scinexx.de - Das Wissensmagazin

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2 01 Über uns scinexx.de - Das Wissensmagazin scinexx - sprich ['saineks], eine Kombination aus science und next generation - bietet als Onlinemagazin seit 1998 einen umfassenden Einblick in die Welt des Wissens und der Wissenschaft. Mit einem breiten Mix aus News, Trends, Ergebnissen und Entwicklungen präsentiert scinexx.de anschaulich Informationen aus Forschung und Wissenschaft. Die Schwerpunktthemen liegen in den Bereichen Geowissenschaften, Biologie und Biotechnologie, Medizin, Astronomie, Physik, Technik sowie Energie- und Umweltforschung. Das Internetmagazin spricht alle wissbegierigen User an - ob in Beruf, Studium oder Freizeit. scinexx wurde 1998 als Gemeinschaftsprojekt der MMCD NEW MEDIA GmbH in Düsseldorf und des Heidelberger Springer Verlags gegründet und ist heute Teil der Konradin Mediengruppe mit dem bekannten Magazin Bild der Wissenschaft sowie den

3 Wissensangeboten: wissen.de, wissenschaft.de, scienceblogs.de, natur.de und damals.de.

4 02 Inhalt ÜBER UNS INHALT 03 SCHWARZE LÖCHER Rätselhafte Phänomene 04 IMPRESSUM

5 03 Schwarze Löcher Rätselhafte Phänomene VON ROMAN JOWANOWITSCH Vor allem in Science-Fiction Filmen sind Schwarze Löcher allgegenwärtig. Doch was hat es mit diesen Phänomenen in Wirklichkeit auf sich? Gibt es sie tatsächlich, oder sind sie nur Gedankenkonstrukte, die auf mathematischen Gleichungen beruhen?

6 EIN UNSICHTBARER STERN, DER ALLES FESTHÄLT Dwürde die Erdatmosphäre und das Schwerefeld der Erde verlassen und ie Idee der Schwarzen Löcher ist nicht neu Stellen Sie sich vor, Sie könnten einen Ball so kraftvoll hochwerfen, dass er eine Geschwindigkeit von 11,1 Kilometern pro Sekunde, das sind Kilometer pro Stunde, erreicht. Der Ball ohne weiteren Antrieb immer weiter durch den Weltraum fliegen. Diese Geschwindigkeit, die es einem Körper erlaubt, den Himmelskörper zu verlassen, ist die Entweichgeschwindigkeit und wird für massereichere oder kompaktere Körper immer größer. Auf der Sonne beträgt sie schon das Hundertfache. Diese Tendenz setzt sich im Weltall fort. Mit zunehmender Gravitation, die ein Objekt besitzt, nimmt auch die Entweichgeschwindigkeit in immer stärkerem Ausmaß zu. Ein Neutronenstern hat eine so große Schwerkraft, dass sich Objekte, die von seiner Oberfläche entkommen wollen, mit der Hälfte der

7 Lichtgeschwindigkeit bewegen müssten (mal abgesehen davon, dass es unmöglich ist, auf der Oberfläche eines Neutronensterns zu existieren). Die Astronomen sind sich mittlerweile mehr oder weniger einig, dass es in den Tiefen des Universums Objekte gibt, die die Grenzen unseres Vorstellungsvermögens sprengen. Sie besitzen eine dermaßen starke Gravitation, dass nichts und niemand ihnen entkommen kann. Selbst das Licht, das sich mit der größtmöglichen Geschwindigkeit, die es gibt - Illustration eines schwarzen Lochs NASA/STSCI Kilometer pro Sekunde - fortbewegt, wird von diesen Objekten festgehalten. Wenn Lichtstrahlen ein Objekt nicht mehr verlassen können, macht es sich selber unsichtbar, da wir es nicht sehen können. Bereits 1784 postulierte der Geistliche John Michell die Existenz von unsichtbaren Himmelskörpern, die aufgrund ihrer eigenen Masse keinerlei Licht aussenden und daher nicht direkt durch ihre eigene Strahlung nachgewiesen werden können. Dennoch sollten sie gravitative Effekte auf Materie in ihrer Nähe ausüben. Einige Jahre später kam der französische Mathematiker Pierre Simon de Laplace ebenfalls zu dem Schluss, dass es solche Objekte geben müsste. Beide, Michell und Laplace, gründeten ihre Überlegungen auf Newton's Ideen zur Schwerkraft. Seine Theorien zur Gravitation galten in Wissenschaftlerkreisen als unumstößlich - bis 1915, als Albert Einstein seine Allgemeine Relativitätstheorie veröffentlichte. Anstelle die Gravitation nur als eine Kraft zu betrachten, setzte Einstein sie mit einer Krümmung der Raumzeit gleich. Dies sollte die moderne Physik entscheidend verändern und schuf auch die mathematischen

8 Voraussetzungen, um das Phänomen der Schwarzen Löcher erklären zu können. Konnten mit den bisherigen Naturgesetzen viele Eigenschaften, die solch ein Objekt haben müsste, nicht erklärt werden, wurde mit der Relativitätstheorie diese Barriere überwunden. Die Wissenschaftler lösten sich von den althergebrachten Gesetzen und beschritten völlig neue Wege der theoretischen Physik. Erst 1968 schlug John Wheeler dann die Bezeichnung Schwarzes Loch für derartige Objekte vor, eine treffendere Bezeichnung hätte er nicht wählen können, und so setzte sich dieser Name schnell durch.

