1 Allgemeines über Schwarze Löcher

1 Allgemeines über Schwarze Löcher In diesem Kapitel wird langsam die Entstehungsgeschichte von Schwarzen Löchern beschrieben. Angefangen wird hier mit der Definition der Fluchtgeschwindigkeit nach Newton s Physik. Diese Überlegungen werden dann mit Hilfe der Allgemeinen Relativitätstheorie zur gekrümmten Raumzeit erweitert. Schließlich stellt sich die Frage, wie stabil Sterne eigentlich sind. Dies führt auf Weiße Zwerge, Supernovae, Neutronensterne, Pulsare und schließlich auch auf Schwarze Löcher. 1.1 Newton s Lichtteilchen Die Fluchtgeschwindigkeit, also die Geschwindigkeit, die ein Körper braucht um das Gravitationsfeld eines Sterns zu verlassen, wird berechnet aus: [1] 1 2 m v2 F = G m M r vf 2 = 2GM r (1) Mit m als der Masse des Körpers, M als der Masse des Sterns und G als der Gravitationskonstante. Besonders sei betont, dass die Fluchtgeschwindigkeit unabhängig von der Masse des Körpers ist. Der Schwarzschildradius ist der Radius, definiert für v F c [1]: r S = 2GM c 2 (2) 1.2 Die Raumzeit Aus der Elektrodynamik bewegter Bezugssysteme ist bekannt, dass Energie und Masse äquivalent sind. Aus der Gravitationstheorie von Einstein folgt die Äquivalenz von schwerer und träger Masse. Die schwere Masse begründet sich daraus, dass ein Körper in einem Gravitationsfeld, zum Beispiel dem der Erde, zu der Erde hin beschleunigt wird. Die träge Masse wiederum entsteht aus der Beschleunigung eines trägen Körpers, wie in Newton s Gesetzen beschrieben. Die Äquivalenz beider bedeutet, dass alle Körper im freien Fall gleich schnell fallen. Die Äquivalenz der schweren und trägen Masse ist nicht selbstverständlich, aber in Experimenten sehr genau belegt. Gleichung (3) beschreibt 1

diese Äquivalenz beider Massen. [1] m t z = m s g (3) Aus der Äquivalenz von schwerer und träger Masse folgt, dass die Gravitation auch Einfluss auf Licht hat. Da die Fluchtgeschwindigkeit v F unabhängig von der Masse des Körpers ist, müssen sich die Bahnen aus der Raumzeit ableiten. Die Raumzeit hängt wiederum von deren Massenverteilung ab. [1] Beispielsweise kann die Raumzeit durch ein Beispiel in einer Raumkapsel genauer erläutert werden. Ein Labor in der Raumkapsel kann frei von externen Kräften gehalten werden. Das heißt, dass das Gedankenexperiment hier keiner Gravitation unterliegt und somit in der Schwerelosigkeit stattfindet. Wenn nun ein Detektor ein Licht eines Lasers auffangen soll, muss er exakt in einer geraden Linie mit dem Laser positioniert werden, da das Licht des Lasers geradeaus geht und von nichts abgelenkt wird. Wird dieses Experiment in einem Bezugssystem auf der Erde wiederholt, muss der Detektor leicht unterhalb des Lasers aufgestellt werden, da das Licht des Lasers leicht nach unten gekrümmt wird. Wenn man das Experiment mit Lichtstrahlen durchführt, die sich senkrecht zur Erde ausbreiten, ist der Lichtweg auf der Erde nun kürzer und die Wellenlänge daher verkürzt und die Schwingungszahl erhöht. Dies liegt daran, dass das Licht gleich viele Schwingungen auf kleinerem Weg absolvieren muss. Von einem Bezugssystem der Raumkapsel aus gesehen sind diese Effekte jeweils anders herum. Die Größe dieses Effekts wird durch die folgende Gleichung beschrieben: [1] λ λ = r s r (4) Einstein folgerte aus der Äquivalenz von Energie und Masse, dass die Energie und die Masse die Raumzeit verändern. Hierbei werden die Planetenbahnen nicht mehr durch die Gravitationskräfte zwischen Sonne und Planet erklärt. Vielmehr wird die Raumzeit, aufgrund der Existenz der Sonnenmasse so gekrümmt. Durch die Krümmung der Raumzeit sucht sich der Planet seinen optimalen Weg um die Sonne. Diesen optimalen Weg nennt man Geodäte. Der Planet bewegt sich somit auf einer Geodäte der vierdimensionalen Raumzeit. Die Raumzeit ist vierdimensional, da zu den drei Komponenten des Raumes (x, y, z) die Komponente der Zeit t hinzugefügt wird. Eine Geodäte beschreibt den optimalen Weg in dieser Raumzeit. Wenn keine Masse vorhanden ist, enspricht die Geodäte in der 4-dimensionalen Raumzeit einer Geraden im 3-dimensionalen Raum. Sobald eine Masse vorhanden ist, krümmt sich die Raumzeit. Deswegen werden auch die Geodäten der bewegten Massen gekrümmt, was so aussieht wie die Bahnen, die Newtons 2

