Sterne & Kosmos Supernovas & Schwarze Löcher

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1 Sterne & Kosmos Supernovas & Schwarze Löcher Nach einer Abb. Aus dem Buch von :Cammille Flammarion: L'Atmosphère, Paris Sternenentwicklung 1,46 M < M < 3 M NASA/Chandra 6.2

2 Das Ende massenreicher Sterne Super Nova NASA/CXC/SAO/D.Patnaude et al. Cassiopeia A 6.3 Supernova-Explosion NASA/CXC/M.Weiss; X-ray: NASA/CXC/UC Berkeley/N.Smithet al.; IR: Lick/UC Berkeley/J.Bloom & C.Hansen. 6.4

3 Neutronensterne 10 3 Atome werden für C 3 10 kg m instabil und immer mehr Elektronen werden in den Protonkern gequetscht (inverser -Zerfall) e p n Dadurch entstehen immer mehr neutronenreiche Atomkerne. Für = kg/m 3 lösen sich Atome auf und es existieren nur noch dichtgepackte Neutronen = Neutronenstern. Der Gegendruck zur Gravitation wird nun durch die Austausch-Wechselwirkung der Neutronen übernommen. Der Radius eines Neutronensterns ist von der Größenordnung 10 km. Pulsare sind schnell rotierende Neutronensterne (teilweise weniger als eine Sekunde Umdrehungdauer!) mit einem sehr starken (etwa 10 8 Tesla) Magnetfeld. v e 6.5 Oberfläche aus metallischem Eisen (Eisenkerne in einem Elektronensee) äußere Kruste (neutronenreiche Atomkerne und Elektronen) innere Kruste (neutronenreiche Atomkerne, Elektronen und freie Neutronen) Superfluide Neutronenflüssigkeit (hauptsächlich Neutronen sowie einige Elektronen und supraleitende Protonen) Neutronenkern 6.6 Aufbau eines klassischen Neutronensterns

4 Neutronenstern mit Kaonenkondensat Kondensat aus Kaonen Die Materie in Neutronensternen nimmt mit zunehmender Tiefe und Dichte verschiedene exotische Formen an, die mit unterschiedlichen Modellen beschrieben werden Neutronenstern mit Pionenkondesat Kondensat aus Pionen Hadronenstern Feste Mischung aus kalten Hadronen Mischung aus freien up-, down- und strange-quarks Seltsamer Stern Stern aus Quarkmaterie 6.7 Modelle für Neutronenkerne Pulsar Rotationsachse Magnetpol Ein Pulsar ist ein schnell rotierender Neutronenstern (1,4 ms bis 8,5 s), dessen Magnetfeldachse nicht mit der Rotationsachse zusammenfällt. Über die Magnetpole einfallende Materie trifft mit nahezu Lichtgeschwindigkeit auf die Oberfläche des Neutronensterns und erzeugt dort Röntgenstrahlen, die entlang der Magnetfeldachse den Stern verlassen. Befindet sich ein Beobachter in diesem Emissionskegel, dann sieht man dies als einen Puls (Röntgenpulsar). Akkretion auf Magnetpole Emission von Röntgenstrahlung 6.8

5 Schwarze Löcher Ereignishorizont R = 3 km Masse/Sonnenmasse NASA 6.9 Analogie zwischen Schwarzem Loch und Laval-Düse Laval-Düse Welle stromabwärts Eine Lavaldüse, wie sie am Ende von Raketen zu finden ist, liefert eine Analogie zum Schwarzen Loch. Das einströmende Fluid ist im Unterschall, die Einengung zwingt es zur Beschleunigung, sodass das Austrittsfluid Überschall erreicht. Schallwellen im Unterschallbereich können sich stromaufwärts bewegen, was Wellen im Überschallbereich nicht können. Die Verengung verhält sich wie der Horizont eines Schwarzen Lochs: Schall kann eintreten, jedoch nicht in der Überschallregion austreten. Wahrscheinlich generieren Vakuumfluktuationen einen Schall, analog zur Hawking-Strahlung. Unterschall Schwarzes Loch Horizont Überschall 6.10

6 6.11 ESO/S. Gillessen Sagitarius A = Schwarzes Loch mit 4.3 ± 0.2 Millionen Sonnenmassen 6.12 ESO/S. Gillessen

7 AGN Emission AGN = Active Galactive Nuclei Stellar tidal disruption by a supermassive black hole I II doomed star black hole black hole deformed star approaching phase tidal deformation phase black hole star debris tidal disruption phase III Röntgenflare Freisetzung von J! 6.13 X-rays accretion of stellar relic material black hole accretion and flare phase IV NASA/ Hubble NASA/ Hubble Schwarzes Loch 6.14

8 No-Hair Theorem Schwarze Löcher haben als einzige charakteristische Größen: Masse, Drehimpuls (und Ladung) Alle anderen Eigenschaften gehen während des Kollapses verloren. Das war jedenfalls die Meinung Hawkings (und Gegenstand einer Wette) bis zum Juli Dann änderte er seine Meinung folgendermaßen (womit er die Wette verlor): Von außen gesehen hat ein Schwarzes Loch tatsächlich nur diese drei Eigenschaften. Wäre das Schwarze Loch eine Singularität, dann hätte es dies auch im Innern. Da es aber Quanteneffekte gibt, das Loch tief im Inneren also nur auf Planck-Länge (Strings) schrumpfen kann, geht die Information, die in ein Schwarzes Loch fällt, nicht verloren, sondern bleibt bestehen. Sie kommt wieder zum Vorschein, wenn das Schwarze Loch nach der Hawking-Strahlung zu leicht wird und in einem Blitz explodiert. Die Korrelationen zwischen den ausgespienen Teilchen tragen die gesamten Informationen. Hawking wörtlich: If you jump into a black hole, your mass energy will be returned to our universe but in a mangled form which contains the information about what you were like but in a state where it can not be easily recognized. It is like burning an encyclopedia. Information is not lost, if one keeps the smoke and the ashes. But it is difficult to read Ereignishorizont Unter der Annahme, dass Licht aus Korpuskeln besteht sagte John Michell in 1783 die Existenz Schwarzer Löcher voraus. Den Ereignishorizont leitete er ab zu: Falsche Theorie, richtiges Ergebnis! = 3 M/M km Radius des Ereignishorizonts =: Schwarzschild-Radius 6.16

