löcher. Das derzeit von Wissenschaftlern entdeckte zwergenhafteste Schwarze Loch ist in seiner Masse also nur 3-mal so groß wie unsere Sonne. Tatsächlich ist dies das theoretische Minimum, das für die Bildung eines Schwarzen Lochs erforderlich ist. Wenn dieser Stern etwas kleiner wäre, hätte sich das Loch nicht gebildet.

Schwarze Löcher sind Kannibalen

Ja, es gibt ein solches Phänomen, wie wir oben geschrieben haben, Schwarze Löcher sind eine Art "galaktische Staubsauger", die alles um sich herum absorbieren, einschließlich ... anderer Schwarzer Löcher. Kürzlich haben Astronomen entdeckt, dass ein Schwarzes Loch aus einer Galaxie von einem anderen großen schwarzen Vielfraß aus einer anderen Galaxie gefressen wird.

Nach den Hypothesen einiger Wissenschaftler sind Schwarze Löcher nicht nur galaktische Staubsauger, die alles in sich aufsaugen, sondern können unter Umständen selbst neue Universen erzeugen.
Schwarze Löcher können im Laufe der Zeit verdampfen. Wir haben oben geschrieben, dass der englische Wissenschaftler Stephen Hawking entdeckt hat, dass Schwarze Löcher die Eigenschaft von Strahlung haben, und nach einer sehr langen Zeit, wenn es nichts zu absorbieren gibt, wird das Schwarze Loch mehr verdampfen, bis es schließlich verdampft gibt seine ganze Masse an den umgebenden Raum ab. Obwohl dies nur eine Annahme ist, eine Hypothese.
Schwarze Löcher verlangsamen die Zeit und krümmen den Raum. Wir haben bereits über die Zeitdilatation geschrieben, aber der Raum unter den Bedingungen eines Schwarzen Lochs wird vollständig gekrümmt sein.
Schwarze Löcher begrenzen die Anzahl der Sterne im Universum. Ihre Gravitationsfelder verhindern nämlich die Abkühlung von Gaswolken im Weltraum, aus denen bekanntlich neue Sterne entstehen.

Schwarze Löcher im Discovery Channel, Video

Und zum Schluss bieten wir Ihnen eine interessante wissenschaftliche Dokumentation über Schwarze Löcher vom Discovery Channel.

24. Januar 2013

Von allen hypothetischen Objekten im Universum, die von wissenschaftlichen Theorien vorhergesagt werden, machen Schwarze Löcher den unheimlichsten Eindruck. Und obwohl Vermutungen über ihre Existenz fast anderthalb Jahrhunderte vor Einsteins Veröffentlichung der Allgemeinen Relativitätstheorie angestellt wurden, wurden erst kürzlich überzeugende Beweise für die Realität ihrer Existenz gefunden.

Beginnen wir damit, wie die allgemeine Relativitätstheorie die Frage nach der Natur der Schwerkraft angeht. Das Newtonsche Gravitationsgesetz besagt, dass zwischen zwei beliebigen massiven Körpern im Universum eine gegenseitige Anziehungskraft besteht. Aufgrund dieser Anziehungskraft dreht sich die Erde um die Sonne. Die Allgemeine Relativitätstheorie zwingt uns, das Sonne-Erde-System anders zu betrachten. Nach dieser Theorie bricht in Gegenwart eines so massiven Himmelskörpers wie der Sonne die Raumzeit gleichsam unter ihrem Gewicht zusammen, und die Gleichmäßigkeit ihres Gewebes wird gestört. Stellen Sie sich ein elastisches Trampolin vor, auf dem ein schwerer Ball liegt (z. B. aus einer Bowlingbahn). Der gedehnte Stoff sackt unter seinem Gewicht durch und erzeugt eine Verdünnung um ihn herum. Auf die gleiche Weise schiebt die Sonne die Raumzeit um sich herum.

Nach diesem Bild rollt die Erde einfach um den entstehenden Trichter herum (außer dass ein kleiner Ball, der auf einem Trampolin um einen schweren rollt, unweigerlich an Geschwindigkeit verliert und sich zu einem großen spiralförmig dreht). Und was wir in unserem täglichen Leben als Schwerkraft wahrnehmen, ist auch nichts anderes als eine Veränderung der Geometrie der Raumzeit und keine Kraft im Newtonschen Sinne. Bis heute ist keine erfolgreichere Erklärung der Natur der Gravitation erfunden worden, als uns die allgemeine Relativitätstheorie liefert.

Stellen Sie sich nun vor, was passiert, wenn wir im Rahmen des vorgeschlagenen Bildes die Masse einer schweren Kugel erhöhen und erhöhen, ohne ihre physikalischen Abmessungen zu erhöhen? Da der Trichter absolut elastisch ist, vertieft er sich, bis seine Oberkanten irgendwo hoch über der vollständig schwereren Kugel zusammenlaufen, und hört dann von der Oberfläche aus gesehen einfach auf zu existieren. Im realen Universum schlägt das Objekt, nachdem es eine ausreichende Masse und Dichte an Materie angesammelt hat, eine Raum-Zeit-Falle um sich herum, das Raum-Zeit-Gewebe schließt sich und es verliert den Kontakt zum Rest des Universums und wird für dieses unsichtbar. So entsteht ein Schwarzes Loch.

Schwarzschild und seine Zeitgenossen glaubten, dass solche seltsamen kosmischen Objekte in der Natur nicht existieren. Einstein selbst vertrat nicht nur diesen Standpunkt, sondern glaubte auch fälschlicherweise, dass er es geschafft habe, seine Meinung mathematisch zu untermauern.

Das hat der junge indische Astrophysiker Chandrasekhar in den 1930er Jahren bewiesen Kernbrennstoff Der Stern wirft seine Hülle ab und verwandelt sich in eine langsame Abkühlung weißer Zwerg nur wenn seine Masse weniger als 1,4 Sonnenmassen beträgt. Schon bald vermutete der Amerikaner Fritz Zwicky, dass bei Supernova-Explosionen extrem dichte Körper aus Neutronenmaterie entstehen; Später kam Lev Landau zu demselben Schluss. Nach der Arbeit von Chandrasekhar war es offensichtlich, dass nur Sterne mit einer Masse von mehr als 1,4 Sonnenmassen eine solche Entwicklung durchlaufen können. Daher stellte sich eine natürliche Frage: Gibt es eine obere Massengrenze für Supernovae, die Neutronensterne hinterlassen?

Der spätere Vater der amerikanischen Atombombe, Robert Oppenheimer, stellte Ende der 1930er Jahre fest, dass eine solche Grenze tatsächlich existiert und mehrere Sonnenmassen nicht überschreitet. Eine genauere Einschätzung war damals nicht möglich; Es ist jetzt bekannt, dass die Massen von Neutronensternen im Bereich von 1,5 bis 3 Ms liegen müssen. Aber selbst aus den ungefähren Berechnungen von Oppenheimer und seinem Doktoranden George Volkov folgte, dass die massereichsten Nachkommen von Supernovae nicht zu Neutronensternen werden, sondern in einen anderen Zustand übergehen. 1939 bewiesen Oppenheimer und Hartland Snyder in einem idealisierten Modell, dass sich ein massiver kollabierender Stern auf seinen Gravitationsradius zusammenzieht. Aus ihren Formeln folgt tatsächlich, dass der Stern dort nicht aufhört, aber die Co-Autoren haben von einer solch radikalen Schlussfolgerung Abstand genommen.

