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Galaxy Messier 81
Center of the Milky way
"SNAKE" galaxy

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FAQ 011 E-mail
Was zeichnet die rotierenden Schwarzen Löcher aus?

 

 Allgemein gilt: Schwarze Löcher sind globale Vakuum­lösungen der Relativitätstheorie. Als sol­che weisen sie ein "relativistisches Va­kuum" auf, das durch ein Verschwinden des Energie-Impuls-Tensors, der rechten Seite der Einsteinschen Feldgleichungen, gekennzeichnet ist.

Im Gegensatz zu der Schwarzschild-Lösung, die ausschließlich statische Schwarze Löcher (SLs) mit einer Punktsingularität, die ihrerseits von einem einzigen Ereignishorizont abgeschirmt wird, beschreibt, ist die Raumzeit-Metrik von rotierenden Schwarzen Löchern, die besonders seltsame Eigenschaften haben, erheblich schwieriger als die nichtrotierender SLs. Der neuseeländische Mathematiker Roy Kerr fand erstmals 1964 die nach ihm benannte Metrik (verallgemeinerte Lösung für rotierende SLs) in der Umgebung eines rotierenden Schwarzen Loches, die achsensymmetrisch und stationär ist. Nach Roy Kerr besitzt ein rotierendes Schwarzes Loch einen inneren (auch Cauchy-Horizont genannt, er ist kugelförmig) und einen äußeren Ereignishorizont (hat die Form eines Rotationsellipsoids), der die sogenannte Ergosphäre umschließt. Für die Astronomie ist der äußere Ereignishorizont entscheidend, denn dieser legt die 'schwarze Zone' des SLs fest. Die entsprechende Singularität ist zu einem kleinen Ring (Ringsingularität, ringförmiger Massenstrom als Quelle des Gravitationsfeldes) entartet; sie befindet sich immer zwischen den beiden kugelsymmetrischen Horizonten. In 'engen' Fachkreisen wird die Ringsingularität eines rotierenden Schwarzen Loches als mögliche Tore zu anderen Welten (Universen) angesehen. Die Raumkrümmung wird hier nicht in allen drei Dimensionen unendlich groß. Man spricht auch von einem Wurmloch, denn dem mathematischen Formalismus nach führt das Durchstoßen dieses Wurmloches in eine seltsame Welt, in eine Art Antigravitations-Universum mit negativer Raumkrümmung, in dem die Schwerkraft abstoßend wirkt und die Zeit rückwärts läuft. Allerdings ist eine Reise durch ein solches Wurmloch in ein anderes Weltall/Universum prinzipiell nicht möglich. Denn nach dem "Keine-Haare-Theorem" von Wheeler gehen im Schwarzen Loch alle Strukturen verloren. Nicht einmal ein Atomkern könnte eine solche Reise überstehen. Die Kosmische Zensur löscht alle Erinnerungen. Die fremde Welt eines Antigravitations-Universums bleibt für uns stets verschlossen.

Noch eine wichtige Eigenschaft rotierender Schwarzen Löcher: In der unmittelbaren Nachbarschaft eines rotierenden Schwarzen Loches wird der Raum (eigentlich die Raumzeit) "mitgeschleppt". Man spricht dann von "rotierenden Raumzeiten". (Siehe unter "Einschub").

Einschub:
In der Natur hat man bisher keinen eindeutigen Hinweis für die Existenz von statischen Schwarzen Löchern (Schwarzschild-Lösung) gefunden. Wohl aber für die rotierender Schwarzen Löcher. Das ist ist nicht verwunderlich, denn kollabiert ein massereicher Stern zu einem Schwarzen Loch, so bleibt der Drehimpuls erhalten (wie bei einer Eiskunstläuferin!). Da beim Kollaps eines Sternes der Drehimpuls erhalten bleibt bzw. nur teilweise abgeführt werden kann, nimmt die Winkelgeschwindigkeit der Rotation enorm zu. Das Trägheitsmoment verkleinert sich dramatisch und der Drehimpuls ist – wie Sie wissen – das Produkt aus Trägheitsmoment und Winkelgeschwindigkeit. Rein rechnerisch ergeben sich beim Kollaps lineare Umlaufsgeschwindigkeiten am Äquator des Ereignishorizontes, die größer sind als die Lichtgeschwindigkeit. Gemäß den Erkenntnissen der Speziellen Relativitätstheorie ist das nicht möglich. Beim Sternkollaps muß also ein Teil des Drehimpulses abgeführt werden, teilweise durch Absprengen von Materie infolge der gewaltigen Fliehkräfte, zum Teil durch Abstrahlen von Gravitationswellen. Man darf davon ausgehen, daß Schwarze Löcher enorm schnell rotieren mit Geschwindigkeiten, die nahe der maximal erlaubten liegen.

Nach der klassischen Mechanik ist das äußere Gravitationsfeld einer Masse unabhängig von ihrer Rotationsgeschwindigkeit. In erster Näherung ist dies zutreffend. Nach der ART spielt jedoch die Rotation eine Rolle für die Wirkung des Gravitationsfeldes einer Masse. Die Raumzeit wird nicht nur gekrümmt wie bei einem Schwarzen Loch vom Schwarzschild-Typ, sondern – wie ich bereits sagte – auch mitgeschleppt (rotierende Raumzeiten). Für Planeten und Sterne ist dieser "Mitführeffekt" winzig klein und experimentell nur schwer prüfbar. Bei den extremen Gravitationsfeldern in der Nähe schnell rotierender Schwarzer Löcher wird die Raumzeit jedoch förmlich mitgerissen. Natürlich kann man eine mitrotierende Raumzeit nicht sehen, seine Wirkungen sind aber wohl zu spüren. Schauen Sie im Internet unter Lense-Thirring-Effekt (Frame-Dragging-Effekt), Gravito-Magnetismus, Satellitenmission Gravity Probe-B nach.

