Monster im All: Schwarze Löcher

Transkript

1 Monster im All: Schwarze Löcher Jörn Wilms Institut für Astronomie und Astrophysik

2 Inhalt 0 2 Schwarze Löcher prä-einstein post-einstein Galaktische Schwarze Löcher kompakte Objekte Akkretion Stellare Schwarze Löcher Das galaktische Zentrum... ein 10 6 M schwarzes Loch! Supermassive Schwarze Löcher im Universum Aktive Galaxien: M in anderen Galaxien Zusammenfassung Inhalt 1

3 prä-einstein, I 0 3 Rev. John Michell: Phil. Trans. R. Soc. London, 74, (1784): Über die Möglichkeit, die Entfernung, Größe usw. der Fixsterne zu bestimmen, als Ergebnis der Verringerung der Geschwindigkeit ihres Lichts, sollte eine solche Verringerung in einem von ihnen gefunden werden, und daß solche Daten von Beobachtungen gewonnen werden sollten, wie es notwendig wäre, um dieses Ziel zu erreichen. Schwarze Löcher 1

4 prä-einstein, II 0 4 Rev. John Michell: Phil. Trans. R. Soc. London, 74, (1784):... sollte der Halbmesser einer Kugel mit der gleichen Dichte wie der der Sonne den der Sonne um ein Verhältnis von 500 zu 1 übersteigen,... dann würde alles von einem solchen Körper emittierte Licht zu ihm aufgrund der Gravitation zurückkehren. Schwarze Löcher 2

5 prä-einstein, III 0 5 Es gibt... im Himmel dunkle Körper, die so groß und so zahlreich sind wie die Sterne. Strahlung eines leuchtenden Sterns mit der Dichte der Erde und einem Durchmesser des 250fachen der Sonne würde uns nicht erreichen wegen der Anziehungskraft der Gravitation; es ist möglich, daß die größten leuchtenden Körper im Universum aus diesem Grund unsichtbar sind. Pierre Simon Laplace ( ) Exposition du systéme du monde, 2. Auflage, 1796 Schwarze Löcher 3

6 prä-einstein, IV 0 6 Es gibt... im Himmel dunkle Körper, die so groß und so zahlreich sind wie die Sterne. Strahlung eines leuchtenden Sterns mit der Dichte der Erde und einem Durchmesser des 250fachen der Sonne würde uns nicht erreichen wegen der Anziehungskraft der Gravitation; es ist möglich, daß die größten leuchtenden Körper im Universum aus diesem Grund unsichtbar sind. Pierre Simon Laplace ( ) Exposition du systéme du monde, 3. Auflage, 1808 Schwarze Löcher 4

7 Was sind schwarze Löcher?, I 0 7 Apfel nach oben geworfen: Gesamtenergie: E = E pot + E kin Schwarze Löcher 5

8 Was sind schwarze Löcher?, II 0 8 Apfel nach oben geworfen: Gesamtenergie: E = E pot + E kin E pot = G M Erdem Apfel r Erde potentielle Energie Schwarze Löcher 6

9 Was sind schwarze Löcher?, III 0 9 Apfel nach oben geworfen: Gesamtenergie: E = E pot + E kin E pot = G M Erdem Apfel r Erde potentielle Energie E kin = 1 2 m Apfelv 2 kinetische Energie Schwarze Löcher 7

10 Was sind schwarze Löcher?, IV 0 10 Apfel nach oben geworfen: Gesamtenergie: E = E pot + E kin E pot = G M Erdem Apfel r Erde potentielle Energie Apfel kann dann Erde verlassen, wenn E > 0, d.h. für 2GM Erde v v Entweich = r Erde E kin = 1 2 m Apfelv 2 kinetische Energie Schwarze Löcher 8