09.07.1911 - 13.04.2008

Die endgültige Antwort wurde in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts durch die Bemühungen einer ganzen Schar brillanter theoretischer Physiker gefunden, einschließlich sowjetischer. Es stellte sich heraus, dass ein solcher Kollaps den Stern immer „bis zum Anschlag“ zusammendrückt und seine Substanz vollständig zerstört. Als Ergebnis erscheint eine Singularität, ein "Superkonzentrat" des Gravitationsfeldes, eingeschlossen in einem unendlich kleinen Volumen. Bei einem festen Loch ist dies ein Punkt, bei einem rotierenden Loch ein Ring. Die Krümmung der Raumzeit und folglich die Schwerkraft in der Nähe der Singularität gehen gegen unendlich. Ende 1967 war der amerikanische Physiker John Archibald Wheeler der erste, der einen solchen endgültigen Kollaps eines Sterns als Schwarzes Loch bezeichnete. Der neue Begriff verliebte sich in Physiker und begeisterte Journalisten, die ihn in die ganze Welt verbreiteten (wobei ihn die Franzosen zunächst nicht mochten, weil der Ausdruck trou noir zweifelhafte Assoziationen suggerierte).

Die wichtigste Eigenschaft eines Schwarzen Lochs ist, dass es nicht zurückkommt, egal was hineinkommt. Das gilt sogar für Licht, weshalb Schwarze Löcher ihren Namen bekommen haben: Ein Körper, der alles auf ihn fallende Licht absorbiert und kein eigenes abgibt, erscheint komplett schwarz. Gemäß der Allgemeinen Relativitätstheorie kann ein Objekt, wenn es sich dem Zentrum eines Schwarzen Lochs in einer kritischen Entfernung nähert – diese Entfernung wird als Schwarzschild-Radius bezeichnet – niemals zurückgehen. (Deutscher Astronom Karl Schwarzschild, 1873-1916) letzten Jahren seines Lebens berechnete er mit den Gleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie von Einstein das Gravitationsfeld um eine Masse mit Nullvolumen.) Für die Masse der Sonne beträgt der Schwarzschild-Radius 3 km, dh um unsere Sonne in a zu verwandeln Schwarzes Loch, müssen Sie seine gesamte Masse auf die Größe einer kleinen Stadt verdichten!

Innerhalb des Schwarzschild-Radius sagt die Theorie sogar noch seltsamere Phänomene voraus: Die gesamte Materie in einem Schwarzen Loch sammelt sich in einem unendlich kleinen Punkt unendlicher Dichte in seinem Zentrum – Mathematiker nennen ein solches Objekt eine singuläre Störung. Bei unendlicher Dichte nimmt jede endliche Materiemasse, mathematisch gesprochen, ein räumliches Volumen von null ein. Ob dieses Phänomen wirklich innerhalb eines Schwarzen Lochs auftritt, können wir natürlich nicht experimentell überprüfen, da alles, was in den Schwarzschild-Radius gefallen ist, nicht zurückkehrt.

Ohne also ein Schwarzes Loch im herkömmlichen Sinne des Wortes „sehen“ „sehen“ zu können, können wir seine Anwesenheit dennoch durch indirekte Zeichen des Einflusses seines übermächtigen und völlig ungewöhnlichen Gravitationsfeldes auf die Materie um es herum erkennen .

Supermassereiche Schwarze Löcher

Im Zentrum unserer Milchstraße und anderer Galaxien befindet sich ein unglaublich massives Schwarzes Loch, das Millionen Mal schwerer ist als die Sonne. Diese supermassiven Schwarzen Löcher (wie sie genannt werden) wurden entdeckt, indem man die Art der Bewegung von interstellarem Gas in der Nähe der Zentren von Galaxien beobachtete. Den Beobachtungen nach zu urteilen, rotieren die Gase in unmittelbarer Nähe des supermassereichen Objekts, und einfache Berechnungen unter Verwendung der Gesetze der Mechanik von Newton zeigen, dass das Objekt, das sie anzieht, mit einem geringen Durchmesser eine monströse Masse hat. Nur ein Schwarzes Loch kann das interstellare Gas im Zentrum der Galaxie auf diese Weise drehen. Tatsächlich haben Astrophysiker bereits Dutzende solcher massereicher Schwarzer Löcher in den Zentren unserer Nachbargalaxien gefunden, und sie vermuten stark, dass das Zentrum jeder Galaxie ein Schwarzes Loch ist.

Schwarze Löcher mit Sternmasse

Wenn ein Stern mit einer Masse von mehr als etwa 30 Sonnenmassen bei einer Supernova-Explosion stirbt, fliegt nach unserem derzeitigen Verständnis der Entwicklung von Sternen seine äußere Hülle auseinander, und die inneren Schichten kollabieren schnell zum Zentrum hin und bilden dort ein Schwarzes Loch der Ort des Sterns, der seine Treibstoffreserven aufgebraucht hat. Es ist praktisch unmöglich, ein schwarzes Loch dieses Ursprungs isoliert im interstellaren Raum zu identifizieren, da es sich in einem verdünnten Vakuum befindet und sich in keiner Weise in Bezug auf gravitative Wechselwirkungen manifestiert. Wenn ein solches Loch jedoch Teil eines Doppelsternsystems wäre (zwei heiße Sterne, die um ihren Massenmittelpunkt kreisen), würde das Schwarze Loch immer noch eine Gravitationswirkung auf seinen Partnerstern ausüben. Astronomen haben heute mehr als ein Dutzend Kandidaten für die Rolle eines solchen Sternensystems, obwohl für keinen von ihnen strenge Beweise vorliegen.

In einem binären System mit einem Schwarzen Loch in seiner Zusammensetzung wird die Materie eines "lebenden" Sterns unweigerlich in Richtung des Schwarzen Lochs "fließen". Und die vom Schwarzen Loch angesaugte Materie dreht sich spiralförmig, wenn sie in das Schwarze Loch fällt, und verschwindet beim Überqueren des Schwarzschild-Radius. Bei Annäherung an die fatale Grenze wird die in den Trichter des Schwarzen Lochs gesaugte Substanz jedoch zwangsläufig kondensieren und sich durch häufigere Kollisionen zwischen den vom Loch absorbierten Teilchen erwärmen, bis sie sich auf die Strahlungsenergien von Wellen im Schwarzen Loch aufheizt Röntgenbereich des elektromagnetischen Strahlungsspektrums. Astronomen können die Frequenz dieser Art von Röntgenintensitätsänderung messen und durch Vergleich mit anderen verfügbaren Daten die ungefähre Masse eines Objekts berechnen, das Materie auf sich selbst „zieht“. Wenn die Masse eines Objekts die Chandrasekhar-Grenze (1,4 Sonnenmassen) überschreitet, kann dieses Objekt kein Weißer Zwerg sein, zu dem unsere Leuchte dazu bestimmt ist, zu degenerieren. In den meisten Fällen beobachteter Beobachtungen solcher doppelter Röntgensterne ist ein Neutronenstern ein massereiches Objekt. Es gab jedoch mehr als ein Dutzend Fälle, in denen die einzige vernünftige Erklärung das Vorhandensein eines Schwarzen Lochs in einem Doppelsternsystem ist.

Alle anderen Arten von Schwarzen Löchern sind viel spekulativer und basieren ausschließlich auf theoretischer Forschung - Experimentelle Beweise ihre Existenz existiert überhaupt nicht. Erstens sind dies schwarze Mini-Löcher mit einer Masse, die mit der Masse eines Berges vergleichbar und auf den Radius eines Protons komprimiert ist. Die Idee ihres Ursprungs in der Anfangsphase der Entstehung des Universums unmittelbar nach dem Urknall wurde vom englischen Kosmologen Stephen Hawking vorgeschlagen (siehe das verborgene Prinzip der Irreversibilität der Zeit). Hawking schlug vor, dass Explosionen von Mini-Löchern das wirklich mysteriöse Phänomen der gemeißelten Ausbrüche von Gammastrahlen im Universum erklären könnten. Zweitens sagen einige Theorien über Elementarteilchen die Existenz eines echten Siebes aus Schwarzen Löchern im Universum - auf der Mikroebene - voraus, die eine Art Schaum aus dem Müll des Universums sind. Der Durchmesser solcher Mikrolöcher soll etwa 10-33 cm betragen – sie sind milliardenfach kleiner als ein Proton. Im Moment haben wir keine Hoffnungen auf eine experimentelle Überprüfung der Existenz solcher Schwarzer-Löcher-Partikel, ganz zu schweigen davon, um ihre Eigenschaften irgendwie zu untersuchen.