9 DIE GRENZEN EINES SCHWARZEN LOCHES Dkonnte der deutsche Physiker Karl Schwarzschild ebenfalls die Existenz er Schwarzschild Radius Kurz nachdem Albert Einstein seine Allgemeine Relativitätstheorie veröffentlicht hatte, machten sich die Wissenschaftler an die Anwendung seiner Theorien. Mit Hilfe Einstein's Relativitätsgleichungen der Schwarzen Löcher, aus denen nichts herausgelangen kann, vorhersagen. Er forderte eine Art magische Sphäre um das Objekt, innerhalb derer die Gravitation so stark ist, dass alles, was diese Grenze einmal überschritten hat, nicht wieder zurückgelangen kann. Dieser Abstand zum Zentrum des Schwarzen Lochs wird dem Physiker zu Ehren als Schwarzschild Radius bezeichnet. In dieser Entfernung ist die Entweichgeschwindigkeit exakt gleich der Lichtgeschwindigkeit. Lichtstrahlen, die genau in dieser Entfernung sowie innerhalb dieses Radius ausgesandt werden, gelangen nie nach

10 außen. Außerhalb dieses Radius kann das Licht der enormen Anziehung entkommen. In einer Entfernung von 1,5 Schwarzschild Radien tritt ein merkwürdiges Phänomen auf: Ein sorgfältig ausgerichteter Lichtstrahl kann das Schwarze Loch unendlich lange umkreisen, die Anziehung reicht nicht aus, um das Licht in das Loch hineinzuziehen, sie ist jedoch groß genug, um die Photonen auf einer Kreisbahn festzuhalten. Der Abstand, den der Schwarzschild Radius zum Zentrum eines Schwarzes Loch NASA/CXC Schwarzen Loches beschreibt, wird auch als Ereignishorizont bezeichnet. Der Name kommt dadurch zustande, dass Ereignisse, die innerhalb dieses Radius stattfinden, niemals von einem außenstehenden Beobachter betrachtet werden können. Es ist der Horizont, bis zu dessen Grenze ein Betrachter Informationen über Ereignisse sammeln kann. Der Ereignishorizont markiert in gewissen Sinne die Oberfläche eines Schwarzen Loches, obwohl ein Schwarzes Loch keine wirkliche Oberfläche besitzt wie ein Stern. Jedes Schwarze Loch besitzt in seinem Zentrum eine Singularität. Dieses schwer vorstellbare Etwas ist der Punkt, an dem alle Materie durch die unvorstellbare Schwerkraft in einen Zustand unendlich großer Dichte zusammengequetscht wird. Dabei nähert sich das Volumen Null an, so dass die paradoxe Situation entsteht, dass eine große Masse an Materie unendlicher Dichte praktisch keinen Raum einnimmt.

11 UNENDLICHE DICHTE, HEISSES GAS UND MATERIEJETS Wgestützt durch Berechnungen und indirekte Beobachtungen, dass ein ie ist ein Schwarzes Loch aufgebaut? Unterscheiden sich Schwarze Löcher im wesentlichen durch ihre Größe, das heißt Masse, so ist ihr prinzipieller Aufbau durchweg gleich. Die Astronomen nehmen heute an, Schwarzes Loch generell aus folgenden Komponenten besteht: Das Zentrum des Schwarzen Loches, oder das Schwarze Loch in seiner eigentlichen Bedeutung, ist die Singularität. Hier herrschen Zustände, die einzigartig im Universum sind. Die Singularität ist der Punkt, an dem die gesamte Masse des Objektes vereinigt ist, die Dichte ist unendlich groß, das Volumen jedoch geht gegen Null. Hier hören Zeit und Raum, so wie wir sie kennen, auf zu existieren und die Zustände können nur noch mit relativistischen Mitteln beschrieben werden. Kein Mensch kann sagen, wie die Singularität aussieht, da keine Information aus einem Schwarzen Loch jemals an die Außenwelt gelangt.

12 Der Bereich um die Singularität, der für jedes Schwarze Loch charakteristisch ist und aus seiner Masse berechnet werden kann, ist der Ereignishorizont. Er ist genau die Grenze, von der das Licht und somit auch alle Informationen gerade nicht mehr der Gravitation des Schwarzes Loch mit Akkretionsscheibe saugt Materie von Begleiter ab NASA/STSCI Loches entkommen können, sozusagen der point of no return. Alles was innerhalb des Ereignishorizontes liegt, kann niemals nach außen gelangen und wird unaufhörlich in die Singularität gezogen. Objekte, die sich außerhalb des Horizontes befinden, spüren zwar die Auswirkungen der ungeheuren Anziehung, werden aber nicht in das Schwarze Loch hineingezogen. Man kann sich den Ereignishorizont vorstellen wie eine Membran, die nur in eine Richtung durchlässig ist. Materie könnte nur dann in entgegengesetzter Richtung aus dem Loch herauskommen, wenn sie sich mit Überlichtgeschwindigkeit bewegen würde, was nach Einstein unmöglich ist. Die Größe eines Schwarzen Loches wird durch den Radius des Ereignishorizontes beschrieben, da die Singularität selbst im Prinzip punktförmig ist. Schwarze Löcher sind von einer riesigen, dichten Scheibe aus Materie umgeben, die die Astronomen als Akkretionsscheibe bezeichnen. Staub- und Gasteilchen, die sich in der Nähe des Loches befinden und der starken Gravitation ausgesetzt sind, sammeln sich allmählich rund um das Schwarze Loch und umkreisen es. Dadurch entsteht im Laufe der Zeit eine Scheibe mit immensen Ausmaßen. In den inneren Regionen der Scheibe wird die Anziehung so stark, dass die Teilchen auf immer enger werdenden Kreisbahnen in das Schwarze Loch hineingezogen werden, ähnlich wie Wasser strudelförmig in einem Abfluss verschwindet. Dabei werden die Partikel

13 stark beschleunigt. Materie, die den Ereignishorizont überschritten hat, stürzt fast mit Lichtgeschwindigkeit in die Singularität. Als Folge davon heizt sich die Materie bis auf einige Millionen Grad Celsius auf und sendet schließlich Strahlung in allen möglichen Bereichen des elektromagnetischen Spektrums, vor allem aber Röntgenstrahlung, aus. Das ist der Grund, warum wir Schwarze Löcher überhaupt wahrnehmen können. Ein weiteres Phänomen, das mit Schwarzen Löchern assoziiert ist, sind die sogenannten Materiejets. Sie bestehen aus heißem Gas und schießen mit weit mehr als der halben Lichtgeschwindigkeit bis zu Millionen von Lichtjahren weit ins Weltall hinein. Ihr Ursprung sind die heißen Gasmassen, die das Schwarze Loch umgeben. Sie stehen immer senkrecht zur Akkretionsscheibe. Die Ursache dieser Jets liegt in dem intensiven Magnetfeld, das ein Schwarzes Loch umgibt. Rotiert ein Schwarzes Loch mitsamt seiner Akkretionsscheibe aus Staub und Materie, erzeugt es ein gewaltiges Magnetfeld. Die geladenen, energiereichen Partikel werden bei ihrer Bewegung durch das Magnetfeld zu Jets gebündelt, die der Rotationsachse des Lochs folgen. Dadurch werden sie auf extrem hohe Geschwindigkeiten beschleunigt und ins All geblasen. Es könnten jedoch auch andere Phänomene, beispielsweise der Druck des intensiven Strahlungsfeldes, für ihre Entstehung verantwortlich sein.