11 Was sind schwarze Löcher?, V 0 11 Apfel nach oben geworfen: Gesamtenergie: E = E pot + E kin E pot = G M Erdem Apfel r Erde potentielle Energie Apfel kann dann Erde verlassen, wenn E > 0, d.h. für 2GM Erde v v Entweich = r Erde Erde: M Erde = kg, r Erde = 6378 km, v Entweich, Erde = 11.2 km s 1 E kin = 1 2 m Apfelv 2 kinetische Energie Schwarze Löcher 9

12 Was sind schwarze Löcher?, VI 0 12 Apfel nach oben geworfen: Gesamtenergie: E = E pot + E kin E pot = G M Erdem Apfel r Erde potentielle Energie Apfel kann dann Erde verlassen, wenn E > 0, d.h. für 2GM Erde v v Entweich = r Erde Sonne: M Sonne = kg, r Sonne = km, v Entweich, Sonne = 620 km s 1 E kin = 1 2 m Apfelv 2 kinetische Energie Schwarze Löcher 10

13 Was sind schwarze Löcher?, VII 0 13 Apfel nach oben geworfen: Gesamtenergie: E = E pot + E kin E pot = G M Erdem Apfel r Erde potentielle Energie Apfel kann dann Erde verlassen, wenn E > 0, d.h. für 2GM Erde v v Entweich = r Erde E kin = 1 2 m Apfelv 2 kinetische Energie Schwarzes Loch: Körper mit Masse und Radius, bei dem die Entweichgeschwindigkeit größer ist als die Lichtgeschwindigkeit. Schwarze Löcher 11

14 Einstein, I 0 14 Spezielle Relativitätstheorie (1905): in allen Bezugssystemen hat die Lichtgeschwindigkeit c den gleichen Wert Beobachter mit konstanter Geschwindigkeit messen die gleichen physikalischen Gesetze Daraus folgt: = Raum und Zeit sind relativ ( 4D-Raumzeit ) = E = mc 2 ( Masse äquivalent zu Energie ) Albert Einstein ( ) Schwarze Löcher 12

15 Einstein, II 0 15 Allgemeine Relativitätstheorie (1916): Masse krümmt den Raum ( Metrik ) Albert Einstein ( ) Schwarze Löcher 13

16 Einstein, III 0 16 Allgemeine Relativitätstheorie (1916): Masse krümmt den Raum ( Metrik ) Licht bewegt sich durch gekrümmten Raum Albert Einstein ( ) Schwarze Löcher 14

17 post-einstein 0 17 Direkt nach Veröffentlichung der ART: ( ds 2 = 1 2GM ) ( c 2 dt 2 1 2GM ) 1 dr 2 c 2 r c 2 r (Schwarzschild Metrik). Beschreibt Form des Raumes in Umgebung einer Masse M. Karl Schwarzschild ( ) Schwarze Löcher 15

18 post-einstein 0 18 R > R S R R S R < R S Verhalten von Licht bestimmt von Emissionsort, in Abhängigkeit vom Schwarzschildradius: R S = 2GM c 2 3 km M M J.N. Imamura Schwarze Löcher 16

19 post-einstein 0 19 R > R S R R S R < R S Schwarzes Loch in der Relativitätstheorie: Körper, der kleiner ist als sein Schwarzschildradius J.N. Imamura Schwarze Löcher 17

20 Schwarze Löcher sind sehr einfache physikalische Objekte, bestimmt durch Masse Drehimpuls (Ladung)

21 J. Bergeron, Sky&Telescope

22 Urplötzlich verwandelte sich aufgrund noch nicht voll ständig verstandener Ursachen das Apartment von Darren Belsky in das Zentrum eines schwarzen Lochs. c FARWORKS, Inc., reprinted without permission for scientific and educational purposes

23 Kompakte Objekte, I 0 23 Sterne beenden ihr Leben als eines von drei verschiedenen kompakten Objekten: Weißer Zwerg: ρ g cm 3, R R Erde, Gleichgewicht zwischen Gravitation und Gas durch Druck ([relativistisch] entarteter) Elektronen, M < 1.44 M (Chandrasekhar-Grenze). Stellare Schwarze Löcher 2

