Linksklick zum Schließen

Was sind schwarze Löcher und welche Kräfte wirken in deren Nähe?

Einleitung schwarze Löcher

Warum schwarze Löcher so genannt werden und ob diese wirklich schwarz sind möchte ich später beantworten. Zu erste einmal ist es wichtig, dass ein schwarzes Loch ein sehr massereiches Objekt in den Tiefen des Universums ist und kein Loch im herkömmlichen Sinn. Diese "Löscher" waren vor dem Kollaps, riesige Sterne mit einem deutlich größern Durchmesser und folglich auch massereicher als unsere eigene Sonne. Unsere Sonne bzw. deren Masse wir mit 1x Sonnenmasse (M) deklarieren, ist nun wirklich nicht das größte Objekt im Universum. Dort drauen existieren Sterne mit einem vielfachen unserer Sonne. Die bekanntesten Sterne dürften jeden bekannt sein: Riegel, My Cephei, Beteigeuze, Rho Cassiopeiae.

Was sind schwarze Löcher?

eine ganze Zeit lang waren Wissenschaftler davon ausgegangen, dass die Häufigkeit von schwarzen Löchern sehr gering sei und somit nur sehr wenige existieren. Im Laufe der Jahrhunderte wurden im Bereich der Optik, Elektronik und Raumfahrt bemerkenswerte Fortschritte erzielt, die den Bau von immer leistungsfähigen Teleskopen vorangetrieben hatte. Nach dem heutigen Stand der Forschung wissen wir jetzt, dass schwarze Löcher viel häufiger vorkommen als angenommen. Auch in unserer Galaxie, der Milchstraße wird im Zentrum ein super massereiches schwarzes Loch vermutet. Damit das Thema schwarzes Loch besser verstehen zu können, müssen wir uns zuerst etwas in die Materie und in die Funktionsweise von Sternen hineinarbeiten.

Galaxie M87, Singularität Black Hole Galaxy M87 - Quelle: heise.de

Was ist ein Stern / unsere Sonne?

Es gibt nach der neusten Schätzung 70 Trilliarden Sterne im Universum. Dies ist eine 70 gefolgt von weiteren 21 Nullen! Für ein besseres Verständnis dieser unvorstellbaren Zahl, rechnen wir die Anzahl von Sternen auf jeden Menschen auf der Erde einmal um. Nach Stand November 2019 beträgt die Weltbevölkerung 7.750.000.000 (7,8 Milliarden) Menschen. Dies bedeutet, auf jede Person kommen 9.032.258.064.516 (9 Billionen) Sterne. Jeder kann diese bei Tag und vor allem nach Anbruch der Nacht beobachten. Der bekannteste dürfte unser eigenes Gestirn, die Sonne sein. Unsere Sonne ist 149.600.000 Km (mittlere Entfernung) weit von der Erde entfernt. Ihr Alter wird auf 4,57 Milliarden Jahre geschätzt und wird auch noch für den gleichen Zeitraum weiterhin unser Sonnensystem erhellen.

Ihre Leuchtkraft entsteht durch das Fusionieren von Wasserstoff zu Helium. Durch ein ausgewogenes Verhältnis zwischen den Stahlendruck der nach außen wirkt, der Zentrifugalkraft durch die Eigenrotation des Sterns der ebenfalls nach außen wirkt und der eigenen Gravitation die nach innen wirkt, verändert ein Stern seine Größe vorläufig nicht. Dieses Gleichgewicht wird hydrostatisches Gleichgewicht genannt. Allerdings ändert sich doch minimal die Größe. Dies hängt mit dem Massendefekt zusammen. Die Fusion von Wasserstoff zu Helium findet nicht 1 zu 1 statt. Bei der Entstehung von Energie geht Masse des Sternes verloren. Unsere Sonne fusioniert jede Sekunde ca. 564 Millionen Tonnen Wasserstoff zu 560 Tonnen Helium. 4 Millionen Tonnen werden in Energie in Form von Wärme und Strahlung umgewandelt. Diese Differenz ist es, die einen Stern sehr langsam aus dem Ungleichgewicht bringen lässt. Durch das Aufbrauchen des eigenen Brennstoffes ändern sich die Kräfteverhältnisse auf Grund heißerer Fusionsabläufe und geänderten Kräften. Hierdurch steigt der innere Stahlendruck und der Stern beginnt zu einem roten Riesen anzuwachsen.