14 VERRÄTERISCHE RÖNTGENSTRAHLUNG Ssind sich die Wissenschaftler sicher, dass sie existieren. Ein Schwarzes chwarze Löcher können nur indirekt beobachtet werden Woher wissen wir eigentlich, dass es Schwarze Löcher gibt? Sie senden keinerlei Strahlung aus, keine Information gelangt jemals aus ihnen heraus, und trotzdem Loch benötigt einen massereichen Vorläufer, von denen die nächsten immer noch etliche Lichtjahre von der Erde entfernt sind. Kollabiert solch ein Stern, beträgt der Durchmesser des Ereignishorizontes nur einige zehn Kilometer. Daher hätte ein solches Schwarzes Loch am Himmel einen Durchmesser von nur einem Bruchteil einer Bogensekunde. Selbst wenn es hell leuchten würde, wäre es äußerst schwer zu finden. Dennoch gibt es zahlreiche Hinweise für die Existenz sowohl normaler als auch supermassiver Schwarzer Löcher. Passiert ein Schwarzes Loch interstellare Materie oder befindet es sich

15 in der Nähe eines anderen Sterns, kann es durch die Wirkung der Schwarzes Loch nimmt Materie auf und setzt dabei Röntgenstrahlung frei NASA/CXC Gravitation langsam Materie ansammeln. Wird diese Materie angezogen, nimmt ihre kinetische Energie zu, wird extrem aufgeheizt und durch die Gezeitenkräfte des Loches verdichtet. Während das Gas immer heißer wird, gibt es Energie in Form von Strahlung ab, besonders im Bereich der Röntgenstrahlung. Kurz bevor die Materie den Ereignishorizont überschreitet, erwarten die Astronomen den Höhepunkt der Röntgenstrahlung, und genau diese Strahlung können sie dann benutzen, um die extremen Bedingungen in der Umgebung des Schwarzen Loches zu erforschen. Das hört sich einfacher an, als es tatsächlich ist. In einem Doppelsternsystem kann ein Schwarzes Loch Materie von seinem Begleiter abziehen, so dass genügend Röntgenstrahlung emittiert werden sollte, um das Schwarze Loch ausfindig zu machen. Zusätzlich können die Wissenschaftler beispielsweise durch Messung der Umlaufzeiten die Masse des unsichtbaren Begleiters bestimmen und so entscheiden, ob es sich um einen Neutronenstern oder ein Schwarzes Loch handelt machten sich die Forscher erstmals daran, in Doppelsternsystemen nach Röntgenstrahlung zu suchen. Kurz vorher wurden am Himmel die ersten Röntgenquellen entdeckt. Seitdem wird nach einer Art Signatur gesucht, die eine Strahlungsquelle eindeutig als Schwarzes Loch klassifiziert. Die Masse eines kollabierten Sterns muss mindestens drei Sonnenmassen überschreiten, um als Schwarzes Loch zu gelten, sein Spektrum muss einen charakteristischen Doppelpeak aufweisen und die Röntgenstrahlung eines Schwarzen Loches sollte sehr veränderlich sein. Es ist jedoch bis heute nicht ganz klar, ob diese Charakteristika

16 ausreichend sind, um ein unbekanntes Himmelsobjekt eindeutig als Schwarzes Loch zu identifizieren. Zahlreiche Objekte, allen voran Cygnus X-1, wurden bisher aufgrund solcher Merkmale vorläufig als Schwarze Löcher charakterisiert, es gibt jedoch Wissenschaftler, die immer noch auf endgültige, bestätigende Hinweise warten. Da Röntgenstrahlung von der Erdatmosphäre absorbiert wird, benutzen die Wissenschaftler hochpräzise Röntgendetektoren, die auf Satelliten angebracht sind und so dem störenden Einfluss der Atmosphäre entgehen. Der modernste Röntgensatellit, der zur Zeit die Erde umkreist, ist Chandra. Auf seiner extrem elliptischen Umlaufbahn hält er Röntgensatellit Chandra NASA/CXC sich zu 85 Prozent der Zeit oberhalb der Strahlungsgürtel der Erde auf und kann auf diese Weise 55 Stunden lang ununterbrochen Röntgenquellen im All analysieren. Besonders hochenergetische Röntgenstrahlung von vergangenen Sternen wird mit Chandra's Instrumenten empfangen. Verglichen mit früheren Röntgensatelliten haben die Aufnahmen von Chandra eine 50 Mal höhere Auflösung, so dass sich zahlreiche neue Details erkennen lassen. Das Auflösungsvermögen ist so groß, dass Chandra ein Straßenschild auf eine Entfernung von 20 Kilometern erkennen könnte. Auf diese Weise ermöglicht Chandra mit seiner verbesserten Empfindlichkeit genauere Studien von Objekten wie Schwarzen Löchern, Supernovae und dunkler Materie und trägt entscheidend dazu bei, unser Verständnis über Ursprung, Entwicklung und Schicksal des Universums zu vergrößern.