24 Kompakte Objekte, II 0 24 Sterne beenden ihr Leben als eines von drei verschiedenen kompakten Objekten: Weißer Zwerg: ρ g cm 3, R R Erde, Gleichgewicht zwischen Gravitation und Gas durch Druck ([relativistisch] entarteter) Elektronen, M < 1.44 M (Chandrasekhar-Grenze). Neutronenstern: ρ g cm 3, R 10 km, bei dieser Dichte inv. β-zerfall (p + e n), d.h. Stern hat hohen Neutronenanteil M < M 3 M (Oppenheimer-Volkoff Grenze). Stellare Schwarze Löcher 3

25 Kompakte Objekte, III 0 25 Sterne beenden ihr Leben als eines von drei verschiedenen kompakten Objekten: Weißer Zwerg: ρ g cm 3, R R Erde, Gleichgewicht zwischen Gravitation und Gas durch Druck ([relativistisch] entarteter) Elektronen, M < 1.44 M (Chandrasekhar-Grenze). Neutronenstern: ρ g cm 3, R 10 km, bei dieser Dichte inv. β-zerfall (p + e n), d.h. Stern hat hohen Neutronenanteil M < M 3 M (Oppenheimer-Volkoff Grenze). Schwarzes Loch: Für M 3 M. kein stabiler Zustand bekannt = Stern fällt vollständig in sich zusammen = Schwarzes Loch Ereignishorizont bei R S = 3(M/M ) km Stellare Schwarze Löcher 4

26 Kompakte Objekte, IV 0 26 Sterne beenden ihr Leben als eines von drei verschiedenen kompakten Objekten: Weißer Zwerg: ρ g cm 3, R R Erde, Gleichgewicht zwischen Gravitation und Gas durch Druck ([relativistisch] entarteter) Elektronen, M < 1.44 M (Chandrasekhar-Grenze). Neutronenstern: ρ g cm 3, R 10 km, bei dieser Dichte inv. β-zerfall (p + e n), d.h. Stern hat hohen Neutronenanteil M < M 3 M (Oppenheimer-Volkoff Grenze). Schwarzes Loch: Für M 3 M. kein stabiler Zustand bekannt = Stern fällt vollständig in sich zusammen = Schwarzes Loch Ereignishorizont bei R S = 3(M/M ) km Wird ein kompaktes Objekt mit M > 3 M beobachtet: Schwarzlochkandidat Stellare Schwarze Löcher 5

27 Akkretion, I 0 27 Astrophysikalische Energiequellen: 1. Kernfusion Typische Reaktionen à la 4p 4 He + E nuc Freiwerdende Energie: Fusion erzeugt erg g 1 = J g 1 ( E nuc 0.007m p c 2 ) Stellare Schwarze Löcher 6

28 Akkretion, II 0 28 Astrophysikalische Energiequellen: 1. Kernfusion Typische Reaktionen à la 4p 4 He + E nuc Freiwerdende Energie: Fusion erzeugt erg g 1 = J g 1 ( E nuc 0.007m p c 2 ) 2. Gravitation Akkretion von Masse m von nach R S auf Schwarzes Loch M liefert E acc = GMm R S wo R S = 3GM c 2 Akkretion erzeugt erg g 1 = J g 1 (d.h., E acc 0.1m p c 2 ) Stellare Schwarze Löcher 7

29 Akkretion, III 0 29 Astrophysikalische Energiequellen: 1. Kernfusion Typische Reaktionen à la 4p 4 He + E nuc Freiwerdende Energie: Fusion erzeugt erg g 1 = J g 1 ( E nuc 0.007m p c 2 ) 2. Gravitation Akkretion von Masse m von nach R S auf Schwarzes Loch M liefert E acc = GMm R S wo R S = 3GM c 2 Akkretion erzeugt erg g 1 = J g 1 (d.h., E acc 0.1m p c 2 ) = Akkretion von Material ist die effizienteste astrophysikalische Energiequelle.... daher sind akkretierende Objekte auch die leuchtkräftigsten im ganzen Universum. Stellare Schwarze Löcher 8