Gravitationsgesetz ähneln. In einer kugelsymmetrischen Näherung von Schwarzschild wurde nun berechnet, dass sich der Abstand zwischen zwei Punkten und die Zeit in der Nähe einer anderem Masse verändern. Ein ferner Beobachter kann einen langsameren Zeitablauf um ( 1 r ) 1 S 2 r beobachten. Der Abstand vergrößert sich um ( 1 r ) S 1 2 r, was sich mit Hilfe der Fluchtgeschwindigkeit in einen Term umformen lässt, der sehr dem Lorentzfaktor der speziellen ( ) 1 Relativitätstheorie ähnelt: 1 v2 2 F c 2 [1]. Die von Schwarzschild entwickelte Theorie eignet sich zur Beschreibung von schwarzen Löcher. Diese müssten allerdings mit sonnenähnlichen Massen auf einen Durchmesser von 6 km komprimiert werden. Daher stellt sich die Frage, wie stabil Sterne sind. 1.3 Stabilität von Sternen Ein Stern ist stabil, solange sich die Gravitationskraft und die Druckkraft kompensieren. Wenn die Gravitationskraft die Druckkraft übersteigt, wird der Stern komprimiert. Dadurch wird die Dichte größer und es entsteht möglicherweise ein Schwarzes Loch, ein weißer Zwerg oder ein Neutronenstern. Was entsteht hängt von dem Stern und vor allem von dessen Masse ab. Diese Vorgang stellt das Sterben eines sehr massereichen Sterns dar. Dies geschieht, wenn der nukleare Energievorrat des Sterns, der für Kernfusion verwendet wird, verbraucht ist. 1.3.1 Weißer Zwerg Der Physiker Chandrasekhar erforschte, ab welchen Massen ein Stern aufgrund eines Gravitationskollapses kollabiert, also welche Masse ein Stern aufweisen muss, um nach einem Gravitationskollaps ein Weißer Zwerg, ein Neutronenstern oder ein Schwarzes Loch zu werden. Die Grenzmasse beträgt: [1] M Ch = 1, 44 M S (5) Figur 1 zeigt Sirius B, ein weißer Zwerg, der den Stern Sirius umkreist. Ein Weißer Zwerg stellt ein Endstadium eines Sterns dar und weißt eine sehr hohe Dichte von bis zu ρ = 10 5 10 6 g auf. Dabei hat er eine sonnenähnliche Masse, ist allerdings nur so cm 3 groß wie die Erde. Die Oberflächentemperatur ist größer als 10.000 K. [2] 3

Abbildung 1: Weißer Zwerg Sirius B umkreist Sirius [3] Je nach Dichte stellen sich zwei verschiedene Zustände ein. Der erste Zustand beschreibt die Bildung eines Quantengases Das heißt, dass die Atome im Inneren des Weißen Zwerges ionisiert sind und daher ein Quantengas bilden, wessen makroskopische Eigenschaften durch die Quantentheorie beschrieben werden können. Die Gravitation wird hier durch den Druck der Elektronen kompensiert. Das Elektronengas weißt eine hohe thermische Leitfähigkeit auf und ist entartet. Der Druck wird hierbei beschrieben durch: [1] g P ρ 5 3 (6) Ist die Dichte nun höher als 10 7 tritt der Zustand der Relativistischen Entartung cm 3 ein. Die Energie der Elektronen ist hier größer als ihre Ruheenergie. Das heißt, dass der Druckanstieg bei zunehmender Masse bei zunehmender Dichte flacher verläuft. Hierbei steigt die Kompressibilität und es kann zu einem Gravitationskollaps kommen, falls die Masse des Sterns die Grenzmasse M Ch übersteigt. Der Druck bei Relativistischer Entartung verläuft wie folgt: [1] P ρ 4 3 (7) 4