17 WENN EIN STERN SEIN LEBEN AUSHAUCHT Sseine Masse. Die gewöhnlichsten Schwarzen Löcher sind diejenigen, chwarze Löcher von stellarer Masse sind Sternleichen Schwarze Löcher gibt es in den verschiedensten Größen beziehungsweise Massen, denn das entscheidende Kriterium eines Schwarzen Loches ist die aus dem Kollaps eines Sterns hervorgehen. Sie haben eine Masse zwischen vier und einigen zehn Sonnenmassen und bilden sich, wenn ein massiver Stern sein Leben in einer Supernova-Explosion aushaucht. Sterne, die mindestens zehnmal mehr Masse als unsere Sonne haben, erwartet ein besonderes Schicksal, wenn ihnen am Ende ihres langen Lebens der Brennstoff ausgeht. Verbrennt ein normaler Stern Wasserstoff zu Helium, beginnen die letzten Akte im Lebenszyklus des Sterns, wenn der Wasserstoffvorrat aufgezehrt ist. Nachdem die äußeren Schichten zu einem Roten Überriesen (einem extrem großen Roten Riesen) angeschwollen sind und die Kernfusion nachgelassen

18 hat, muss die Zentralregion der Gravitation Tribut zollen und beginnt zu schrumpfen. Dadurch wird der Kern wieder dichter und heißer und eine Reihe neuer Kernreaktionen zündet, bei denen auch schwerere Elemente fusionieren. Durch den erneuten Strahlungsdruck wird der Kollaps des Kerns für kurze Zeit aufgehalten. Irgendwann besteht der vergehende Stern nur noch aus Eisen, und Schwarzes Loch NASA Eisen kann nicht mehr zu noch schwereren Elementen verschmelzen. Weil die Kernfusion zum Erliegen kommt, wirkt der Strahlungsdruck der Gravitation nicht mehr entgegen und der sterbende Stern fällt rasend schnell in sich zusammen. Die Eisenatome werden mit unvorstellbarer Gewalt zusammengepresst und die Kerntemperatur steigt auf über 100 Milliarden Grad an. Wenn die abstoßenden Kräfte zwischen den Atomkernen stärker werden als die Gravitationskräfte, wird ein Großteil der Materie durch den Rückstoß in einer gigantischen Explosion abgesprengt: der Stern ist zur Supernova geworden. War die Masse des Sterns groß genug, so wirkt die Gravitation weiter. Die Protonen und Elektronen der Atomkerne verschmelzen zu Neutronen, und es entsteht ein Neutronenstern. Ab einer Masse von ungefähr zehn Sonnenmassen können nicht einmal die Neutronen der unerbittlichen Gravitation widerstehen, der Kollaps geht weiter bis sich die ganze Masse in einem unendlich kleinen Volumen vereinigt und die Dichte dieses Objektes unendlich groß wird. Aus einem Stern ist ein Schwarzes Loch geworden. Solche Schwarzen Löcher dürften überall in den Weiten des Alls vorkommen, entweder isoliert oder als Teil eines Doppelsternsystems. Unter gewissen Bedingungen kann der ehemalige Stern eines Doppelsystems auch als schwarzes Loch weiter Teil des

19 Systems bleiben, so dass sich beide, Schwarzes Loch und zweiter Stern, weiterhin umkreisen.

20 EIN MONSTER IN IHRER MITTE AHaben diese Schwarzen Löcher Massen von nur einigen zehn ktive Galaktische Kerne enthalten supermassive Schwarze Löcher Schwarze Löcher von stellarer Masse, die den Endpunkt eines Sternenlebens markieren, sind nicht die einzige Art dieser Objekte, die Astronomen heute kennen. Sonnenmassen, kennen wir heute auch Vertreter, die so schwer sind wie Millionen oder sogar Milliarden Sonnen zusammen. Es sind die supermassiven Schwarzen Löcher, die im Zentrum von Galaxien vorkommen. Normale Galaxien bestehen aus Sternen, interstellarem Gas und dunkler Materie. Es gibt jedoch Galaxien, die noch etwas völlig anderes beinhalten: ein Monster in ihrer Mitte, ein Schwarzes Loch von ungeheurer Masse. Wie kann die Entstehung solcher riesigen Objekte erklärt werden? Als die Galaxien vor langer Zeit noch relativ jung waren, waren die Sterne in

21 den Zentralregionen dicht gedrängt. Dauernd fanden Kollisionen und Zusammenschlüsse von Sternen statt. Dadurch konnten sich im Kern der Galaxien aus diesen fusionierten Sternen ab einer bestimmten Masse die supermassiven Schwarzen Löcher bilden. Einmal entstanden, vergrößerten sie sich ständig durch Aufnahme von weiterer Materie, die in das Gravitationsfeld geriet. Auf diese Weise konnten im Laufe der Zeit Schwarze Löcher mit einer Masse von Millionen von AGN mit Jets NASA/STSCI Sonnen im Zentrum der Galaxien entstehen. Diese Galaxien haben eine weitere Besonderheit. Normalerweise sollte eine Galaxie nur soviel Energie aussenden, wie die Summe aller Sterne, aus denen sie besteht. Die Galaxien, um die es hier geht, sind jedoch um einiges aktiver: sie strahlen viel mehr Energie ab, als sie eigentlich sollten, und diese Energie wird bevorzugt in Form von Infrarot-, Ultraviolett-, Radio- und Röntgenstrahlung abgegeben. Aufgrund dieser extremen Energieabgabe nennen die Astronomen diese Phänomene Aktive Galaktische Kerne (AGN). Dabei ist eine relativ kleine, besonders aktive Kernregion, die viel Strahlung aussendet, in eine ansonsten gewöhnliche Galaxie eingebettet. Dadurch erscheint die Zentralregion auch um einiges heller als der Rest der Galaxie. Auch hier liegt der Grund für die Energieabgabe dieser Objekte in der Ansammlung von Materie. Die supermassiven Schwarzen Löcher im Galaxienzentrum versammeln riesige Akkretionsscheiben um sich. Drehen sich diese um die Zentralregion und wird die Materie spiralförmig in das Schwarze Loch hineingezogen, erhitzt sich das Gas und sendet elektromagnetische Strahlung aus. Daher sind die AGNs besonders im

22 nicht sichtbaren Bereich sehr hell. Auch die Jets, die zu beiden Seiten der Akkretionsscheibe ins All reichen, sind bei den AGNs besonders stark ausgeprägt. Die riesigen Schwarzen Löcher innerhalb der Galaxien sind also der Motor für den enormen Energieausstoß.