9 Effektives relativistisches Potential 6.17 Relativistische Bahnen I A A B B 6.18

10 Relativistische Bahnen II 6.19 SN Typ Ia Disk Accretion from nearby star ESO/L. Calçada 6.20

11 SN Typ Ia Akkretionscheibe 6.21 ESO/L. Calçada 6.22

12 Typ II: Sternkollaps Explosion NASA/CXC/M.Weiss; X-ray: NASA/CXC/UC Berkeley/N.Smithet al.; IR: Lick/UC Berkeley/J.Bloom & C.Hansen. Black Hole Jets by magnetic fields 1. Das stetig nach innen strömende Gas erhitzt sich stark und wird zu rotierendem Plasma, das ein Magnetfeld senkrecht zur Akkretionsebene erzeugt. Sternwarte Feuerstein e.v. / Werner Stupka / Grafik: S. Kaufmann 6.24

13 Black Hole Jets by magnetic fields Die Rotation des Schwarzen Loches mit nahezu Lichtgeschwindigkeit an seiner Oberfläche verzerrt die Geometrie der Raumzeit in seiner Umgebung, wodurch die Magnetfeldlinien verdrillt werden, so dass sich über den Polen des Schwarzen Loches eine düsenförmige Magnetfeldstruktur bildet Black Hole Jets by magnetic fields NASA 6.26

14 Black Hole Jets by magnetic fields Blazar Knotenpunkt GASBEWEGUNG herausströmendes Gas einströmendes Gas Der Magnetfeldgradient der Magnetfeld-Trichter über beiden Polen erzeugt einen Plasma-Druckgradienten, der Teile des einfallenden Gases mit etwa 99% Lichtgeschwindigkeit als Jet wieder gepulst (etwa 1-2 Pulse pro Jahr) hinaus schleudert. Galaxien mit solchen Jets nennt man Blazar. Die Spiralstruktur des Magnetfeldes führt zu spiralartigen Bahnen und zu Fokussierungspunkten (Knoten) des Plasmas Cygnus A Active Galactic Nucleus heißes Intraclustergas Perimeter des Galaxieclusters Hot Spot Gürtel Akkretionsscheibe Radiowolke Schwarzes Loch Jet komprimiertes Intraclustergas Cygnus A Optische Galaxie 6.28

15 Blazar M87 Elektronen werden mit fast Lichtgeschwindigkeit auf diesem Strahl 5000 Lichtjahre ins All geschleudert ESA/Hubble Das bisher größte bekannte Schwarze Loch existiert in der Galaxie M87 mit 3 Milliarden Sonnenmassen 6.29 Gravitationslinseneffekt durch Schwarze Löcher NASA/Hubble Scheinbarer Ort Gravitationsfeld Brennpunkt Wirkliche Position der Wellenquelle Objekt mit großer Masse Scheinbarer Ort 6.30

16 Rotierende Schwarze Löcher Kerr Black Holes 6.31 A. Müller, TU München, A. Müller, TU München, 6.32

17 Kerr Black Hole Doppler Effect A. Müller, TU München, 6.33 Ansicht unter verschiedenen Blickwinkeln i = 6.34 A. Müller, TU München,

18 Kerr Hole Anblick A. Müller, TU München, So etwa muss das Schwarze Loch im 6.35 Zentrum Lehrstuhl unserer Raumfahrttechnik Milchstraße aussehen. Computersimulation i = 40 Astronaut fällt ins schwarze Loch Z E I T ; ClipArtLord.com Der Astronaut landet auf der Oberfläche eines kollabierenden Sterns. Ereignishorizont des Schwarzen Loches 11:00:00 Das Signal, das der Astronaut um 11:00:00 sendet, gelangt nie zum Raumschiff. Raumschiff beobachtet, wie der Astronaut beim Sturz ins Schwarze Loch Signale sendet. 6.36

19 Fall in ein Schwarzes Loch direkt 6.37 University of Colorado Boulder Professor Andrew Hamilton Trip through a Wormhole 6.38

20 Kollision zweier Black Holes Gravitationswellen PSR Mark Bajuk, Edward Seidel; NCSA [Anninos et al. 1993] Galaxies & Black Hole Merge 6.40 NASA/CXC/A. Hobart

21 Hawking-Strahlung (Black hole evaporation) Der größte Teil der Hawking-Strahlung hat eine Wellenlänge, die dem Radius des Schwarzen Loches entspricht. Sie transportiert die Masse, die zuvor ins Loch fiel und so das Loch wachsen ließ, wieder zurück ins Universum und lässt so das Loch schrumpfen. Teilchen-Antiteilchen-Paar annihiliert sich Ein Teilchen (Teilchen oder Antiteilchen) entkommt ins Universum mit positiver Energie Das andere Teilchen, das ins Loch fällt, muss aus Energieerhaltungs-Gründen negative Energie besitzen Zeit Entfernung von der Singularität Der Ereignishorizont des Schwarzen Loches dm dt Die Singularität 2 M Teilchen fällt ins Schwarze Loch, während das Antiteilchen ins Unendliche entweicht Virtuelle Teilchen und Anti-Teilchen entstehen an jedem Punkt im Universum

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