Gleichung (8) beschreibt das Hydrostatische Gleichgewicht, das auftritt, wenn die Druckkraft der Gravitationskraft entspricht: [1] dp dr = ρ(r) g(r) (8) mit: g(r) = GM r 2. Nun erfolgt eine Abschätzung, zuerst für den Fall der Entartung und dann für den Fall der Relativistischen Entartung, mit: [1] dp dr P (9) R ρ = M 4π 3 (10) R3 Durch kurze Rechnung kommt man zum folgenden Ergebnis: [1] M 1 3 R = C (11) M V = C (12) Das bedeutet, dass wenn die Masse eines Sterns wächst, der Radius des Sterns verkleinert wird. Die gleiche Rechnung im relativistisch entarteten Fall zeigt, dass es zu einem Kollaps kommen kann, da die Masse nicht mehr vom Radius abhängt: [1] Der Stern wird daher instabil, wenn gilt M > M Ch. dm dr = 0 (13) 5

1.3.2 Supernova Eine Supernova stellt den ersten Schritt der Endphase von Sternen da. Sie hat ein größeres Ausmaß als eine Nova. Es handelt sich um spontane Helligkeitsausbrüche von Sternen, die nach Wochen oder Monaten verschwinden. Die emittierte Energie beträgt 10 44 Joule und das Helligkeitsmaximum befindet sich bei 10 36 Watt, was etwa 3 10 9 Sonnenleuchtkräften entspricht. Ein größter Teil einer Supernova wird in Form von Neutrinos umgewandelt. Nur zirka 1 % der Energie stellt den sichtbaren Bereich des Lichts dar. Es gibt verschiedene Typen von Supernovae, zum Beispiel II, IIb, die alle aufgrund ihrer Lichtkurve unterschieden werden können. Nach dem Ausbruch einer Supernova kann, bei genügend großer Masse, ein Neutronenstern, Pulsar oder sogar ein Schwarzes Loch entstehen. [1] [4] Abbildung zwei zeigt den Aufstieg der Supernova SN 2014J in der Galaxie M 82 dar. SN 2014J ist eine Supernova von Typ Ia, das heißt, dass sie ursprünglich ein Weißer Zwerg war, der durch Akkretion, also Aufnahme von Material anderer Sterne, stetig gewachsen ist. [5] Im Moment geht man davon aus, dass bei einer Supernova größer als die Masse von acht Sonnen (M > 8 M Sonne ) sich ein Neutronenstern bildet. Ein Schwares Loch entsteht, wenn die Grenze von zwanzig Sonnenmassen überschritten wird (M > 20 M Sonne ). 1.3.3 Neutronenstern Ein Neutronenstern ist erheblich kleiner als ein Weißer Zwerg. Bei einem Radius von zirka 15 km stellt sich eine Dichte von ρ = 10 11 g ein. Die Massen von Neutronensternen betragen zirka 1,44 bis 3 Sonnenmassen und sind somit größer als die Chandrasekhar Grenzmasse. Beim Kollaps eines Sterns entsteht zuerst eine Supernova, die dann zu einem Neutronenstern wird, wenn die Masse der Supernova größer als acht Sonnenmassen ist. Ein Stern leuchtet, da er aufgrund von Fusion von Wasserstoff zu Helium Energie erzeugt. Ist dieser Brennstoff aufgebraucht, werden schwere Elemente hervorgebracht. Der Druck, der den Kern stabilisiert und der Gravitation entgegenwirkt, nimmt ab, wenn sich im Kern genug Eisen, oder ähnliche annähernd gleich schwere Elemente, befindet. Das liegt daran, dass Eisen (F e 56 ) die höchste Bindungsenergie pro Nukleon besitzt, was aus dem Graphen in Abbildung 3 zu entnehmen ist. Die Elemente können nicht zu schweren Elementen als F e 56 fusionieren, da hierfür weitere Energie benötigt werden würde, da die Bindungsenergie pro Nukleon bei F e 56 ein Maximum aufweist und danach stetig fällt. [7] [6] cm 3 Wenn der Stern nun kollabiert, wird der Kern so sehr komprimiert, dass die Druckkräfte so stark werden, dass die Elektronen in den Atomkern gedrückt werden. Die Elektronen 6