Stern sonne - Sol Unsere Sonne im Zentrum des Sonnensystems - Quelle: weltderphysik.de

Nach dem der gesamte Wasserstoff verbraucht wurde, beginnt ein Stern schwerere Elemente zu fusionieren. Hierbei handelt es sich um das Heliumbrennen. Dadurch verschmilzt das Helium zu Kohlenstoff und später zu weiteren schwereren Elementen. Nun gibt es mehrere mögliche Szenarien wie sich dieser Stern weiter entwickeln kann. Vorweg möchte ich noch erwähnen, dass wir zeitlich gesehen über Millionen von Jahren sprechen. Das weitere geschehen hängt nun von der Masse des Sterns bzw. der Masse des Kerns ab. Die Grundlage für die Einheit der Masse von Sternen ist unser eigener Stern. Die Sonne (auch Sol genannt) hat eine Sternenmasse von 1. Somit können wir ableiten, dass größere, massereichere Sterne einen höheren Wert und kleinere masseärmere Sterne einen geringeren Wert besitzen.

Hat ein Stern sein Lebensende erreicht, fällt dieser in einer gigantischen Explosion Supernova in sich zusammen. Ausgelöst wird dieses Ereignis, durch einen deutlichen Anstieg der eigenen Gravitation im Verhältnis zum abnehmenden inneren thermischen Druck. Das hierbei entstandenen Kräfteungleichgewicht lässt den Stern kollabieren. Innerhalb von wenigen Sekunden stürz der Stern in sich zusammen und stößt dabei die gasförmige Hülle tief ins Weltall. Je nach der vorherigen Masse, bleibt bei Sternen mit kleineren Sternenmassen ein weißer Zwerg zurück. Bei sehr hohen Sternenmassen kann ein Neutronenstern entstehen oder ein schwarzes Loch.

Das schwarze Loch

Bei dem Prozess eines kollabierenden Sternes, fällt seine nicht abgestoßene Hülle aus super heißem Plasma in Richtung Kern. Hierbei verringert sich das vorherige Volumen um das Millionenfache. Gleichzeitig steigt die Dichte auf immer kleiner werdendes Volumen weiter an. Dadurch das die Hülle und der Kern sich immer weiter verdichten und immer mehr Masse auf immer kleiner werdendes Volumen zusammengepresst wird, steigt auch die Gravitation. Durch die steigende Gravitation wird nun auch ein Teil der Gase (Plasma) und die im Stern erzeugten Elemente zurück zum massereichen Kern zurückgezogen. Ab diesem Zeitpunkt ist die Gravitation so stark, dass die Raum-Zeit gekrümmt wird. Jetzt kann von einer Singularität (schwarzen Loch) gesprochen werden.

Singularität mit Gravitationslinseneffekt Schwarzes Loch mit Gravitationslinseneffekt - Quelle: wikipedia

Warum aber die Definition schwarz ?

Um das erklären zu können, schauen wir uns den Aufbau von einem „Black Hole“ genauer an. Schwarze Löcher sind nicht die fachliche Bezeichnung für diese Phänomene. Vielmehr handelt es sich hierbei um eine Singularität. Singularitäten bestehen im inneren aus einem kleinen, extrem dichten und somit extrem kompakten Kern. Dieser ist theoretisch kleiner als unsere Erde, besteht aber aus einem Vielfachen der Masse, aus dem die Erde sich zusammensetzt. Die Singularität besteht auch aus einem Ereignishorizont. Dieser mathematische Punkt beschreibt die Entfernung zur Singularität, ab dem kein Teilchen, Materie oder Welle jeweiliger Art mehr der Gravitation entkommen kann. Dies schließt auch die elektromagnetischen Wellen aus dem Licht besteht mit ein. Daher die Bezeichnung schwarzes Loch. Auf Grund der extremen Gravitation wird das Licht, dass sich mit Lichtgeschwindigkeit fortbewegt abgelenkt. Das Licht nicht mehr entweichen, sobald dieses einmal den Ereignishorizont überquert hat. Daher ist ab dem Ereignishorizontes alles in Dunkelheit gehüllt. Dies gilt natürlich auch für Funksignale aller Art.