Und was passiert mit dem Beobachter, wenn er sich plötzlich auf der anderen Seite des Gravitationsradius, auch Ereignishorizont genannt, wiederfindet. Hier beginnt die erstaunlichste Eigenschaft von Schwarzen Löchern. Nicht umsonst haben wir, wenn wir von Schwarzen Löchern sprechen, immer die Zeit oder vielmehr die Raumzeit erwähnt. Je schneller sich ein Körper bewegt, desto größer wird nach Einsteins Relativitätstheorie seine Masse, aber desto langsamer beginnt die Zeit zu vergehen! Bei niedrigen Geschwindigkeiten unter normalen Bedingungen ist dieser Effekt nicht wahrnehmbar, aber wenn sich der Körper (das Raumschiff) mit einer Geschwindigkeit nahe der Lichtgeschwindigkeit bewegt, nimmt seine Masse zu und die Zeit verlangsamt sich! Wenn die Geschwindigkeit des Körpers gleich der Lichtgeschwindigkeit ist, dreht sich die Masse ins Unendliche und die Zeit bleibt stehen! Dies wird durch strenge mathematische Formeln belegt. Gehen wir zurück zum Schwarzen Loch. Stellen Sie sich eine fantastische Situation vor, wenn sich ein Raumschiff mit Astronauten an Bord dem Gravitationsradius oder Ereignishorizont nähert. Es ist klar, dass der Ereignishorizont so genannt wird, weil wir alle Ereignisse (allgemein etwas beobachten) nur bis zu dieser Grenze beobachten können. Dass wir diese Grenze nicht einhalten können. Wenn sich die Astronauten jedoch in einem Schiff befinden, das sich einem Schwarzen Loch nähert, werden sie sich genauso fühlen wie zuvor, weil. Laut ihrer Uhr wird die Zeit "normal" verlaufen. Das Raumschiff wird ruhig den Ereignishorizont überqueren und weiterziehen. Aber da seine Geschwindigkeit nahe der Lichtgeschwindigkeit sein wird, wird das Raumschiff das Zentrum des Schwarzen Lochs buchstäblich in einem Augenblick erreichen.

Und für einen externen Beobachter hält das Raumschiff einfach am Ereignishorizont an und bleibt dort fast für immer! Das ist das Paradoxon der kolossalen Schwerkraft von Schwarzen Löchern. Die Frage ist natürlich, aber werden die Astronauten, die nach der Uhr eines externen Beobachters ins Unendliche fliegen, am Leben bleiben. Nein. Und der Punkt liegt gar nicht in der enormen Gravitation, sondern in den Gezeitenkräften, die bei einem so kleinen und massiven Körper auf kleine Entfernungen stark variieren. Mit dem Wachstum eines Astronauten von 1 m 70 cm werden die Gezeitenkräfte an seinem Kopf viel geringer sein als an seinen Füßen, und er wird bereits am Ereignishorizont einfach auseinandergerissen. Wir sind also dabei allgemein gesagt herausgefunden, was Schwarze Löcher sind, aber bisher haben wir über Schwarze Löcher mit stellarer Masse gesprochen. Derzeit ist es Astronomen gelungen, supermassive Schwarze Löcher zu entdecken, deren Masse eine Milliarde Sonnen betragen kann! Supermassereiche Schwarze Löcher unterscheiden sich in ihren Eigenschaften nicht von ihren kleineren Gegenstücken. Sie sind nur viel massereicher und befinden sich in der Regel in den Zentren von Galaxien - den Sterneninseln des Universums. Es gibt auch ein supermassereiches Schwarzes Loch im Zentrum unserer Galaxie (der Milchstraße). Die kolossale Masse solcher Schwarzer Löcher wird es ermöglichen, sie nicht nur in unserer Galaxie zu suchen, sondern auch in den Zentren entfernter Galaxien, die Millionen und Milliarden Lichtjahre von der Erde und der Sonne entfernt sind. Europäische und amerikanische Wissenschaftler führten eine weltweite Suche nach supermassiven Schwarzen Löchern durch, die sich nach modernen theoretischen Berechnungen im Zentrum jeder Galaxie befinden sollten.

Moderne Technologie ermöglicht es, das Vorhandensein dieser Kollapsare in benachbarten Galaxien nachzuweisen, aber nur sehr wenige wurden gefunden. Das bedeutet, dass sich Schwarze Löcher entweder einfach in dichten Gas- und Staubwolken im zentralen Teil von Galaxien verstecken oder sich in weiter entfernten Ecken des Universums befinden. Schwarze Löcher können also durch Röntgenstrahlen entdeckt werden, die während der Akkretion von Materie auf ihnen emittiert werden, und um eine Zählung solcher Quellen durchzuführen, wurden Satelliten mit Röntgenteleskopen an Bord in den erdnahen Weltraum gestartet. Bei der Suche nach Quellen für Röntgenstrahlen haben die Weltraumobservatorien Chandra und Rossi entdeckt, dass der Himmel mit Röntgenhintergrundstrahlung gefüllt und millionenfach heller ist als im sichtbaren Licht. Ein Großteil dieser Hintergrund-Röntgenstrahlung vom Himmel muss von Schwarzen Löchern stammen. Normalerweise spricht man in der Astronomie von drei Arten von Schwarzen Löchern. Das erste sind Schwarze Löcher mit stellarer Masse (etwa 10 Sonnenmassen). Sie bilden sich aus massereichen Sternen, wenn ihnen der Fusionsbrennstoff ausgeht. Das zweite sind supermassive Schwarze Löcher in den Zentren von Galaxien (Massen von einer Million bis Milliarden Sonnenmassen). Und schließlich die ursprünglichen Schwarzen Löcher, die zu Beginn des Lebens des Universums entstanden sind und deren Massen klein sind (in der Größenordnung von Masse großer Asteroid). Somit bleibt ein großer Bereich möglicher Schwarzer-Loch-Massen ungefüllt. Aber wo sind diese Löcher? Den Raum mit Röntgenstrahlen füllend, wollen sie dennoch nicht ihr wahres „Gesicht“ zeigen. Aber um eine klare Theorie über den Zusammenhang zwischen der Hintergrund-Röntgenstrahlung und Schwarzen Löchern aufzubauen, ist es notwendig, ihre Anzahl zu kennen. Bisher konnten Weltraumteleskope nur nachweisen große Menge supermassive Schwarze Löcher, deren Existenz als bewiesen gelten kann. Indirekte Beweise ermöglichen es, die Zahl der beobachtbaren Schwarzen Löcher, die für die Hintergrundstrahlung verantwortlich sind, auf 15% zu bringen. Wir müssen davon ausgehen, dass sich die restlichen supermassereichen Schwarzen Löcher einfach hinter einer dicken Schicht Staubwolken verstecken, die nur hochenergetische Röntgenstrahlen durchlassen oder zu weit entfernt sind, um sie mit modernen Beobachtungsmitteln zu entdecken.