30 Material fließt von normalem Stern über inneren Lagrangepunkt, L 1, auf kompaktes Objekt = Ausbildung einer Akkretionsscheibe, mit Temperatur 10 7 K = Röntgenstrahlung. = Vortrag Staubert letzte Woche

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32 Massenbestimmung /8/98 Normalized Flux /8/ /8/ /8/ /8/ /8/ Wavelength [A] In Doppelsternsystem: Masse des kompakten Objekts aus 3. Keplerschen Gesetz a 3 T = G(M 1 + M 2 ) 2 4π 2 bestimmbar (a: große Halbachse, T : Umlaufzeit, M 1,2 : Massen). Daraus ableitbar: Massenfunktion MF = M 2 3 sin 3 i (M 1 + M 2 ) = a3 1 sin 3 i 2 U 2 MF ist untere Grenze für M 2. Bewegung der Hβ Linie in HDE /Cyg X-1 (Pottschmidt, Wilms, et al., in Vorb.) Stellare Schwarze Löcher 11

33 Massenbestimmung Masse (Sonnenmassen) Cyg X 1 LMC X 1 LMC X 3 GRS XTE J XTE J XTE J A V404 Cyg XN Mus 91 XN Oph77 GRO J GRO J GS U GRS V4641 Sgr Vela X 1 Cyg X 2 B B c B B c B C B Cc B B c J J c B J J J B Stellare Schwarze Löcher 12 5??????

34 Massenbestimmung Masse (Sonnenmassen) Cyg X 1 LMC X 1 LMC X 3 GRS XTE J XTE J XTE J A V404 Cyg XN Mus 91 XN Oph77 GRO J GRO J GS U GRS V4641 Sgr Vela X 1 Cyg X 2 B B c B B c B C B Cc B B c J J c B J J J B Stellare Schwarze Löcher 13 5??????

35 Milchstraße als Galaxie, I kpc (=40000 Lj) Galaktisches Zentrum X 8 kpc (=26000 Lj) Sonne 208 km/s 240 Mio Jahre/Umlauf Leuchtkraft: L Masse: M (leuchtend) M (insges.) Sterndichte: 0.3 M pc 3 1 M = g = kg, 1 L = erg s 1 = W M83: ESO [VLT ANTU+FORS1] Das galaktische Zentrum 1

36 Milchstraße als Galaxie, II 0 36 X 2kpc 600 pc 8 kpc 12 kpc 12 kpc (=40000 Lj) Galaktisches Zentrum X 8 kpc (=26000 Lj) Leuchtkraft: L Masse: M (leuchtend) M (insges.) Sterndichte: 0.3 M pc 3 Sonne 208 km/s 240 Mio Jahre/Umlauf 1 M = g = kg, 1 L = erg s 1 = W NGC 4565: W. McLaughlin Das galaktische Zentrum 2

37 Infrarot: Staub in MW wird durchlässig! 2MASS: 3 IR Bänder: J (1.25µm), H (1.65µm), K s (2.17µm)

38 2MASS: Innere 60 45

39 Der innere Parsec: Zentraler Sternhaufen, I 0 39 Zentrum von Sgr A enthält massereichen und dichten Sternhaufen (> 10 6 M pc 3, vgl. Sonnenumgebung: 0.1 M pc 3 ) Das galaktische Zentrum 5

40 Der innere Parsec: Zentraler Sternhaufen, II 0 40 Beobachtungen sehr aufwendig: Verschlechterung der Auflösung durch astronomisches Seeing ( 0.7 =0.2 pc) Gemini North/AURA Das galaktische Zentrum 6