Abbildung 2: SN 2014J stellt eine helle Supernova in der nahegelegenen Galaxie M82 dar [5] wechselwirken mit den Protonen im Atomkern und bilden Neutronen. Die folgende Gleichung beschreibt die Reaktionsgleichung dieses Prozesses: [8] p + e + ν n + ν (14) Ein Proton und ein Elektron werden zusammen mit einem Antineutrino zu einem Neutron und einem Neutrino. Wenn die Elektronen entartet werden, entsteht ein Ëntartungsdruck", der der Gravitation entgegenwirkt. Dieser entstandene Druck lässt sich durch das Pauli-Prinzip der Quantenmechanik erklären. Es besagt, dass höchstens zwei Neutronen in einem Energiezustand übereinstimmen dürfen, allerdings nur wenn sie sich in ihrem Spin unterscheiden. Je mehr der Stern komprimiert wird, desto mehr energetische Zustände müssen besetzt werden. Dadurch entsteht der Druck, der der Gravitationskraft entgegen wirkt. Bei einer 7

Abbildung 3: Bindungsenergie pro Nukleon steigt zuerst an. Dann hat sie Peaks bei He 4, C 12 und O 16. Sie ist am höchsten bei F e 56. Danach nimmt sie kontinuierlich ab [7] Masse, die nun größer als drei Sonnenmassen ist, kann der Stern zu einem schwarzen Loch kollabieren. Durch die freigewordene potentielle Energie bei dem Kollaps werden Neutrinos erzeugt. Die äußere Schicht des Kerns des Neutronensterns explodiert aufgrund von Neutronenschauern. Abbildung 5 zeigt diese Explosion einer äußeren Schicht eines dichten stellaren Kerns, wodurch ein Neutronenstern entsteht. Abbildung 4 zeigt einen Neutronenstern mit Umgebung. Gut hier zu sehen ist, dass der Neutronenstern sehr klein ist und nicht sehr hell leuchtet. [6] Ein Neutronenstern weißt einen unglaublich hohen Drehimpuls auf. Dies liegt an der Drehimpulserhaltung, was bedeutet, dass der Drehimpuls nach und vor dem Kollaps der selbe sein muss. Da der Durchmesser des Neutronensterns sich erheblich verringert hat, muss der Neutronenstern mit einem erheblich größerem Drehimpuls drehen. Des Weiteren besitzen Neutronenstern ein extrem großes Magnetfeld. Dies spielt vor allem bei Pulsaren eine große Rolle. 1.3.4 Pulsar und Magnetar Pulsare stellen eine Form von Neutronensternen dar. Sie entstehen, wenn die Rotationsachse des Sterns gegen die Magnetfeldachse verkippt ist. Ist dies der Fall wird eine enorm leistungsstarke Radiowelle abgestrahlt (Synchrotronstrahlung). Die Energie hierfür wird 8

Abbildung 4: Neutronenstern mit Umgebung: Neutronenstern erscheint klein und nicht hell [9] Abbildung 5: Entwicklung eines Neutronensterns: Explosion der äußeren Hülle [11] der Rotation entnommen. Abbildung 6 zeigt den Krebspulsar im Krebsnebel. Der Krebsnebel stellt einen Überrest aus einer Supernova dar. Der Krebspulsar, der in etwa die Größe einer Stadt aufweißt, dreht sich zirka 30 mal in der Sekunde. Des Weiteren ist gut zu sehen, dass der Pulsar Jets (siehe 1.3.6) ausstößt. [11] [1] Magnetare stellen eine andere Form von Neutronensternen dar. Sie haben ein viel stärkeres Magnetfeld als Pulsare. Bei einer Änderung der magnetischen Achse wird bei Magnetaren die äußerste Hülle ins All geschleudert. Diesen Vorgang nennt man Sternenbeben. Da der weggeschleuderte Teil der Hülle aus geladenen Teilchen besteht, werden diese durch das starke Magnetfeld des Magnetars wieder beschleunigt. Durch die Beschleunigung der geladenen Teilchen entsteht eine Gammstrahlung. Der Ausbruch dieser Strahlung wird Gamma Ray burst genannt. [8] 9