Supermassereiches Schwarzes Loch (Nachbarschaft) im Zentrum der M87-Galaxie (Röntgenbild). Vom Ereignishorizont aus ist ein Jet zu sehen. Bild von www.college.ru/astronomy

Die Suche nach verborgenen Schwarzen Löchern ist eine der Hauptaufgaben der modernen Röntgenastronomie. Die neuesten Durchbrüche auf diesem Gebiet, die mit der Forschung mit den Teleskopen Chandra und Rossi verbunden sind, decken jedoch nur den Niedrigenergiebereich der Röntgenstrahlung ab - etwa 2000-20.000 Elektronenvolt (zum Vergleich: Die Energie optischer Strahlung beträgt etwa 2 Elektronenvolt). Volt). Wesentliche Ergänzungen zu diesen Untersuchungen kann das europäische Weltraumteleskop Integral leisten, das mit einer Energie von 20.000-300.000 Elektronenvolt in den noch unzureichend untersuchten Bereich der Röntgenstrahlung vordringen kann. Die Bedeutung der Untersuchung dieser Art von Röntgenstrahlen liegt in der Tatsache, dass der Röntgenhintergrund des Himmels zwar eine niedrige Energie hat, aber vor diesem Hintergrund mehrere Spitzen (Punkte) von Strahlung mit einer Energie von etwa 30.000 Elektronenvolt erscheinen. Wissenschaftler müssen noch das Rätsel lösen, was diese Spitzen erzeugt, und Integral ist das erste Teleskop, das empfindlich genug ist, um solche Röntgenquellen zu finden. Laut Astronomen entstehen aus hochenergetischen Strahlen sogenannte Compton-dicke Objekte, also supermassereiche Schwarze Löcher, die in eine Staubhülle gehüllt sind. Es sind die Compton-Objekte, die für die Röntgenspitzen von 30.000 Elektronenvolt im Hintergrundstrahlungsfeld verantwortlich sind.

Aber die Wissenschaftler setzten ihre Forschung fort und kamen zu dem Schluss, dass Compton-Objekte nur 10% der Anzahl der Schwarzen Löcher ausmachen, die Hochenergiespitzen erzeugen sollten. Dies ist ein ernsthaftes Hindernis für die Weiterentwicklung der Theorie. Bedeutet dies, dass die fehlenden Röntgenstrahlen nicht von Compton-dicken, sondern von gewöhnlichen supermassereichen Schwarzen Löchern geliefert werden? Was ist dann mit Staubfiltern für Röntgenstrahlen mit niedriger Energie? Die Antwort scheint in der Tatsache zu liegen, dass viele Schwarze Löcher (Compton-Objekte) genug Zeit hatten, das gesamte Gas und den Staub, der sie umhüllte, zu absorbieren, aber vorher die Gelegenheit hatten, sich mit hochenergetischen Röntgenstrahlen zu erklären. Nachdem sie die gesamte Materie absorbiert hatten, waren solche Schwarzen Löcher bereits nicht in der Lage, Röntgenstrahlen am Ereignishorizont zu erzeugen. Es wird klar, warum diese Schwarzen Löcher nicht nachgewiesen werden können, und es wird möglich, ihnen die fehlenden Quellen der Hintergrundstrahlung zuzuschreiben, da das Schwarze Loch zwar nicht mehr strahlt, aber die zuvor von ihm erzeugte Strahlung weiterhin durch das Universum wandert. Es ist jedoch durchaus möglich, dass die fehlenden Schwarzen Löcher versteckter sind, als Astronomen vermuten. Nur weil wir sie nicht sehen können, heißt das nicht, dass sie nicht existieren. Es ist nur so, dass wir nicht genug Beobachtungsgabe haben, um sie zu sehen. Unterdessen planen NASA-Wissenschaftler, die Suche nach versteckten Schwarzen Löchern noch weiter ins Universum auszudehnen. Dort befindet sich der Unterwasserteil des Eisbergs, glauben sie. Innerhalb weniger Monate soll im Rahmen der Swift-Mission geforscht werden. Das Eindringen in das tiefe Universum wird verborgene Schwarze Löcher enthüllen, das fehlende Glied für die Hintergrundstrahlung finden und Licht auf ihre Aktivität in der frühen Ära des Universums werfen.

Einige Schwarze Löcher gelten als aktiver als ihre ruhigen Nachbarn. Aktive Schwarze Löcher absorbieren die umgebende Materie, und wenn ein "lückenlos" vorbeifliegender Stern in den Gravitationsflug gerät, dann wird er sicherlich auf barbarischste Weise "gefressen" (zerfetzt). Absorbierte Materie, die in ein Schwarzes Loch fällt, wird auf enorme Temperaturen erhitzt und erfährt einen Blitz im Gamma-, Röntgen- und Ultraviolettbereich. Es gibt auch ein supermassereiches Schwarzes Loch im Zentrum der Milchstraße, aber es ist schwieriger zu untersuchen als Löcher in benachbarten oder sogar weit entfernten Galaxien. Das liegt an der dichten Wand aus Gas und Staub, die dem Zentrum unserer Galaxie im Wege steht, denn das Sonnensystem befindet sich fast am Rand der galaktischen Scheibe. Daher sind Beobachtungen der Aktivität von Schwarzen Löchern viel effektiver für jene Galaxien, deren Kern deutlich sichtbar ist. Bei der Beobachtung einer der fernen Galaxien im Sternbild Boötes in einer Entfernung von 4 Milliarden Lichtjahren gelang es den Astronomen erstmals, den Prozess der Absorption eines Sterns durch ein supermassereiches Schwarzes Loch von Anfang bis fast bis zum Ende zu verfolgen . Jahrtausende lang lag dieser gigantische Kollaps ruhig im Zentrum einer unbenannten elliptischen Galaxie, bis einer der Sterne es wagte, ihm nahe genug zu kommen.

Die starke Schwerkraft des Schwarzen Lochs riss den Stern auseinander. Materieklumpen begannen in das Schwarze Loch zu fallen und flammten beim Erreichen des Ereignishorizonts hell im ultravioletten Bereich auf. Diese Fackeln wurden vom neuen Weltraumteleskop Galaxy Evolution Explorer der NASA eingefangen, das den Himmel im ultravioletten Licht untersucht. Das Teleskop beobachtet das Verhalten des ausgezeichneten Objekts auch heute noch, denn Die Mahlzeit des Schwarzen Lochs ist noch nicht vorbei, und die Überreste des Sterns stürzen weiter in den Abgrund von Zeit und Raum. Beobachtungen solcher Prozesse werden schließlich dazu beitragen, besser zu verstehen, wie sich Schwarze Löcher mit ihren Elterngalaxien entwickeln (oder umgekehrt, wie sich Galaxien mit einem Eltern-Schwarzen Loch entwickeln). Frühere Beobachtungen zeigen, dass solche Exzesse im Universum keine Seltenheit sind. Wissenschaftler haben berechnet, dass ein Stern im Durchschnitt einmal alle 10.000 Jahre von einem supermassiven Schwarzen Loch einer typischen Galaxie absorbiert wird, aber da es eine große Anzahl von Galaxien gibt, kann die Absorption von Sternen viel häufiger beobachtet werden.

Quelle

Wissenschaftliches Denken konstruiert manchmal Objekte mit solch paradoxen Eigenschaften, dass selbst die klügsten Wissenschaftler sich zunächst weigern, sie zu erkennen. Das offensichtlichste Beispiel in der Geschichte der modernen Physik ist das langfristige Desinteresse an Schwarzen Löchern, extremen Zuständen des Gravitationsfeldes, die vor fast 90 Jahren vorhergesagt wurden. Lange Zeit sie galten als rein theoretische Abstraktion und glaubten erst in den 1960er und 70er Jahren an ihre Realität. Die Grundgleichung der Theorie der Schwarzen Löcher wurde jedoch vor über zweihundert Jahren hergeleitet.