Während der innere Horizont ein Ereignishorizont im Sinne der Kosmischen Zensur ist, stellt der äußere Horizont eine Stationaritätsgrenze dar. Für ein nicht mitrotierendes Teilchen ist dort die Entweichgeschwindigkeit gleich der Lichtgeschwindigkeit.  Erreicht ein Teilchen die Oberfläche der Ergosphäre, also den äußeren Horizont, so wird es nach innen gezogen und in eine Spiralbahn gezwungen. Je näher es dabei dem inneren Horizont kommt, desto schneller wird es. Die Fliehkraft nimmt zu, allerdings bewirkt sie scheinbar völlig paradox, daß das Teilchen immer stärker nach innen driftet. Am Ereignishorizont, d. h. am inneren Horizont, erreicht das Teilchen die Rotationsgeschwindigkeit des Schwarzen Loches. Durch die mitrotierende Raumzeit werden alle Körper innerhalb der Ergosphäre in eine Rotation gezwungen. Einfallende Teilchen werden so vom Raumzeitstrudel eines rotierenden Schwarzen Loches mitgerissen. Fällt dabei ein Teilchen entgegengesetzt der Rotationsrichtung in die Ergosphäre hinein, so wird es abgebremst (an der Bremsstrahlung erkennbar!) und seine Bewegungsrichtung umgekehrt. Tritt ein Teilchen mit relativ hoher Geschwindigkeit in Richtung der Rotation in die Ergosphäre, so kann es dem rotierenden Schwarzen Loch wieder entfliehen und dabei sogar Rotationsenergie aufnehmen.

Explodierende Schwarze Löcher (es gehört zwar nicht zur Antwort auf die oben gestellte Frage, aber ich denke, es ist auch wichtig):

Dem englischen Astrophysiker Stephen Hawking (geb. 1942) gelang es, eine Thermodynamik Schwarzer Löcher zu entwickeln. Hawking versucht, eine Vereinigung von Quantenmechanik und Allgemeiner Relativitätstheorie zu erreichen. Dabei fand er, daß aus quantenmechanischen Gründen in seltenen Fällen spontan Elementarteilchen einem Schwarzen Loch entrinnen können. Dieses Phänomen interpretierte er gewissermaßen als einen Verdampfungsprozeß. Schwarzen Löchern kann demnach eine Temperatur zugeschrieben werden. Sie ist umgekehrt proportional zu ihrer Masse. Stellare Schwarze Löcher sind dabei extrem kalt. Ein Schwarzes Loch von drei Sonnenmassen hat nur ein Zehnmillionstel Grad über dem absoluten Nullpunkt (T = 10-7 K). Zunächst sammelt ein Schwarzes Loch aufgrund der kosmologischen Hintergrundstrahlung sowie des Vorhandenseins interstellarer Materie und Sternenstrahlung Photonen und Elementarteilchen ein, seine Masse wächst noch. Doch in einer fernen Phase des Universums wird es weniger Elementarteilchen einsammeln als aussenden. Die Masse des Schwarzen Loches wird dann abnehmen und damit die Temperatur ansteigen. Dieser Prozeß geht zunächst äußerst langsam vonstatten. Da die Temperatur des Schwarzen Loches entsprechend der Abnahme seiner Masse anwächst, beschleunigt sich der Verdampfungsprozeß, immer mehr Elementarteilchen werden in der Zeiteinheit freigesetzt. Hat das Schwarze Loch nur mehr tausend Tonnen Masse, so explodiert es innerhalb eines Bruchteils einer Sekunde und setzt dabei soviel Energie frei wie etwa ein Tausendstel der Sonnenleuchtkraft. Grob kalkuliert explodieren stellare Schwarze Löcher nach 1064 bis 1066 Jahren. Dies ist viele Zehnerpotenzen länger als das heutige Alter des Universums. Dennoch existieren Schwarze Löcher nicht ewig, wie man einst vermutete. Supermassereiche Schwarze Löcher detonieren sogar erst nach rund 10100 Jahren. Damit leben sie praktisch ewig.

Hawking zeigte auch, daß in einer sehr frühen Phase des Universums, als das sogenannte Urknallszenario ablief, Schwarze Löcher mit relativ geringer Masse etwa in der Größenordnung von Kleinplaneten entstanden sein könnten. Solche primordialen Minilöcher hätten dann eine Lebensdauer von zehn bis zwanzig Milliarden Jahren. Das bedeutet, sie müßten in unserer Zeit explodieren und sich durch kräftige Ausbrüche von Gammastrahlung bemerkbar machen. Zur Zeit fahndet man nach solchen Gammastrahlenblitzen. Noch weiß man aber nicht, ob die inzwischen beobachteten "Gamma Bursts" explodierende primordiale Schwarze Löcher sind oder andere Ursachen haben. Neuere Untersuchungen lassen an der Existenz primordialer Schwarzer Löcher zweifeln. Schwarze Löcher sind sicher die exotischsten Himmelskörper, die wir kennen. Bisher kann man nur indirekt auf ihre Existenz schließen. Mit geeigneten Gravitationswellendetektoren könnten Kollapsare im statu nascendi aufgespürt werden

 Als Überblick für Schwarze Löcher: 

  • Schwarzschild 1916 (statisch, neutral, Vakuum)
  • Reissner-Nordstrøm1918 (statisch, elektrisch geladen)
  • Kerr 1963 (rotierend, neutral, Vakuum)
  • Kerr-Newman 1965 (rotierend, geladen)

 

 


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