Abbildung 6: Crab Pulsar im Crab Nebel [11] 1.3.5 Schwarzes Loch Ein Stern ist stabil, wenn die Druckkraft der Gravitationskraft entgegen halten kann. Ist dies nicht der Fall, komprimiert sich der Stern immer weiter und ein Schwarzes Loch kann entstehen. Nach der Allgemeinen Relativitätstheorie ist nichts schneller als Lichtgeschwindigkeit. In der Nähe eines Schwarzen Lochs ist die Raumzeit so stark gekrümmt, dass der Lichtstrahl, der von dem Schwarzen Loch kommt, so sehr gekrümmt wird, dass er das Schwarze Loch nicht verlassen kann. Da nichts schneller als Licht ist, es somit die höchst mögliche Fluchtgeschwindigkeit besitzt, gelingt es keinem anderen Körper, das Schwarze Loch zu verlassen. [12] [1] Schwarze Löcher können aufgrund ihrer Massen unterschieden werden. Die kleinste Art von Schwarzen Löchern stellt das Primordiale Schwarze Loch dar. Die Entstehung eines Primordialen Schwarzen Lochs ist nicht, wie oben beschrieben, durch einen Sternenkollaps begründet, sondern ist schon im jungen Universum geschehen. Die Masse eines Primordialen Schwarzen Lochs beträgt zirka 10 18 g und die Dichte zirka 10 48 g. Primordiale Schwarze Löcher zerstrahlen sich schnell, das heißt dass das Schwarze Loch kurzzei- cm 3 tige Ausbrüche hochenergetischer, elektromagnetischer Wellen hat, burst genannt. Diese 10

Strahlung wird Hawking Strahlung genannt. Die Existenz von Primordialen Schwarzen Löchern ist nicht bestätigt und somit sind alle oben genannten Angaben spekultativ. [12] Die zweite Klasse von Schwarzen Löchern stellen Stellare Schwarze Löcher dar. Stellare Schwarze Löcher entstehen aus Sternen, die aufgrund eines Gravitationskollapses zu Schwarzen Löchern werden. Sie stellen also den Endzustand eines Sterns dar. Der sterbende Stern explodiert in einer Supernova. Wenn nach der Explosion die Masse noch groß genug ist, kann ein Stellares Schwarzes Loch entstehen. Ein Stellares Schwarzes Loch kann durch Akkretion, also durch Aufnahme von Materie, wachsen. [12] Die dritte Klasse von Schwarzen Löchern sind Massereiche Schwarze Löcher. Sie wiegen 10 2 10 5 Sonnenmassen. Sie entstehen möglicherweise aufgrund von Sternenkollisionen und Akkretion von Sternen. Möglicherweise entstehen sie auch aus Primordialen Löchern. Meist kommen sie in Gegenden vor, in denen fast kein Gas zur Akkretion mehr vorhanden ist. [12] Die letzte Kategorie von Schwarzen Löchern stellen Supermassereiche Schwarze Löcher dar. Sie haben Millionen bis Milliarden Sonnenmassen. Meist befinden sie sich im Zentrum von Galaxien. Die Entstehung ist noch unklar und möglicherweise im frühen Universium geschehen. Das Supermassereiche Schwarze Loch in der Milchstraße ist Sagittarius A*. Abbildung 7 zeigt eine Infrarot Aufnahme der Milchstraße. Ungefähr 27.000 Lichtjahre weit weg von uns befindet sich das Schwarze Loch Sagittarius A*. Sagittarius A* ist ein relativ ruhiges Schwarzes Loch und nimmt nicht viel Materie auf. Das Helle aus der Milchstraße wird in den Boxen auf der rechten Seite genauer dargestellt. Das Material wird auf mehrere hunderte Grad Celsius aufgeheizt und deswegen werden Röntgenstrahlen erzeugt. Das weiße Licht stellt das heißeste Material dar, das die geringste Entfernung zum Schwarzen Loch aufweist. Das leicht pinke Material ist ein Überbleibsel der Supernova Explosion. [12] [13] 11