John Michells Einsicht

Der Name John Michell, Physiker, Astronom und Geologe, Professor an der University of Cambridge und Pastor der Church of England, ging im 18. Jahrhundert zu Unrecht unter den Stars der englischen Wissenschaft verloren. Michell legte die Grundlagen der Seismologie, der Wissenschaft der Erdbeben, und führte eine hervorragende Untersuchung des Magnetismus durch, lange bevor Coulomb die Torsionswaage erfand, die er für gravimetrische Messungen verwendete. 1783 versuchte er, die beiden großen Schöpfungen Newtons, Mechanik und Optik, zu vereinen. Newton betrachtete Licht als einen Strom winziger Teilchen. Michell schlug vor, dass leichte Teilchen, wie gewöhnliche Materie, den Gesetzen der Mechanik gehorchen. Die Konsequenz dieser Hypothese stellte sich als sehr nicht trivial heraus - Himmelskörper können sich in Lichtfallen verwandeln.

Wie hat Michell gedacht? Eine Kanonenkugel, die von der Oberfläche eines Planeten abgefeuert wird, wird seine Schwerkraft nur dann vollständig überwinden, wenn sie es tut Startgeschwindigkeit wird den Wert überschreiten, der jetzt zweite kosmische Geschwindigkeit und Fluchtgeschwindigkeit genannt wird. Wenn die Schwerkraft des Planeten so stark ist, dass die Fluchtgeschwindigkeit die Lichtgeschwindigkeit übersteigt, können auf den Zenit geschossene Lichtteilchen nicht ins Unendliche entkommen. Das gleiche passiert mit reflektiertem Licht. Daher wird der Planet für einen sehr entfernten Beobachter unsichtbar sein. Michell berechnete den kritischen Wert des Radius eines solchen Planeten, Rcr, in Abhängigkeit von seiner Masse M, reduziert auf die Masse unserer Sonne, Ms: Rcr = 3 km x M/Ms.

John Michell glaubte an seine Formeln und ging davon aus, dass die Tiefen des Weltraums viele Sterne verbergen, die mit keinem Teleskop von der Erde aus zu sehen sind. Später kam der große französische Mathematiker, Astronom und Physiker Pierre Simon Laplace zu demselben Schluss und nahm ihn sowohl in die erste (1796) als auch in die zweite (1799) Ausgabe seiner Exposition of the System of the World auf. Aber die dritte Auflage wurde 1808 veröffentlicht, als die meisten Physiker Licht bereits als Schwingungen des Äthers betrachteten. Die Existenz „unsichtbarer“ Sterne widersprach der Wellentheorie des Lichts, und Laplace hielt es für das Beste, sie einfach nicht zu erwähnen. In der Folgezeit galt diese Idee als Kuriosität, die nur in Werken zur Geschichte der Physik ausgestellt werden sollte.

Schwarzschild-Modell

Im November 1915 veröffentlichte Albert Einstein eine Gravitationstheorie, die er Allgemeine Relativitätstheorie (GR) nannte. Diese Arbeit fand in der Person seines Kollegen von der Berliner Akademie der Wissenschaften Karl Schwarzschild sofort einen dankbaren Leser. Es war Schwarzschild, der als erster auf der Welt die allgemeine Relativitätstheorie anwendete, um ein bestimmtes astrophysikalisches Problem zu lösen, um die Raum-Zeit-Metrik außerhalb und innerhalb eines nicht rotierenden kugelförmigen Körpers zu berechnen (der Konkretheit halber nennen wir ihn einen Stern).

Aus Schwarzschilds Berechnungen folgt, dass die Schwerkraft eines Sterns die Newtonsche Struktur von Raum und Zeit nur dann nicht stark verzerrt, wenn sein Radius viel größer ist als der von John Michell berechnete Wert! Dieser Parameter wurde zuerst als Schwarzschild-Radius bezeichnet und wird heute als Gravitationsradius bezeichnet. Gemäß der Allgemeinen Relativitätstheorie beeinflusst die Schwerkraft nicht die Lichtgeschwindigkeit, sondern verringert die Frequenz der Lichtschwingungen im gleichen Verhältnis, in dem sie die Zeit verlangsamt. Wenn der Radius eines Sterns viermal größer ist als der Gravitationsradius, verlangsamt sich der Zeitfluss auf seiner Oberfläche um 15% und der Raum erhält eine merkliche Krümmung. Bei einem doppelten Überschuss biegt es sich mehr und die Zeit verlangsamt seinen Lauf um 41%. Wenn der Gravitationsradius erreicht ist, stoppt die Zeit auf der Oberfläche des Sterns vollständig (alle Frequenzen werden auf Null gesetzt, die Strahlung wird eingefroren und der Stern erlischt), aber die Krümmung des Raums dort ist immer noch endlich. Weit entfernt von der Sonne bleibt die Geometrie immer noch euklidisch, und die Zeit ändert ihre Geschwindigkeit nicht.

Trotz der Tatsache, dass die Werte des Gravitationsradius für Michell und Schwarzschild gleich sind, haben die Modelle selbst nichts gemeinsam. Für Michell ändern sich Raum und Zeit nicht, aber das Licht verlangsamt sich. Ein Stern, dessen Abmessungen kleiner als sein Gravitationsradius sind, leuchtet weiter, ist aber nur für einen nicht allzu weit entfernten Beobachter sichtbar. Für Schwarzschild ist die Lichtgeschwindigkeit absolut, aber die Struktur von Raum und Zeit hängt von der Schwerkraft ab. Ein Stern, der unter den Gravitationsradius gefallen ist, verschwindet für jeden Beobachter, egal wo er sich befindet (genauer gesagt, er kann durch Gravitationseffekte nachgewiesen werden, aber keinesfalls durch Strahlung).

Vom Unglauben zur Behauptung

In den 1930er Jahren bewies ein junger indischer Astrophysiker, Chandrasekhar, dass ein Stern, der seinen Kernbrennstoff verbraucht hat, seine Hülle abstreift und sich nur dann in einen langsam abkühlenden Weißen Zwerg verwandelt, wenn seine Masse weniger als 1,4 Sonnenmassen beträgt. Schon bald vermutete der Amerikaner Fritz Zwicky, dass bei Supernova-Explosionen extrem dichte Körper aus Neutronenmaterie entstehen; Später kam Lev Landau zu demselben Schluss. Nach der Arbeit von Chandrasekhar war es offensichtlich, dass nur Sterne mit einer Masse von mehr als 1,4 Sonnenmassen eine solche Entwicklung durchlaufen können. Daher stellte sich eine natürliche Frage: Gibt es eine obere Massengrenze für Supernovae, die Neutronensterne hinterlassen?

Der spätere Vater der amerikanischen Atombombe, Robert Oppenheimer, stellte Ende der 1930er Jahre fest, dass eine solche Grenze tatsächlich existiert und mehrere Sonnenmassen nicht überschreitet. Eine genauere Einschätzung war damals nicht möglich; Es ist jetzt bekannt, dass die Massen von Neutronensternen im Bereich von 1,5–3 M s liegen müssen. Aber selbst aus den ungefähren Berechnungen von Oppenheimer und seinem Doktoranden George Volkov folgte, dass die massereichsten Nachkommen von Supernovae nicht zu Neutronensternen werden, sondern in einen anderen Zustand übergehen. 1939 bewiesen Oppenheimer und Hartland Snyder in einem idealisierten Modell, dass sich ein massiver kollabierender Stern auf seinen Gravitationsradius zusammenzieht. Aus ihren Formeln folgt tatsächlich, dass der Stern dort nicht aufhört, aber die Co-Autoren haben von einer solch radikalen Schlussfolgerung Abstand genommen.