23 VON QUASAREN UND SEYFERT-GALAXIEN Eeiner Entfernung von 15 Milliarden Lichtjahren. Das bedeutet, dass wir s gibt verschiedene Typen von aktiven Galaxien Die Astronomen unterscheiden mehrere Typen von aktiven Galaxien. Quasare sind aktive Galaxien, die extrem weit von uns entfernt sind. Einige der bekannten Quasare liegen in an ihnen sehen können, wie das Universum am Anfang der Zeit aussah, denn die Strahlung, die uns heute von diesen Quasaren erreicht, war 15 Milliarden Jahre zu uns unterwegs. Quasare (quasi stellare Objekte) sind vor allem im Bereich der Gammastrahlung sehr hell, in allen anderen Wellenlängen sind sie hoch variabel. Besonders hochenergetische Gammastrahlung geht von ihnen aus, sie sind die kraftvollsten Partikelbeschleuniger im gesamten Universum. Seyfert-Galaxien sind ein weiterer Typ von AGNs, die neben charakteristischer Röntgenstrahlung vor allem Gammastrahlung emittieren.

24 Seyfert-Galaxie NGC-7742 NASA/STSCI Anders als bei den Quasaren ist diese Strahlung allerdings viel energieärmer, in den Bereichen höherenergetischer Strahlung verblassen sie deutlich. Blazare oder Radiogalaxien hingegen sind aktive Galaxien, die vor allem Radiowellen aussenden. Sie gehören zu den hellsten Radioquellen am Himmel. Sie sind aber auch eine Quelle anderer hochenergetischer Strahlung. Die Wissenschaftler nehmen an, dass es sich hierbei um eine aktive Galaxie handelt, deren Materiejet genau auf die Erde deutet, so dass die Strahlung, die die Erde abbekommt, primär aus dem hochenergetischen Teilchenstrom des Jets besteht. Manche Astronomen sehen in Quasaren und Seyfert-Galaxien jedoch ein und dieselbe Galaxienart, nur aus anderem Blickwinkel betrachtet. Quasare sind ihrer Meinung nach Galaxien, bei denen die Jets - ähnlich wie bei den Radiogalaxien - in Richtung Erde deuten und wir so die energiereiche Strahlung registrieren können. Seyfert-Galaxien zeigen sich uns jedoch von der Seite, und wir nehmen die hochenergetische Strahlung, die den Jet entlangrast, nicht wahr, sondern blicken auf die staubige Scheibe. Dadurch wird die Strahlung gefiltert und abgeschwächt und nur die niederenergetische Strahlung kommt auf der Erde an.

25 REISE IN EIN SCHWARZES LOCH Agelangen. Nichtsdestotrotz reisen die Astrophysiker immer wieder in uswirkungen der GravitationI Schwarze Löcher sind sehr theoretische Gebilde. Kein Mensch weiß, was einen im Inneren erwartet und niemand wird wohl auch in Zukunft nur in die Nähe eines solchen faszinierenden Objektes Gedanken zu den Schwarzen Löchern und versuchen mit Hilfe der Relativitätstheorie, die Eigenschaften eines Schwarzen Loches zu beschreiben. Was würde also passieren, könnte man in ein Schwarzes Loch hineinfliegen? Einen Effekt der enormen Gravitation könnte man sofort am eigenen Leib spüren. Wie auf der Erde auch, wird die Wirkung der Schwerkraft mit abnehmender Entfernung zum Massezentrum stärker. Das bedeutet, dass auf die Füße stärkere Anziehungskräfte ausgeübt werden als auf den Kopf (vorausgesetzt, man nähert sich dem Schwarzen Loch mit den Füßen zuerst). Auf der Erde ist dieser Effekt aufgrund der geringen Gravitation vernachlässigbar, wir spüren davon

26 nichts. Bei einem Schwarzen Loch mit einer Masse von zehn Sonnen macht er sich bereits in einer Entfernung von Kilometern bemerkbar: Der Körper wird unangenehm in die Länge gezogen. In Kilometern Entfernung ziehen bereits Kräfte mit der vierfachen Erdbeschleunigung an dem Raumfahrer und in Kilometern Abstand wird Raumkrümmung um ein Schwarzes Loch NASA/STSC er mit 15 g auseinandergezogen. Spätestens hier kann man die Gezeitenkräfte nicht mehr aushalten. Flöge man weiter in das Schwarze Loch hinein, so würde man unweigerlich durch die Gravitation zerrissen und in den Ereignishorizont hineingezogen, wo die Atome des Körpers zur Singularität hinzugefügt würden. Viel erstaunlicher aber sind die Auswirkungen eines Schwarzen Loches auf Raum und Zeit. Da nach Einstein's Relativitätstheorie die Zeit nicht absolut ist, sondern immer vom jeweiligen Beobachtungsstandpunkt abhängt, sind die Erlebnisse desjenigen, der in ein Schwarzes Loch reist, ganz anders als aus der Perspektive eines Außenstehenden. Dank der ungewöhnlichen Eigenschaften von Raum und Zeit in der Umklammerung des Gravitationsfelds wird die Gedankenreise komplett unterschiedlich ausfallen. Zu Beginn der Annäherung an das Schwarze Loch geschieht nichts Außergewöhnliches. Die Uhren des Raumfahrers und des Beobachters gehen in Einklang. Der Raum ist noch nicht verzerrt und das Licht, das vom Raumfahrer zum Beobachter gelangt, sieht normal aus. Kommt der Raumfahrer dem Ereignishorizont näher, bemerkt der Beobachter, wie der Astronaut aufgrund der Gezeitenkräfte in die Länge