Aufbau einer Singularität mit Ereignishorizont Schwarzes Loch mit Gravitationslinseneffekt - Quelle: wikipedia

Damit ich Ihnen diese das extreme Gravitationsfeld einer Singularität etwas besser veranschaulichen kann, betrachten wir einmal von den einzelnen Objekten aus unserem Sonnensystem die jeweiligen Fluchtgeschwindigkeiten. Fluchtgeschwindigkeit beschreibt die benötigte Geschwindigkeit, um die Eigengravitation eines Objektes nicht nur zu überwinden, sondern dieses auch verlassen zu können. Im Gegensatz zur 1. Kosmischen Geschwindigkeit, die für eine Kreisbahn z.B.: für Satelliten benötigt wird, ist die 2. Kosmische Geschwindigkeit für Missionen zum Mond oder Mars erforderlich. Die 3. Kosmische Geschwindigkeit, die wir hier nicht weiter behandeln werden, wird zum Verlassen des Sonnensystems (Gravitationsfeld d. Sonne) benötigt.

Kurzer Ausflug zu den Fluchtgeschwindikeiten

Die Fluchtgeschwindigkeiten aller Objekte im Sonnensystem. Alle Angaben sind in Kilometer/Sekunde (Km/s) angegeben. Anhand der Fluchtgeschwindigkeiten kann die Größe bzw. die Masse der einzelnen Objekte abgeleitet werden.

Künstliche Singularität

Nach der Fertigstellung des unterirdischen Teilchenbeschleunigers in Cern (Schweiz), wurde Kritik zu den vermeintlichen Gefahren laut. Gegner hatten die Befürchtung, dass ein künstlich erzeugtes schwarzes Loch den Planeten zerstören könnte. Wie bis hier her schon beschrieben wissen wir jetzt, dass ein schwarzes Loch ein extrem massereiches Objekt auf kleinstem Raum ist. Entstanden durch den Kollaps eines sehr massereichen Sternes in den Tiefen des Alls. Ein Teilchenbeschleuniger, wie der Name bereits vermuten lässt, beschleunigt Teilchen in einer Hochvakuum-Röhre auf annähernd dem absoluten Nullpunkt unter Zuhilfenahme von sehr starken Magnetfeldern auf beinahe Lichtgeschwindigkeit. Wenn die Teilchen ihre technisch bedingte maximale Geschwindigkeit erreicht haben, werden diese innerhalb eines Detektors auf Kollisionskurs gebracht. Bei dem Zusammenstoß beider Teilchen, entstehen weitere Partikel, Teilchen, Elemente und Strahlung. Dies erbringt neue Erkenntnisse aus den Bereichen Quantenmechanik, Teilchenforschung, der Entstehungsgeschichte und der Astronomie.

Aufbau eines Teilchenbeschleunigers z.b.: Cern Röhre eines Teilchenbeschleunigers - Quelle: wdr.de

Physiker aus den Instituten hatten bestätigt, dass es möglich sein kann, dass unter bestimmten Voraussetzungen eine Micro-Singularität entstehen könnte. Dies wäre allerdings nur für Millisekunden (oder noch geringer) existent, da dieses sich durch die Hawking-Strahlung selbst zerstrahlen würde. Somit besteht absolut keine Gefahr für den Planeten und somit auch nicht für die Menschheit. Außerdem hätte diese Singularität keinerlei Masse und folglich auch keinerlei Gravitation.

Künstliche Singularität (Anmerkung)

Es existiert bisher noch keine Technologie bzw. Verfahren genügend Masse auf kleinsten Raum komprimieren zu können, damit eine künstliche Singularität entstehen kann. Dies liegt und wird voraussichtlich weiterhin außerhalb der technischen Möglichkeiten liegen.

Fazit schwarze Löcher

Ich hoffe ich konnte Ihre Bedenken bezüglich einer künstlich erzeugten Singularität zerstreuen. Die benötigten Gegebenheiten für ein schwarzes Loch sind aufgrund der benötigten Masse für eine Singularität auf der Erde technisch nicht umsetzbar.
Wenn Ihnen dieser Artikel gefallen hat, freuen wir uns über eine positive Bewertung von Ihnen.

Stand des Artikels: 27.06.2020 Seitenaufrufe: 202

1 Stern 2 Sterne 3 Sterne 4 Sterne 5 Sterne
jetzt Artikel bewerten

Jetzt diesen Artikel Bewerten?

1 Stern 2 Sterne 3 Sterne 4 Sterne 5 Sterne

Schwarzes Loch singularität Black hole Gravitation Weltall Physik Astronomie