Senioren-Universität Würzburg SS 2020


Die Schwarzen Löcher des Universums

Vorlesung Senioren-Universität SS 2020:


Montag 14:15 - 15:45 Uhr

Oswald-Külpe Hörsaal Röntgenring 12

Universität Würzburg

Schwarze Löcher



Weltbild der Griechen
Abb.: Ein Schwarzes Loch in einem Doppelsternsystem erzeugt durch Akkretion Röntgenstrahlung.

Die Geschichte der Schwarzen Löcher steht in direktem Zusammenhang mit der Frage, ob Licht Masse hat oder, mit anderen Worten, ob Licht wie ein Materieteilchen durch die Schwerkraft beeinflusst werden kann. Im 17. Jahrhundert war die Natur des Lichts umstritten. Laut Newton ist es teilchenartig, während es bei Huygens wellenförmig und ohne Masse ist. Da sowohl die endliche Lichtgeschwindigkeit als auch das Konzept der Fluchtgeschwindigkeit (Geschwindigkeitsgrenze, ab der sich ein Objekt von der Schwerkraft eines Körpers löst) bekannt sind, leitet die Vorstellung von teilchenartigem Licht (möglicherweise mit einer Masse ausgestattet) zu einem Körper, der so massiv ist, dass die Fluchtgeschwindigkeit höher als die Lichtgeschwindigkeit ist. In diesem Zusammenhang können Schwarze Löcher als typisches Beispiel für ein Paradoxon angesehen werden, bei dem eine Theorie an ihre Grenzen stößt.

1915 veröffentlichte Albert Einstein eine neue Gravitationstheorie, die Allgemeine Relativitätstheorie. In dieser Theorie wird die Gravitation mit Eigenschaften des Raumes identifiziert, dessen Struktur durch die Anwesenheit von Materie verändert wird. Der Raum ist keine absolute Einheit mehr, sondern eine flexible Struktur, die durch Materie deformiert wird. Der Lauf der Zeit wird auch durch die Anwesenheit von Materie beeinflusst. In den späten 1920er Jahren zeigte der indische Physiker Subrahmanyan Chandrasekhar, dass jenseits einer bestimmten Masse (seither Chandrasekhargrenze genannt) ein astrophysikalisches Objekt, in dem jegliche Kernreaktionen erloschen ist (ein weißer Zwerg), unter seiner eigenen Schwerkraft kollabiert, weil keine Kraft der Wirkung der eigenen Schwerkraft mehr entgegenwirken kann. Das Ergebnis dieses Zusammenbruchs wird von Chandrasekhar nicht genau beschrieben, entspricht aber einem Schwarzen Loch. Arthur Eddington, der überzeugt ist, dass etwas diesen Zusammenbruch unweigerlich aufhält, widerspricht Chandrasekhars Argumenten während einer Kontroverse, die berühmt geblieben ist (siehe die Kontroverse mit Eddington). Tatsächlich wissen wir heute, dass der Zusammenbruch eines Weißen Zwergs eine Supernova vom Typ Ia hervorbringt, aber Chandrasekhars Argumentation gilt für einen Neutronenstern, dessen Existenz zum damaligen Zeitpunkt nicht bewiesen war.

Nachdem Fritz Zwicky die Existenz von Neutronensternen vorhergesagt hatte, errechnen Robert Oppenheimer und Hartland Snyder 1939, dass es eine maximale Masse von Neutronensternen gibt, ab der sie unter dem Einfluss ihrer eigenen Schwerkraft kollabieren. Im selben Jahr veröffentlichte Albert Einstein einen Artikel, in dem er zeigte, dass die "Schwarzschild-Singularität" für ihn keine physikalische Bedeutung hatte. Er schreibt: "Das wesentliche Ergebnis dieses Artikels ist ein klares Verständnis dafür, warum "Schwarzschild-Singularitäten" in der physischen Realität nicht existieren." Diese Überlegungen wurden später Ende der 1960er Jahre durch ein Werk widerlegt, mit dem die Namen von Stephen Hawking und Roger Penrose in enger Verbindung stehen, dem Singularitäten-Theorem.

Das Interesse an Schwarzen Löchern nahm Ende der 1950er Jahre während des sogenannten goldenen Zeitalters der Allgemeinen Relativitätstheorie wieder zu. Der neuseeländische Mathematiker Roy Kerr fand 1963 eine Lösung, die ein rotierendes Schwarzes Loch (bekannt als Kerr-Metrik) beschreibt, dessen Effekt darin besteht, den umgebenden Raum mitrotieren zu lassen.