Abbildung 7: Infrarot Aufnahme von dem Zentrum der Milchstraße [13] 1.3.6 Weitere Begriffe Im Folgenden werden weitere Begriffe, die bei der Behandlung von Schwarzen Löchern wichtig sind behandelt. Akkretion beschreibt die Aufnahme von Materie in einem schwarzen Loch. Die Materie umkreist das Schwarze Loch auf Kepler Bahnen bis keine stabile Kepler Bahn mehr möglich ist. Es bildet sich eine Akkretionsscheibe um das Schwarze Loch. In der Akkretionsscheibe wird die kinetische Energie der Materie abgebremst und der Drehimpuls nach außen transportiert. Abbildung 8 zeigt eine vom Computer erstellte Illustration, die eine Akkretionsscheibe verdeutlichen soll. Die Akkretionsscheibe des Schwarzen Lochs enthält hauptsächlich Gas und Plasma. Die Energie, die dadurch im Schwarzen Loch aufgenommen wird, wird in Form von Jets wieder abgegeben. Diese Jets bestehen, nach neusten Forschungsergebnisse, nicht nur als Elektronen und Protonen, sondern auch aus schwereren Elementen, wie Eisen oder Nickel. [14] Anhand von Sagittarius A*, dem Supermassenreichen Schwarzen Loch im Zentrum von der Milchstraße, kann Akkretion erforscht werden. Dies liegt daran, dass es das nächste Supermassenreiche Schwarze Loch ist, von der Erde aus gesehen. S2, ein Stern, der zirka 15 Sonnenmassen beinhaltet, wurde, als er sich Sagittarius A* auf 17 Lichtjahre näherte, von seiner Bahn abgedrängt. Bei einem Abstand von nur noch 16 Lichtjahren wird S2 wohl zerstört. Ein weiteres Indiz für die Existenz von Sagittarius A* als Schwarzes Loch stellt der Nebel dar, der dreimal so schwer wie die Erde war und in das Schwarze Loch gesogen wurde. [15] [16] 12

Jets sind Ströme von Teilchen oder Plasma, die senkrecht zur Akkretionsscheibe ausgestoßen werden. Sie können in der Illustration in Abbildung 8 gesehen werden. Des Weiteren ist in Abbildung 9 die Galaxie Centaurus A zu sehen, die im Inneren ein Schwarzes Loch beherbergt. Die Jets bestehen hier aus Plasma und reicht über Millionen von Lichtjahren. [17] Abbildung 8: Illustration eines Schwarzen Lochs mit Akkretionsscheibe [14] Abbildung 9: Galaxie Centaurus A entströmen Jets [17] Ereignishorizont und Schwarzschildradius Der Ereignishorizont beschreibt den Raum, in dem Ereignisse sichtbar für einen Beobachter sind. Der Radius, bis zu dieser Grenze hin, wird durch den oben beschriebenen Schwarzschildradius beschrieben. Quasare und Aktive Galaktische Kerne Aktive Galaktische Kerne (AGN) sind Teile einer Galaxie, die ein Supermassereiches Schwarzes Loch beinhalten. Genauer gesagt wandeln sie einen großen Teil der Masse, die sie durch Akkretion aufnehmen in Energie um. Dieses Supermassereiche Schwarze Loch nimmt durch Akkretion Plasma auf und gibt Energie in Form von Jets wieder ab. Das kalte Material gelangt vom Staubtorus zu der Standardscheibe. Im Inneren Bereich der Standardscheibe entsteht durch Ionisierung und Aufheizung ein Plasma, was von dem Supermassereichen Schwarzen Loch aufgenommen wird (Akkretion). Im Bereich namens Korona entsteht die Strahlung des Schwarzen Lochs. Hierbei entsteht thermische Strahlung, das Plasma strahlt im Röntgenbereich und Synchrotronstrahlung. Energiearme Photonen, beispielsweise aus dem kosmischen Hintergrund oder aus der kalten Akkretionsscheibe, können an dem heißen Gas streuen, dessen Energie aufnehmen und werden somit zu energiereichen Photonen. Synchrotronstrahlung entsteht durch geladene Teilchen, die sich im Magnetfeld bewegen. Es existiert auch Bremsstrahlung, die entsteht, wenn geladene Teilchen abgebremst 13