41 Der innere Parsec: Zentraler Sternhaufen, III 0 41 Gemini North/AURA Beobachtungen sehr aufwendig: Verschlechterung der Auflösung durch astronomisches Seeing ( 0.7 =0.2 pc)... das durch adaptive Optiken korrigiert werden kann = Auflösung: Beugungslimit! θ = 1.22 rad λ/d 1 mas (für d = 8 m, λ = 2.2µm) = 140 AU für gal. Zentrum! Das galaktische Zentrum 7

42 Schödel

43 Genzel/Eckart 1994

44 Genzel/Eckart 1996

45 Genzel/Eckart 2000

46 ESO, Oct 2002

47 Der innere Parsec: Massenbestimmung 0 47 Ghez et al. (2003, ApJ, in press) Schödel et al. (2002) Massenbestimmung: 3. Kepler sches Gesetz: a = 5.5 Lichttage P = 15.2 Jahre = P 2 a 3 = 4π 2 G(m + M BH ) Das galaktische Zentrum 13

48 Der innere Parsec: Massenbestimmung 0 48 Ghez et al. (2003, ApJ, in press) Schödel et al. (2002) Im Zentrum der Milchstraße befindet sich ein schwarzes Loch mit M BH = (3.7 ± 1.0) 10 6 M Das galaktische Zentrum 14

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50 Aktive Galaktische Kerne, II 0 50 NGC 3783: lineare Intensitätsskala Supermassive Schwarze Löcher 2

51 Aktive Galaktische Kerne, III 0 51 NGC 3783: lineare Intensitätsskala logarithmische Intensitätsskala Supermassive Schwarze Löcher 3

52 Aktive Galaktische Kerne, IV 0 52 NGC 3783: lineare Intensitätsskala logarithmische Intensitätsskala Aktive galaktische Kerne (active galactic nuclei; AGN): supermassive Schwarze Löcher (M M ), die 1...2M /Jahr akkretieren = Leuchtkraft L (vergleichbar mit Galaxienleuchtkraft) Supermassive Schwarze Löcher 4

53 Aktive Galaktische Kerne, V 0 53 Aufbau der aktiven Galaxienkerne ähnlich wie galaktische schwarze Löcher, aber insgesamt etwas beeindruckener... supermassives schwarzes Loch (10 7 M ) Akkretionsscheibe ( M 1...2M yr 1 ) Leuchtkraft hoch (L L ) Schwarzschildradius jetzt 1 AU Supermassive Schwarze Löcher 5

54 Aktive Galaktische Kerne, VI 0 54 Aufbau der aktiven Galaxienkerne ähnlich wie galaktische schwarze Löcher, aber insgesamt etwas beeindruckener... supermassives schwarzes Loch (10 7 M ) Akkretionsscheibe ( M 1...2M yr 1 ) Leuchtkraft hoch (L L ) Schwarzschildradius jetzt 1 AU häufig auch relativistische Jets, in denen Material auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigt wird Supermassive Schwarze Löcher 6

55 Extreme Effekte 0 55 ν f ν [kev 2 cm 2 s 1 kev Energy [kev] Wilms et al., 2001, 2003 MCG : Emission von Spektrallinien im Röntgenbereich aus der nächsten Nähe des schwarzen Lochs. Standardtheorien für Akkretion liefern keine Erklärung: = Extraktion von Spin aus magnetisiertem schwarzen Loch? Supermassive Schwarze Löcher 7

56 Chandra Deep Field South: 1 Msec (10.8 Tage) Beobachtung im Röntgenbereich in einer Region im Sternbild Fornax = Alle Objekte sind aktive Galaxien!

57 Zusammenfassung, I 0 57 Wichtige Punkte dieses Vortrags: Schwarze Löcher sind einfache Objekte: M, J Es gibt alle Arten schwarzer Löcher: Stellare (Galaktische) Schwarze Löcher (M 10 M ) Zentren normaler Galaxien (M 10 6 M ) Zentren aktiver Galaxien (M M ) Astrophysikalische Methoden erlauben es, das Verhalten von Materie unter extremsten Bedingungen zu studieren. Schwarze Löcher kommen im ganzen Universum vor Zusammenfassung 1

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