VLT Paranal
Abb.: Faszination Weltraum.


Daten und Themen der Vorlesung




27. April: Konstanz der Lichtgeschwindigkeit


Es war vermutlich eines der legendärsten Experimente in der Geschichte der Physik. 1887 wollten Albert Michelson und Edward Morley die Wirkung von Äther auf die Geschwindigkeit des Lichts nachweisen. Die beiden waren angetreten mit der Absicht, eine mysteriöse Substanz namens Äther nachzuweisen – ein Medium, in der sich das Licht ausbreiten sollte, wie Schallwellen in der Luft. Die Physiker damals waren überzeugt, dass dieser Äther das ganze Universum ausfüllt und von der Erde auf ihrer Bahn um die Sonne quasi durchpflügt wird – weshalb ein Lichtstrahl der gegen den Ätherwind anläuft, langsamer sein sollte, als einer, der sich senkrecht dazu fortpflanzt. Aber zur allgemeinen Überraschung gab es keinen messbaren Unterschied. Die Theorie vom Äther war angezählt und 1905 gab ihr Albert Einsteins spezielle Relativitätstheorie endgültig den Todesstoß. Ob völlig zurecht, das testen Physiker in Düsseldorf mit einer modernen Variante des Michelson-Morley-Experiments. Die geplante Satellitenmission Optis soll die Konstanz der Lichtgeschwindigkeit nochmals um einen Faktor 1000 genauer messen, als die derzeit empfindlichsten Geräte auf der Erde. Weil die Finanzierung noch nicht gesichert ist, steht der Starttermin aber noch in den Sternen.

11. Mai: Lichtablenkung - Gravitation ist Geometrie


Nach seinem Gedankenexperiment ist für Einstein klar, dass die Gravitation nicht einfach nur eine Kraft ist, die wie durch Fäden Himmelskörper und Alltagsobjekte bewegt. Denn dies erklärt nicht, warum sie das Licht krümmen kann. Was nun folgt, ist einer der ganz großen Geistesblitze der Wissenschaft. Einsteins revolutionäre Idee: Die Gravitation wirkt nicht einfach nur zwischen den Objekten im Universum, sondern ist eine direkte Folge der Geometrie von Raum und Zeit. Die Wirkung der Schwerkraft lässt sich damit geometrisch ausdrücken: Je mehr Masse ein Körper besitzt, desto stärker krümmt er die kosmische Matrix der Raumzeit. Und je größer diese Verzerrung, desto stärker beeinflusst sie die Bahnen naher Objekte: Sie werden zu diesem Körper hin abgelenkt – und das erscheint uns als Anziehung.

Klima

25. Mai: Schwarze Löcher sind reine Geometrie


Wie Schwarze Löcher aussehen, haben Forscher bislang bloß simuliert. Gesehen hatte solch ein galaktisches Massenmonster des Universums bis vor wenigen Wochen niemand. Es ist das Porträt des superschweren Giganten im Zentrum der Galaxie Messier 87 im Virgo-Haufen. Die Präsentation fand gleichzeitig auf sechs Pressekonferenzen in Brüssel, Washington, Santiago de Chile, Tokio, Taipeh und Shanghai statt. Die Veröffentlichung von mehreren begleitenden Studien in der Fachzeitschrift Astrophysical Journal Letters zur selben Zeit. Darin beschreiben die Autorinnen und Autoren ausführlich das Projekt, die Instrumente, Kalibration, Bildgebung, ergänzende Simulationen und liefern eine Deutung der Ergebnisse.

M87
Abb.: Das Schwarze Loch in Messier 87 mit seiner Akkretionsscheibe. Das Schwarze Loch ist ein echtes Loch im Raum, in dem sich keine Materie befindet und aus dem keine Strahlung entweichen kann (also dunkel bleibt). [Bildrechte: xkcd.com/2135/]

8. Juni: Schwarze Löcher im Universum


Stellare Schwarze Löcher stellen den Endzustand der Entwicklung massereicher Sterne dar. Sterne, deren Anfangsmasse kleiner als 25 Sonnenmassen ist, können nicht zu einem Schwarzen Loch werden. Sie beenden ihr Leben als vergleichsweise unspektakulär auskühlender Sternenrest (Weißer Zwerg/Neutronenstern). Sterne, deren Anfangsmasse neun Sonnenmassen übersteigt (etwa Blaue Riesen), durchlaufen am Ende ihres Lebens die höheren Stufen der Nukleosynthese bis zum Siliciumbrennen. Sie explodieren in einer Kernkollaps-Supernova, wobei der übrigbleibende Sternenrest zu einem Schwarzen Loch kollabiert, sofern er noch mehr als 2,0 Sonnenmassen besitzt.