Die endgültige Antwort wurde in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts durch die Bemühungen einer ganzen Schar brillanter theoretischer Physiker gefunden, einschließlich sowjetischer. Es stellte sich heraus, dass ein solcher Zusammenbruch stets komprimiert den Stern "bis zum Anschlag" und zerstört seine Substanz vollständig. Als Ergebnis erscheint eine Singularität, ein "Superkonzentrat" des Gravitationsfeldes, eingeschlossen in einem unendlich kleinen Volumen. Bei einem festen Loch ist dies ein Punkt, bei einem rotierenden Loch ein Ring. Die Krümmung der Raumzeit und folglich die Schwerkraft in der Nähe der Singularität gehen gegen unendlich. Ende 1967 war der amerikanische Physiker John Archibald Wheeler der erste, der einen solchen endgültigen Kollaps eines Sterns als Schwarzes Loch bezeichnete. Der neue Begriff verliebte sich in Physiker und begeisterte Journalisten, die ihn in die ganze Welt verbreiteten (wobei ihn die Franzosen zunächst nicht mochten, weil der Ausdruck trou noir zweifelhafte Assoziationen suggerierte).

Dort, jenseits des Horizonts

Ein Schwarzes Loch ist weder Materie noch Strahlung. Mit etwas Bildlichkeit können wir sagen, dass dies ein sich selbst erhaltendes Gravitationsfeld ist, das sich in einem stark gekrümmten Bereich der Raumzeit konzentriert. Seine äußere Begrenzung wird durch eine geschlossene Fläche, den Ereignishorizont, definiert. Wenn sich der Stern vor dem Kollaps nicht drehte, entpuppt sich diese Oberfläche als regelmäßige Kugel, deren Radius mit dem Schwarzschild-Radius übereinstimmt.

Die physikalische Bedeutung des Horizonts ist sehr klar. Ein Lichtsignal, das von seiner äußeren Umgebung gesendet wird, kann eine unendliche Entfernung zurücklegen. Aber die aus der inneren Region gesendeten Signale werden nicht nur den Horizont nicht überqueren, sondern unweigerlich in die Singularität „fallen“. Der Horizont ist die räumliche Grenze zwischen Ereignissen, die terrestrischen (und allen anderen) Astronomen bekannt werden können, und Ereignissen, über die Informationen unter keinen Umständen herauskommen werden.

Da es "nach Schwarzschild" weit vom Horizont entfernt sein sollte, ist die Anziehungskraft eines Lochs umgekehrt proportional zum Quadrat der Entfernung, daher manifestiert es sich für einen entfernten Beobachter als ein gewöhnlicher schwerer Körper. Neben der Masse erbt das Loch das Trägheitsmoment des kollabierten Sterns und seine elektrische Ladung. Und alle anderen Eigenschaften des Vorgängersterns (Struktur, Zusammensetzung, Spektraltyp etc.) geraten in Vergessenheit.

Schicken wir eine Sonde zum Loch mit einem Radiosender, der je nach Bordzeit einmal pro Sekunde ein Signal sendet. Für einen entfernten Beobachter werden die Zeitintervalle zwischen den Signalen länger, wenn sich die Sonde dem Horizont nähert – im Prinzip unendlich. Sobald das Schiff den unsichtbaren Horizont überquert, wird es für die „Over-the-Hole“-Welt vollkommen still. Dieses Verschwinden wird jedoch nicht spurlos bleiben, da die Sonde dem Loch seine Masse, Ladung und sein Drehmoment verleiht.

Strahlung eines Schwarzen Lochs

Alle bisherigen Modelle wurden ausschließlich auf Basis der Allgemeinen Relativitätstheorie gebaut. Unsere Welt wird jedoch von den Gesetzen der Quantenmechanik regiert, die Schwarze Löcher nicht ignorieren. Diese Gesetze erlauben es uns nicht, die zentrale Singularität als mathematischen Punkt zu betrachten. In einem Quantenkontext ist sein Durchmesser durch die Planck-Wheeler-Länge gegeben, ungefähr gleich 10 -33 Zentimeter. In dieser Region hört der gewöhnliche Raum auf zu existieren. Es ist allgemein anerkannt, dass das Zentrum des Lochs mit verschiedenen topologischen Strukturen gefüllt ist, die in Übereinstimmung mit quantenprobabilistischen Gesetzen erscheinen und sterben. Die Eigenschaften eines solchen sprudelnden Quasi-Raums, den Wheeler Quantenschaum nannte, sind noch kaum verstanden.

Das Vorhandensein einer Quanten-Singularität steht in direktem Zusammenhang mit dem Schicksal materieller Körper, die tief in ein Schwarzes Loch fallen. Wenn man sich der Mitte des Lochs nähert, wird jeder Gegenstand, der aus derzeit bekannten Materialien besteht, durch die Gezeitenkräfte zerquetscht und auseinandergerissen. Aber selbst wenn zukünftige Ingenieure und Technologen einige superfeste Legierungen und Verbundwerkstoffe mit heute noch nie dagewesenen Eigenschaften schaffen, sind sie sowieso alle zum Verschwinden verurteilt: Schließlich gibt es in der Singularitätszone weder vertraute Zeit noch vertrauten Raum.

Betrachten wir nun den Horizont des Lochs durch eine quantenmechanische Linse. Der leere Raum – das physikalische Vakuum – ist tatsächlich keineswegs leer. Aufgrund von Quantenfluktuationen verschiedener Felder im Vakuum werden kontinuierlich viele virtuelle Teilchen geboren und sterben. Da die Schwerkraft in Horizontnähe sehr stark ist, erzeugen ihre Schwankungen extrem starke Gravitationsausbrüche. Wenn sie in solchen Feldern beschleunigt werden, gewinnen neugeborene „Virtuelle“ zusätzliche Energie und werden manchmal zu normalen langlebigen Teilchen.

Virtuelle Teilchen werden immer paarweise geboren, die sich in entgegengesetzte Richtungen bewegen (dies wird vom Gesetz der Impulserhaltung gefordert). Wenn eine Gravitationsschwankung ein Teilchenpaar aus dem Vakuum herauszieht, kann es passieren, dass eines von ihnen außerhalb des Horizonts materialisiert und das zweite (das Antiteilchen des ersten) innerhalb. Das „innere“ Teilchen fällt in das Loch, aber das „äußere“ Teilchen kann unter günstigen Bedingungen entweichen. Dadurch wird das Loch zu einer Strahlungsquelle und verliert dadurch Energie und damit Masse. Daher sind Schwarze Löcher grundsätzlich instabil.

Dieses Phänomen wird nach dem bemerkenswerten englischen theoretischen Physiker, der es Mitte der 1970er Jahre entdeckte, Hawking-Effekt genannt. Insbesondere Stephen Hawking hat bewiesen, dass der Horizont eines Schwarzen Lochs Photonen genauso aussendet wie ein absolut schwarzer Körper, der auf eine Temperatur T = 0,5 x 10 -7 x M s /M erhitzt wird. Daraus folgt, dass, wenn das Loch dünner wird, seine Temperatur zunimmt und die "Verdunstung" natürlich zunimmt. Dieser Prozess ist extrem langsam, und die Lebensdauer eines Lochs der Masse M beträgt etwa 10 65 x (M/M s) 3 Jahre. Wenn seine Größe der Planck-Wheeler-Länge entspricht, verliert das Loch an Stabilität und explodiert, wobei es die gleiche Energie freisetzt wie die gleichzeitige Explosion von einer Million Zehn-Megatonnen Wasserstoffbomben. Seltsamerweise ist die Masse des Lochs zum Zeitpunkt seines Verschwindens immer noch ziemlich groß, 22 Mikrogramm. Nach einigen Modellen verschwindet das Loch nicht spurlos, sondern hinterlässt ein stabiles Relikt gleicher Masse, das sogenannte Maximon.