werden. Den Antrieb all dieser Prozesse stellt das Supermassereiche Schwarze Loch dar. Abbildung 10 zeigt schematisch den Aufbau von AGNs. [12] [18] Abbildung 10: Schematischer Aufbau von Aktiven Galaktischen Kernen (AGN) [18] [12] Quasare stellen eine Spezialform von AGN dar. Quasare sind eine Frühform von Galaxien. Sie wandeln die Massen der Materie in ihrer Akketionsscheibe sehr effizient in Energie um. [12] 1.4 Messung von Schwarzen Löchern - Das VLTI Das Very Large Telescope Interferometer (VLTI) ist ein Interferometer der Europäischen Südsternwarte (ESO), das aus vier großen Teleskope besteht. Für das Interferometer können entweder Unit-Teleskope (UT) oder Auxiliary-Teleskope (AT) verwendet werden. Der Unterschied zwischen den zwei Teleskop Arten besteht darin, dass UTs an einem bestimmten Platz installiert sind, währen ATs an dreißig verschiedenen Stationen neu aufgebaut werden können. Das VLTI ermöglicht eine Winkelauflösung von mehreren Millibogensekunden. Das VLTI wird unter Anderem auch zur Erforschung von Aktiven Galaktischen Kernen verwendet. Abbildung 11 zeigt die vier Teleskope des VLTI. [19] Schwarze Löcher können auch durch ihren Einfluss auf andere Himmelskörper entdeckt werden. Bei der Akkretion von Materie in ein Schwarzes Loch werden Massen sehr effektiv in Energie umgewandelt. Wenn eine Masse in ein Schwarzes Loch, also eine Art Gravitationspotentialtopf, fällt muss, da die Energie erhalten werden muss, potentielle 14

Energie in eine andere Form von Energie umgewandelt werden. Wenn die gesamte potentielle Energie in kinetische Energie umgewandelt wird, gilt: [21] v 2 Gm = konstant 2 D (15) Wenn die Materie nun in das Schwarze Loch einfällt, wird der Abstand D kleiner. Da die Energie erhalten werden muss, wird v und somit auch die kinetische Energie automatisch größer. Die kinetische Energie kann nun in andere Formen von Energie umgewandelt werden, die nun messbar sind. Bei einfallendem Gas wird die kinetische Energie meist in Strahlung umgewandelt. [21] Abbildung 11: Vier Teleskope des VLTI [20] 15

Literatur [1] Vorlesung W. Gebhardt WS 00-01: Wie schwarz sind schwarze Löcher. Eine Einführung in die Physik und Astronomie Schwarzer Löcher [2] https://de.wikipedia.org/wiki/sirius#sirius_b [3] http://i1.wp.com/in5d.com/images/esa121205_3bf.jpg [4] https://de.wikipedia.org/wiki/supernova [5] http://apod.nasa.gov/apod/ap140816.html [6] https://de.wikipedia.org/wiki/neutronenstern [7] https://de.wikipedia.org/wiki/bindungsenergie [8] http://www.physi.uni-heidelberg.de/ eisele/physikb/sternentwicklung.pdf [9] http://apod.nasa.gov/apod/ap981128.html [10] http://apod.nasa.gov/apod/ap980425.html [11] http://apod.nasa.gov/apod/ap140725.html [12] Dr. Andreas Müller, April 2005: Schwarze Löcher - Das dunkelste Geheimnis der Gravitation [13] http://apod.nasa.gov/apod/ap121102.html [14] http://apod.nasa.gov/apod/ap131120.html [15] https://de.wikipedia.org/wiki/sagittarius_a* [16] http://www.zeit.de/wissen/2011-12/milchstrasse-loch-gaswolke [17] http://apod.nasa.gov/apod/ap110531.html [18] http://www.google.de/imgres?imgurl=http%3a%2f%2fwww.spektrum.de%2flexika%2fimages%2fa galaktischer-kern%2f8&h=350&w=480&tbnid=ixkqitckirciim%3a&docid=occzssb- NugaeM&ei=9NoUVvLNAcuv-QH-mojoBQ&tbm=isch&iact=rc&uact=3&dur=329&page=1&start=0& Ch1-DQJd [19] https://www.eso.org/sci/facilities/paranal/telescopes/vlti.html [20] https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/a/a7/aerial_view_of_the_vlti_with_tunnels [21] Charles D. Bailyn, Princton University Press, New Jersey, 2014: What does a Black Hole Look Like? 16