27 gezogen wird. Obwohl für den Raumfahrer die Zeit ganz normal verstreicht, läuft seine Uhr für den Beobachter langsamer ab. Die Gravitationskräfte dehnen nun auch die vierte Dimension, die Zeit. Zusätzlich erscheint der Raumfahrer dem Beobachter in einem röteren Licht. Dieses als Rotverschiebung bekannte Phänomen kommt dadurch zustande, dass sich das Licht mühsam aus dem Sog des Schwarzen Loches befreien muss. Der Zeitraum, der zwischen zwei Wellen des Lichtes vergeht, wird mit abnehmendem Abstand zum Ereignishorizont immer größer, das bedeutet, dass die Wellenlänge der Lichtstrahlen größer wird. Als Folge dessen erscheint das Licht, das beim Beobachter ankommt, mehr und mehr rot. Ist der mittlerweile arg in die Länge gezogene Raumfahrer kurz vor dem Ereignishorizont angekommen, wird er für den Beobachter nahezu unsichtbar. Das Licht, das vom Raumfahrer zum Beobachter gelangt, ist extrem rot und verblasst zunehmend, da es in seinem Kampf mit der Gravitation immer mehr Energie verliert. Erstaunlicherweise wird der Beobachter den Raumfahrer niemals in das Schwarze Loch fallen sehen. Weil die Zeit immer langsamer verläuft, je näher der Raumfahrer dem Horizont kommt, überschreitet er diesen scheinbar nie und scheint für alle Ewigkeiten über dem Loch zu schweben. Der Raumfahrer selber macht ganz andere Erfahrungen. Er bemerkt, wie er zunehmend schneller in das Schwarze Loch hineingezogen wird, bis er annähernd Lichtgeschwindigkeit erreicht. Was er im Inneren des Ereignishorizontes sieht, können wir uns jedoch nicht vorstellen. Unglücklicherweise wird der Raumfahrer auch niemals von seinen Erlebnissen berichten können, da sein Körper in einen Punkt von unendlich großer Dichte gequetscht wird, wenn er in die Singularität eintritt.

28 WENN MAN SICH SELBST VON HINTEN SIEHT Dauseinandergezogen wird und für einen Außenstehenden den ie besonderen optischen Eigenschaften eines Schwarzen Loches Bei einer theoretischen Reise in ein Schwarzes Loch treten noch weitere merkwürdige Phänomene auf. Nicht nur, dass der Raumfahrer wie Spaghetti Ereignishorizont niemals zu erreichen scheint, er nimmt auch seine Umgebung völlig verzerrt wahr. Aufgrund der massiven Gravitation, die sogar Lichtstrahlen in ihren Bann zwingt, sieht der Raumfahrer seine Umgebung komplett anders. Die Sterne erscheinen vom Loch abgerückt, da das Licht durch die Schwerkraft umgeleitet wird. Zusätzlich erscheinen neue, schwächere Sterne in der Nähe des Schwarzen Lochs. Hierbei handelt es sich um ein zweites Abbild der Sterne, das um das Loch herum gelenkt wird. Der Raumfahrer sieht jedes Objekt im All doppelt und kann den gesamten Himmel überblicken. Sterne, die hinter dem Loch liegen, werden vergrößert dargestellt. Durch

29 die starke Schwerkraft wirkt das Schwarze Loch als Gravitationslinse. Der Gravitationslinsen-Effekt tritt auf, wenn ein Schwarzes Loch oder ein anderes kompaktes Objekt sich in der Sichtlinie eines Sterns befindet. Liegen beide genau auf einer Linie, wird der Stern vergrößert und seine Helligkeit enorm verstärkt. Wenn Stern und Schwarzes Loch nicht genau voreinander liegen, sieht der Beobachter zwei verstärkte Bilder des Sterns. Die Wissenschaftler nennen den Bereich innerhalb 1,5 Schwarzschild Radien Photonsphäre. Um in diesem Abstand zur Singularität eine Umlaufbahn aufrechtzuerhalten, ist Lichtgeschwindigkeit nötig. Alles was sich langsamer bewegt, wird unweigerlich in das Loch gezogen. Photonen können der Anziehung nicht entkommen und bleiben auf einer stabilen Umlaufbahn um das Loch. Aus diesem Grund sieht der Raumfahrer knapp über dem Ereignishorizont die gesamte Umgebung, er kann sich sogar selber von hinten sehen, da die Lichtstrahlen kreisförmig um das Loch herum gelenkt werden. Auf der Oberfläche eines hypothetischen Planeten, der das gleiche Schwerefeld wie ein Schwarzes Loch hat, könnte ein Beobachter - ähnlich wie auf einem Neutronenstern - fast die gesamte Oberfläche überblicken. Der Horizont ist durch die starke, gravitationsbedingte Krümmung des Lichtweges weiter hinausgeschoben, so dass Punkte, die normalerweise unsichtbar unterhalb des Horizontes liegen würden, trotzdem sichtbar wären. All diese sonderbaren Effekte in der Nähe des Ereignishorizontes eines Schwarzen Loches sind jedoch nur das Ergebnis von Berechnungen und der Anwendung der Relativitätsgleichungen. Es müsste theoretisch so aussehen, könnte ein Raumfahrer dorthin reisen. Ob es aber wirklich so ist, vermag kein Wissenschaftler mit letzter Sicherheit zu sagen.