Maxim wurde vor 40 Jahren geboren - als Begriff und als physikalische Idee. 1965 schlug der Akademiker M. A. Markov vor, dass es eine Obergrenze für die Masse von Elementarteilchen gibt. Er schlug dies vor Grenzwert der Wert der Dimension Masse, der sich aus drei fundamentalen physikalischen Konstanten - der Planck-Konstante h, der Lichtgeschwindigkeit C und der Gravitationskonstante G - kombinieren lässt (für Detailverliebte: Dazu müssen Sie h und C multiplizieren , teile das Ergebnis durch G und extrahiere Quadratwurzel). Dies sind die gleichen 22 Mikrogramm, die im Artikel erwähnt werden, dieser Wert wird als Planck-Masse bezeichnet. Aus den gleichen Konstanten lässt sich ein Wert mit der Längendimension (ergibt die Planck-Wheeler-Länge, 10 -33 cm) und mit der Zeitdimension (10 -43 sec) konstruieren.
Markov ging in seiner Argumentation noch weiter. Nach seiner Hypothese führt die Verdunstung eines Schwarzen Lochs zur Bildung eines „Trockenrückstands“ – eines Maximon. Markov nannte solche Strukturen elementare Schwarze Löcher. Inwieweit diese Theorie der Realität entspricht, ist noch offen. Auf jeden Fall wurden Analoga von Markov-Maximonen in einigen Modellen von Schwarzen Löchern wiederbelebt, die auf der Superstring-Theorie basieren.

Tiefen des Weltraums

Schwarze Löcher sind nicht durch die Gesetze der Physik verboten, aber existieren sie in der Natur? Absolut strenge Beweise für die Anwesenheit mindestens eines solchen Objekts im Weltraum wurden noch nicht gefunden. Es ist jedoch sehr wahrscheinlich, dass in einigen Doppelsternsystemen die Röntgenquellen Schwarze Löcher stellaren Ursprungs sind. Diese Strahlung sollte durch das Ansaugen der Atmosphäre eines gewöhnlichen Sterns durch das Gravitationsfeld eines benachbarten Lochs entstehen. Das Gas wird während seiner Bewegung zum Ereignishorizont stark erhitzt und sendet Röntgenquanten aus. Mindestens zwei Dutzend Röntgenquellen gelten inzwischen als geeignete Kandidaten für die Rolle der Schwarzen Löcher. Darüber hinaus deuten Sternstatistiken darauf hin, dass es allein in unserer Galaxie etwa zehn Millionen Löcher stellaren Ursprungs gibt.

Schwarze Löcher können auch bei der Gravitationskondensation von Materie in galaktischen Kernen entstehen. So entstehen riesige Löcher mit einer Masse von Millionen und Milliarden Sonnenmassen, die aller Wahrscheinlichkeit nach in vielen Galaxien zu finden sind. Anscheinend befindet sich im Zentrum der mit Staubwolken bedeckten Milchstraße ein Loch mit einer Masse von 3-4 Millionen Sonnenmassen.

Stephen Hawking kam zu dem Schluss, dass unmittelbar nach dem Urknall, aus dem unser Universum entstand, Schwarze Löcher beliebiger Masse entstehen könnten. Primärlöcher mit einem Gewicht von bis zu einer Milliarde Tonnen sind bereits verdampft, aber schwerere können sich immer noch in den Tiefen des Weltraums verstecken und zu gegebener Zeit ein kosmisches Feuerwerk in Form von mächtigen Blitzen aus Gammastrahlung entfachen. Bisher wurden solche Explosionen jedoch noch nie beobachtet.

Fabrik des Schwarzen Lochs

Ist es möglich, die Teilchen im Beschleuniger auf eine so hohe Energie zu beschleunigen, dass bei ihrer Kollision ein Schwarzes Loch entstehen würde? Auf den ersten Blick ist diese Idee einfach verrückt - die Explosion des Lochs wird alles Leben auf der Erde zerstören. Außerdem ist es technisch nicht machbar. Wenn die Mindestmasse eines Lochs tatsächlich 22 Mikrogramm beträgt, dann sind es in Energieeinheiten 10 28 Elektronenvolt. Diese Schwelle liegt 15 Größenordnungen über der Kapazität des weltweit leistungsstärksten Beschleunigers, des Large Hadron Collider (LHC), der 2007 am CERN gestartet wird.

Es ist jedoch möglich, dass die Standardschätzung der Mindestmasse eines Lochs erheblich überschätzt wird. Das sagen jedenfalls die Physiker, die die Theorie der Superstrings entwickeln, zu der auch die Quantentheorie der Gravitation gehört (wenn auch noch lange nicht vollständig). Nach dieser Theorie hat der Raum nicht weniger als drei Dimensionen, aber mindestens neun. Wir bemerken keine zusätzlichen Dimensionen, weil sie so klein geloopt sind, dass unsere Instrumente sie nicht wahrnehmen. Die Schwerkraft ist jedoch allgegenwärtig, sie dringt in verborgene Dimensionen vor. In drei Dimensionen ist die Schwerkraft umgekehrt proportional zum Quadrat der Entfernung, und in neun Dimensionen ist sie die achte Potenz. Daher nimmt in einer mehrdimensionalen Welt die Intensität des Gravitationsfeldes mit abnehmender Entfernung viel schneller zu als in einer dreidimensionalen. In diesem Fall nimmt die Planck-Länge um ein Vielfaches zu und die minimale Masse des Lochs fällt stark ab.

Die Stringtheorie sagt voraus, dass ein Schwarzes Loch mit einer Masse von nur 10 -20 g im neundimensionalen Raum geboren werden kann.Die berechnete relativistische Masse der im Zern-Superbeschleuniger beschleunigten Protonen ist ungefähr gleich. Nach dem optimistischsten Szenario wird er in der Lage sein, jede Sekunde ein Loch zu produzieren, das etwa 10 -26 Sekunden lang leben wird. Bei seiner Verdunstung werden alle Arten von Elementarteilchen geboren, die leicht zu registrieren sind. Das Verschwinden des Lochs führt zur Freisetzung von Energie, die nicht einmal ausreicht, um ein Mikrogramm Wasser pro Tausendstel Grad zu erhitzen. Daher besteht Hoffnung, dass sich der LHC in eine Fabrik harmloser Schwarzer Löcher verwandelt. Wenn diese Modelle stimmen, dann werden orbitale Detektoren für kosmische Strahlung der neuen Generation auch in der Lage sein, solche Löcher zu entdecken.

All dies gilt für stationäre Schwarze Löcher. Inzwischen gibt es rotierende Löcher, die eine Reihe interessanter Eigenschaften haben. Die Ergebnisse der theoretischen Analyse der Strahlung von Schwarzen Löchern führten auch zu einem ernsthaften Umdenken des Entropiekonzepts, das ebenfalls eine gesonderte Diskussion verdient. Mehr dazu in der nächsten Ausgabe.

Haben Sie schon einmal gesehen, wie ein Boden gesaugt wurde? Wenn ja, haben Sie bemerkt, wie der Staubsauger Staub und andere kleine Verunreinigungen wie Papierschnipsel aufsaugt? Natürlich taten sie es. Schwarze Löcher machen ungefähr dasselbe wie ein Staubsauger, aber statt Staub ziehen sie lieber größere Objekte an: Sterne und Planeten. Allerdings verschmähen sie auch kosmischen Staub nicht.

Wie entstehen Schwarze Löcher?