Schwarze Löcher können die millionen- bis milliardenfache Sonnenmasse haben. Sie befinden sich in den Zentren heller elliptischer Galaxien und im Bulge der meisten oder sogar aller Spiralgalaxien. Wie sie entstanden sind und wie ihre Entstehung mit der Entwicklung der Galaxien zusammenhängt, ist Gegenstand aktueller Forschung. So ist die starke Radioquelle Sagittarius A* (kurz Sgr A*) im Zentrum der Milchstraße ein supermassereiches Schwarzes Loch von 4,3 Millionen Sonnenmassen. Das größte bekannte Schwarze Loch ist TON 618 mit schätzungsweise 66 Milliarden Sonnenmassen.

22. Juni: Wenn der Raum zittert ...


Es gehört zu den viel bewunderten Fähigkeiten von Naturwissenschaftlern, Phänomene vorherzusagen, die oft erst Jahre oder Jahrzehnte später im Experiment nachgewiesen werden. So geschehen bei den elektromagnetischen Wellen, deren Existenz der britische Physiker James Clerk Maxwell bereits 1864 aus den Gleichungen der Elektrodynamik abgeleitet hatte. 22 Jahre später gelang dem deutschen Physiker Heinrich Hertz der experimentelle Nachweis der unsichtbaren Wellen. Im Jahr 1916 folgerte Albert Einstein aus den Feldgleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie, dass auch die Schwerkraft einer wellenförmigen Ausbreitung fähig ist. Gravitationswellen selbst werden als Verzerrungen der Raumzeit beschrieben, die sich mit Lichtgeschwindigkeit fortpflanzen und dabei vorübergehend den Raum strecken bzw. stauchen. Für den Nachweis solcher Veränderungen sind höchst empfindliche Geräte vonnöten, die es lange Zeit schlicht nicht gab. Nach vielen erfolglosen Anläufen, die so manchen resignieren ließen, gelang einer Forschergruppe im September 2015 der Durchbruch: solche Wellen konnten am 14. September 1915 erstmals direkt nachgewiesen werden.

6. Juli: Wenn Schwarze Löcher verschmelzen


Dreissigmal wurden Astronomen bereits Zeuge, wie zwei massereiche Schwarze Löcher unter Abstrahlung von Gravitationswellen verschmelzen. Inzwischen steht nicht mehr das Einzelereignis im Fokus. Nun möchte man herausfinden, wie die binären Schwarzen Löcher entstehen, leben und sterben. Fünf Jahre ist es her, dass Wissenschafter zum ersten Mal Gravitationswellen von zwei verschmelzenden Schwarzen Löchern nachweisen konnten. Die Entdeckung wurde groß gefeiert – nicht zuletzt deshalb, weil sich mit Gravitationswellendetektoren Vorgänge im Universum sichtbar machen lassen, die mit herkömmlichen Teleskopen nicht zu sehen sind. Astronomen schwärmten deshalb von einem neuen Kapitel der Astronomie.

20. Juli: Wenn Neutronensterne verschmelzen


Was Schwarze Löcher können, geht auch mit Neutronensternen - nur ist dieser Prozess wesentlich komplexer. Der Jubel war groß, als Astronomen im August 2017 erstmals das Gravitationswellensignal von zwei verschmelzenden Neutronensternen registrierten. Das gleiche Ereignis konnte nämlich auch mit verschiedenen Teleskopen beobachtet werden, die elektromagnetische Wellen auffangen. Man feierte das als Beginn der Multi-Messenger-Astronomie mit Gravitationswellen. An einer Tagung der American Astronomical Society in Honolulu haben Astronomen nun bekanntgegeben, dass sie im April 2019 erneut ein Gravitationswellensignal registriert haben, das so aussieht, als käme es von zwei verschmelzenden Neutronensternen. Diesmal sind die Umstände der Entdeckung allerdings nicht so ideal wie vor zwei Jahren.

ab 16:00 Uhr: Nachsitzung im Gartencafe