30 REISEN DURCH RAUM UND ZEIT GAugenblicken in einen Tausende von Lichtjahren entfernten Quadranten ibt es Wurmlöcher und Weiße Löcher? Ein Raumschiff schwebt im All. Plötzlich erscheint ein riesiger Schlund aus dem Nichts und verschlingt das Schiff. Ein Wurmloch hat sich geöffnet und das Raumschiff in wenigen der Galaxie befördert. Was in zahlreichen Filmen und Serien schon längst Realität ist, ist leider im wirklichen Universum mehr Fiktion denn Fakt. Ein Wurmloch ist eine theoretische Öffnung in der Raumzeit, durch die man sehr schnell an Orte reisen kann, die extrem weit entfernt sind. Theoretisch ist ein Wurmloch nichts anderes als eine starke Krümmung der Raumzeit, so dass zwei ursprünglich sehr weit voneinander entfernte Punkte durch eine Abkürzung plötzlich viel näher zusammen liegen. Das Konzept dieser kosmischen Tunnel ist mehr als nur Spinnerei einiger realitätsfremder Theoretiker. Einstein höchstpersönlich hat zusammen mit Nathan Rosen bewiesen, dass nach der

31 Relativitätstheorie solche Brücken möglich wären, wenn man die Raumzeit stark genug krümmen könnte. Das Wurmloch selber besteht aus zwei Schwarzen Löchern, die durch einen Tunnel miteinander verbunden sind. Dieser Tunnel durch die Raumzeit wird von Wissenschaftlern als Einstein-Rosen- Brücke bezeichnet. Mathematische Lösungen der Relativitätsgleichungen lassen solche Raumzeit-Tunnel durchaus Schwarzes Loch NASA/CXC zu, jedoch unter Bedingungen, von denen Wissenschaftler annehmen, dass sie niemals existiert haben. Allerdings haben die Einstein-Rosen-Brücken nur eine äußerst kurze Lebensdauer, so dass kein Raumschiff sie passieren könnte. Denn die Brücken würden sich in der Mitte zu Singularitäten verjüngen. Bevor ein Raumschiff hindurchgelangen könnte, reißt das Wurmloch ab und bildet zwei getrennte Singularitäten, was für das Raumschiff ein plötzliches Ende bedeuten würde. Um das Wurmloch offenzuhalten, wäre eine Raumzeitregion mit negativer Krümmung erforderlich - wie auch für andere Verwerfungen der Raumzeit, die dann Zeitreisen ermöglichen würden. Um die Raumzeit derart zu krümmen, wäre Materie mit negativer Energiedichte erforderlich, nicht zu verwechseln mit Antimaterie. Ob es jemals eine Technologie geben wird, mit der diese Überlegungen in die Praxis umgesetzt werden könnten, sei dahingestellt. In diesem Zusammenhang taucht immer wieder der Begriff der Weißen Löcher auf, die jedoch sehr theoretische Konstrukte sind. Sie könnten das andere Ende von Schwarzen Löchern darstellen, die durch eine Einstein-Rosen-Brücke verbunden sind und eine Abkürzung durch die Raumzeit darstellen. Andererseits sind Schwarze Löcher aber nur Punkte im Weltraum, die in einer Singularität enden und kein anderes Ende besitzen. In manchen Theorien sollen Weiße Löcher das

32 Gegenstück zu Schwarzen Löchern darstellen. Die Materie, die von einem Schwarzen Loch verschluckt wird, wird eventuell von seinem weißen Gegenstück wieder freigesetzt. Im Prinzip wäre ein Weißes Loch dann ein Schwarzes Loch, das in der Zeit rückwärts läuft. Nach den üblichen physikalischen Gesetzen darf es ein Weißes Loch überhaupt nicht geben, denn der Materieausstoß ist mit dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik nicht vereinbar. Die Relativitätstheorie aber kümmert sich nur bedingt um die Gesetze der Thermodynamik. Nach ihr könnte es solche Gebilde geben. Wurmlöcher und Weiße Löcher existieren tatsächlich als exakte Lösungen der Relativitätsgleichungen Einstein's, sind also mathematisch korrekt. Alles in allem sind Weiße Löcher sehr bizarre Gedankenkonstrukte und ihre Existenz ist äußerst hypothetisch.

33 SCHWARZE LÖCHER SIND NICHT SCHWARZ Vnicht wahrnehmen. Um die Verwirrung komplett zu machen, haben irtuelle Teilchen lassen Schwarze Löcher strahlen Schwarze Löcher sind definitionsgemäß schwarz, weil ihre Gravitation so groß ist, dass sie keinerlei Strahlung aussenden. Da ihnen selbst das Licht nicht entkommen kann, können wir sie Astrophysiker, allen voran Stephen Hawking, herausgefunden, dass Schwarze Löcher doch nicht schwarz sind, sondern eine gewisse Strahlung abgeben. Wie kann es sein, dass trotz der unvorstellbaren Gravitation, die alles festhält, immer noch Strahlung aus dem Schwarzen Loch entweicht? Dieses Phänomen kann nur quantenmechanisch erklärt werden. Das, was gemeinhin als Vakuum bezeichnet wird und das Weltall erfüllt, wimmelt auf subatomarer Ebene nur so vor Leben. Hochenergetische Teilchen können zusammenprallen und kurzfristig neue Partikel samt zugehörigem Antiteilchen erschaffen, etwa Elektron und Positron. Diese Teilchen können überall im Raum

34 vorhanden sein, existieren aber nur in extrem kurzen Zeitspannen, bevor sie sich wieder gegenseitig vernichten. Daher nennen die Physiker sie virtuelle Teilchen. Ein virtuelles Proton-Antiproton-Paar überdauert beispielsweise 10 hoch minus 24 Sekunden. Virtuelle und reelle Teilchen Diese virtuellen Teilchen können reell werden, wenn sie ausreichend Energie erwerben, zum Beispiel, wenn sie durch ein elektrisches Feld auseinander gezogen werden. Das gleiche passiert auch in der Nähe eines Schwarzen Loches. Die Gezeitenkraft kann ein virtuelles Teilchenpaar auseinander ziehen, so dass die Partikel genügend Energie erwerben. Ist der eine Partner näher am Schwarzen Loch, wird er hineingezogen und bleibt innerhalb des Horizontes zurück. Dabei wird genug Energie frei, dass das andere Teilchen reell werden und dem Einflussbereich des Schwarzen Loches entkommen kann. Das Teilchen, das in das Loch fällt, hat einen negativen Energiebetrag, das andere Teilchen entwischt und kann positive Energie vom Loch wegtransportieren. Daher kann das Schwarze Loch also tatsächlich etwas abstrahlen und ist nicht vollständig schwarz. Die Konsequenz dieses als Hawking-Effekt bekannten Phänomens ist, dass ein isoliertes Schwarzes Loch, das keinerlei Materie von einem benachbarten Stern ansammelt, regelrecht verdampfen kann. Die Hawking-Temperatur, mit der ein Schwarzes Loch strahlt, ist für kleine Löcher hoch und für massereiche niedrig. Große Schwarze Löcher, die durch den Kollaps massereicher Sterne entstanden sind, haben demnach eine Temperatur von nur einem millionstel Grad über dem absoluten Nullpunkt. Das sind Temperaturen, die Wissenschaftler auf der Erde erst vor kurzem experimentell erreichen konnten. Für diese Art von Schwarzen Löchern ist der Hawking-Effekt also vernachlässigbar. Da sie viel langsamer Energie abgeben, als sie durch die kosmische Hintergrundstrahlung beziehen, würde es Ewigkeiten dauern, bis sie verdampften. Nur wenn sich das Universum noch weitere 10 hoch 66 Jahre ausdehnen würde