Um zu verstehen, woher Schwarze Löcher kommen, wäre es schön zu wissen, was Lichtdruck ist. Es stellt sich heraus, dass Licht, das auf Gegenstände fällt, auf sie drückt. Wenn wir beispielsweise in einem dunklen Raum eine Glühbirne anzünden, beginnt eine zusätzliche Kraft des Lichtdrucks auf alle beleuchteten Objekte zu wirken. Diese Kraft ist sehr gering und im Alltag werden wir sie natürlich nie spüren können. Der Grund ist, dass die Glühbirne eine sehr schwache Lichtquelle ist. (Unter Laborbedingungen lässt sich noch der Lichtdruck einer Glühbirne messen; erstmals gelang dies dem russischen Physiker P. N. Lebedev) Bei Sternen ist die Situation anders. Während der Stern jung und strahlend ist, kämpfen in ihm drei Kräfte. Einerseits zieht die Schwerkraft, die den Stern zu einer Spitze zusammendrückt, die äußeren Schichten nach innen zum Kern hin. Auf der anderen Seite gibt es die Kraft des leichten Drucks und die Druckkraft des heißen Gases, die dazu neigen, den Stern aufzublasen. Das im Kern eines Sterns geborene Licht ist so intensiv, dass es die äußeren Schichten des Sterns wegdrückt und die Schwerkraft ausgleicht, die sie in Richtung Zentrum zieht. Wenn ein Stern altert, produziert sein Kern immer weniger Licht. Dies geschieht, weil während des Lebens eines Sterns der gesamte Vorrat an Wasserstoff verbrennt, darüber haben wir bereits geschrieben. Wenn ein Stern sehr groß ist, 20 Mal schwerer als die Sonne, dann haben seine äußeren Schalen eine sehr große Masse. Daher kommen bei einem schweren Stern die äußeren Schichten immer näher an den Kern heran, der gesamte Stern beginnt zu schrumpfen. Gleichzeitig wächst die Gravitationskraft auf der Oberfläche des kontrahierenden Sterns. Je mehr sich der Stern zusammenzieht, desto mehr beginnt er, die Materie um sich herum anzuziehen. Schließlich wird die Anziehungskraft des Sterns so ungeheuer stark, dass selbst das Licht, das er aussendet, ihm nicht entkommen kann. In diesem Moment wird der Stern schwarzes Loch. Es emittiert nichts mehr, sondern absorbiert nur alles, was in der Nähe ist, einschließlich Licht. Es kommt kein einziger Lichtstrahl davon, also kann es niemand sehen, und deshalb wird es ein Schwarzes Loch genannt: Alles wird dort hineingezogen, kommt aber nie wieder zurück.

Wie sieht ein Schwarzes Loch aus?

Wenn Sie und ich in der Nähe eines Schwarzen Lochs wären, würden wir eine ziemlich große leuchtende Scheibe sehen, die sich um eine kleine, vollständig schwarze Region des Weltraums dreht. Diese schwarze Region ist das Schwarze Loch. Und die leuchtende Scheibe um sie herum ist Materie, die in das Schwarze Loch fällt. Eine solche Scheibe wird Akkretionsscheibe genannt. Die Anziehungskraft eines Schwarzen Lochs ist sehr stark, daher bewegt sich die angesaugte Materie mit einer sehr hohen Beschleunigung und beginnt dadurch selbst zu strahlen. Durch die Untersuchung des Lichts, das von einer solchen Scheibe ausgeht, können Astronomen viel über das Schwarze Loch selbst lernen. Ein weiteres indirektes Zeichen für die Existenz eines Schwarzen Lochs ist die ungewöhnliche Bewegung von Sternen um eine bestimmte Region des Weltraums. Die Anziehungskraft des Lochs bewirkt, dass nahegelegene Sterne sich auf elliptischen Bahnen bewegen. Solche Sternbewegungen werden auch von Astronomen aufgezeichnet.
Jetzt richtet sich die Aufmerksamkeit der Wissenschaftler auf das Schwarze Loch im Zentrum unserer Galaxie. Tatsache ist, dass sich dem Schwarzen Loch eine Wolke aus Wasserstoff nähert, mit einer Masse, die etwa dreimal so groß ist wie die der Erde. Diese Wolke hat bereits begonnen, ihre Form aufgrund der Schwerkraft des Schwarzen Lochs zu ändern, in den kommenden Jahren wird sie sich noch mehr dehnen und in das Schwarze Loch hineingezogen werden.

Wir werden die Prozesse innerhalb eines Schwarzen Lochs nie sehen können, also bleibt es, sich mit Beobachtungen der Scheibe um das Schwarze Loch herum zu begnügen. Aber hier warten wir auf viele interessante Dinge. Das vielleicht interessanteste Phänomen ist die Bildung ultraschneller Materiestrahlen, die aus dem Zentrum dieser Scheibe austreten. Der Mechanismus dieses Phänomens muss noch aufgeklärt werden, und möglicherweise wird einer von Ihnen die Theorie der Bildung solcher Jets aufstellen. Mittlerweile können wir nur noch Röntgenblitze registrieren, die solche „Aufnahmen“ begleiten.

Dieses Video zeigt, wie ein Schwarzes Loch nach und nach das Material eines nahen Sterns einfängt. In diesem Fall bildet sich eine Akkretionsscheibe um das Schwarze Loch, und ein Teil seiner Materie wird mit enormer Geschwindigkeit ins All geschleudert. Dabei entsteht eine große Menge an Röntgenstrahlung, die von einem sich um die Erde bewegenden Satelliten aufgefangen wird.

Wie ist ein Schwarzes Loch angeordnet?

Ein Schwarzes Loch kann in drei Hauptteile unterteilt werden. Der äußere Teil, in dem man noch vermeiden kann, in ein schwarzes Loch zu fallen, wenn man sich sehr mitbewegt schnelle Geschwindigkeit. Tiefer als der äußere Teil ist der Ereignishorizont – dies ist eine imaginäre Grenze, bei deren Überschreiten der Körper alle Hoffnung auf eine Rückkehr aus dem Schwarzen Loch verliert. Alles jenseits des Ereignishorizonts kann von außen nicht gesehen werden, da aufgrund der starken Schwerkraft selbst Licht, das sich von innen bewegt, nicht darüber hinausfliegen kann. Es wird angenommen, dass sich im Zentrum eines Schwarzen Lochs eine Singularität befindet - ein Raumbereich mit einem winzigen Volumen, in dem sich eine riesige Masse konzentriert - das Herz eines Schwarzen Lochs.

Kann man in ein Schwarzes Loch fliegen?

In großer Entfernung ist die Anziehungskraft eines Schwarzen Lochs genau die gleiche wie die Anziehungskraft des gewöhnlichsten Sterns mit der gleichen Masse wie die Masse des Schwarzen Lochs. Je näher Sie dem Ereignishorizont kommen, desto größer wird die Anziehungskraft. Daher ist es möglich, zu einem Schwarzen Loch zu fliegen, aber es ist immer noch besser, sich davon fernzuhalten, damit Sie zurückkehren können. Astronomen mussten beobachten, wie ein Schwarzes Loch einen nahen Stern ansaugte. Wie das aussah, seht ihr in diesem Video:

Wird unsere Sonne zu einem schwarzen Loch?

Nein, es dreht sich nicht. Dafür ist die Masse der Sonne zu klein. Berechnungen zeigen, dass ein Stern mindestens viermal massereicher sein muss als die Sonne, um ein Schwarzes Loch zu werden. Stattdessen verwandelt sich die Sonne in einen roten Riesen und schwillt auf etwa die Größe der Erdumlaufbahn an, wirft dann ihre äußere Hülle ab und wird zu einem weißen Zwerg. Wir werden definitiv über die Entwicklung der Sonne berichten.

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