35 (was angesichts seines Alters von zurzeit rund 13,75 Milliarden Jahren eine unvorstellbar lange Zeitspanne ist), könnten Schwarze Löcher mit mehreren Sternmassen mit der Zeit verdampfen. Die Strahlung, von der hier die Rede ist, lässt sich natürlich mit der von Sternen wie unserer Sonne überhaupt nicht vergleichen. Die Temperatur, die ein Schwarzes Loch besitzt und die Strahlung, die es abgibt, sind dermaßen winzig, dass sie nur für die theoretischen Überlegungen der Astrophysiker von Bedeutung sind.

36 SCHWARZE LÖCHER SIND ÜBERALL Dauch über die Zukunft des Weltalls geben. Dazu werden vor allem er Bedeutung der Schwarzen Löcher auf der Spur Schwarze Löcher können den Wissenschaftlern bedeutende Aufschlüsse über die Vergangenheit des Universums, die Entstehung von Galaxien und vielleicht Röntgenaufnahmen ausgewertet, die wichtige Erkenntnisse liefern. Neuere Aufnahmen des Röntgensatelliten Chandra lassen vermuten, dass das Universum kurz nach seiner Entstehung fast nur aus Schwarzen Löchern bestand. Mit den Röntgenaugen von Chandra können die Forscher durch extrem lange belichtete Aufnahmen zwölf Milliarden Jahre in die Vergangenheit gucken. Die Röntgen- Hintergrundstrahlung, die sich überall findet, lässt sich zwar auf verschiedene Objekte zurückführen, die wichtigsten und zahlreichsten Verursacher werden aber mit Sicherheit Schwarze Löcher gewesen sein.

37 Vor allem die diffuse Röntgenstrahlung, die aus allen Richtungen des Weltalls gleichmäßig zu uns gelangt, hat den Wissenschaftlern lange Zeit Rätsel aufgegeben. Erst durch den Einsatz von Chandra kamen sie dem Mysterium auf die Schliche. Durch die hohe Auflösung des Röntgenteleskops erkannten sie auf einer Langzeitbelichtung namens Deep Field South, dass es sich nicht um einen Chandra Deep Field South NASA/CXC verschwommenen Röntgenhintergrund handelt, sondern sie sahen in einem Gebiet nicht größer als der Vollmonddurchmesser 300 einzeln aufgelöste Strahlungsquellen. Mit anderen Untersuchungsmethoden erkannten die Forscher dann, dass diese Röntgenquellen auch extrem schwach in anderen Wellenlängenbereichen leuchten. Spektraluntersuchungen ergaben schließlich, dass es sich bei den fernen Röntgenstrahlern um Quasare und Aktive Galaktische Kerne handelte. Daher wird die verschwommene Hintergrund-Röntgenstrahlung auf eine astronomisch große Zahl Schwarzer Löcher zurückgeführt, die die Forscher als Energiequelle hinter den Quasaren und AGN's vermuten. Man kann also zu Recht behaupten, dass das Weltall von Schwarzen Löchern nur so wimmelt. Auch bei der Sternentstehung könnten Schwarze Löcher mitgewirkt haben. Seyfert-Galaxien gehören neben den Quasaren zu den hellsten Objekten im Universum. Bei der Untersuchung dieser Galaxien haben Wissenschaftler festgestellt, dass einige Seyfert-Galaxien gewisse Eigenschaften von Starburst-Galaxien aufweisen. Diese können ähnlich hell leuchten, nur entstammt hier die

38 Strahlung nicht der inneren Region, wo bei den Seyferts ein supermassives Schwarzes Loch vermutet wird, das durch die Akkretierung von Materie indirekt für die starke Strahlung verantwortlich ist. Bei den Starburst-Galaxien scheinen die elektromagnetischen Wellen eher aus Regionen zu kommen, in denen neue Sterne geboren werden. Die Schlussfolgerung der Astronomen war, dass diese Galaxien sowohl Gebiete mit starker Sternentstehung als auch ein zentrales Schwarzes Loch aufweisen. Diese Erkenntnis könnte für das Verständnis der Entstehung von Galaxien von Bedeutung sein. Da irgendeine Kraft die Materie in den Sternenwiegen dazu bringen muss, sich zu verdichten und neue Sterne hervorzubringen, könnte die Gravitation des zentralen Schwarzen Loches genau diese treibende Kraft sein. Daher nehmen manche Astronomen an, dass Schwarze Löcher eine besondere Rolle bei der Sternentstehung spielen. Die enge Verbindung zwischen Galaxien und Schwarzen Löchern kommt auch in der Tatsache zum Ausdruck, dass es kaum eine Galaxie ohne Schwarzes Loch in ihrer Mitte gibt. Bei einer gründlichen Untersuchung von 30 Spiralgalaxien wurde nur eine gefunden, die kein Schwarzes Loch enthielt. Indem die Forscher die Bewegungen von Sternen nahe des Galaxienzentrums ins Visier nehmen, können sie Aussagen darüber machen, was die Himmelskörper auf ihre Bahnen zwingt und wie groß die Gravitationskraft des Zentralobjekts sein muss.

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