Wissenschaftliches Denken konstruiert manchmal Objekte mit solch paradoxen Eigenschaften, dass selbst die klügsten Wissenschaftler sich zunächst weigern, sie zu erkennen. Das offensichtlichste Beispiel in der Geschichte der modernen Physik ist das langfristige Desinteresse an Schwarzen Löchern, extremen Zuständen des Gravitationsfeldes, die vor fast 90 Jahren vorhergesagt wurden. Lange galten sie als rein theoretische Abstraktion und glaubten erst in den 1960er und 70er Jahren an ihre Realität. Die Grundgleichung der Theorie der Schwarzen Löcher wurde jedoch vor über zweihundert Jahren hergeleitet.

John Michells Einsicht

Der Name John Michell, Physiker, Astronom und Geologe, Professor an der University of Cambridge und Pastor der Church of England, ging im 18. Jahrhundert zu Unrecht unter den Stars der englischen Wissenschaft verloren. Michell legte die Grundlagen der Seismologie, der Wissenschaft der Erdbeben, und führte eine hervorragende Untersuchung des Magnetismus durch, lange bevor Coulomb die Torsionswaage erfand, die er für gravimetrische Messungen verwendete. 1783 versuchte er, die beiden großen Schöpfungen Newtons, Mechanik und Optik, zu vereinen. Newton betrachtete Licht als einen Strom winziger Teilchen. Michell schlug vor, dass leichte Teilchen, wie gewöhnliche Materie, den Gesetzen der Mechanik gehorchen. Die Konsequenz dieser Hypothese stellte sich als sehr nicht trivial heraus - Himmelskörper können sich in Lichtfallen verwandeln.

Wie hat Michell gedacht? Eine von der Oberfläche eines Planeten abgefeuerte Kanonenkugel wird ihre Schwerkraft nur dann vollständig überwinden, wenn ihre Anfangsgeschwindigkeit die sogenannte zweite Raumgeschwindigkeit und Fluchtgeschwindigkeit übersteigt. Wenn die Schwerkraft des Planeten so stark ist, dass die Fluchtgeschwindigkeit die Lichtgeschwindigkeit übersteigt, können auf den Zenit geschossene Lichtteilchen nicht ins Unendliche entkommen. Das gleiche passiert mit reflektiertem Licht. Daher wird der Planet für einen sehr entfernten Beobachter unsichtbar sein. Michell berechnete den kritischen Wert des Radius eines solchen Planeten, Rcr, in Abhängigkeit von seiner Masse M, reduziert auf die Masse unserer Sonne, Ms: Rcr = 3 km x M/Ms.

John Michell glaubte an seine Formeln und ging davon aus, dass die Tiefen des Weltraums viele Sterne verbergen, die mit keinem Teleskop von der Erde aus zu sehen sind. Später kam der große französische Mathematiker, Astronom und Physiker Pierre Simon Laplace zu demselben Schluss und nahm ihn sowohl in die erste (1796) als auch in die zweite (1799) Ausgabe seiner Exposition of the System of the World auf. Aber die dritte Auflage wurde 1808 veröffentlicht, als die meisten Physiker Licht bereits als Schwingungen des Äthers betrachteten. Die Existenz „unsichtbarer“ Sterne widersprach der Wellentheorie des Lichts, und Laplace hielt es für das Beste, sie einfach nicht zu erwähnen. In der Folgezeit galt diese Idee als Kuriosität, die nur in Werken zur Geschichte der Physik ausgestellt werden sollte.

Schwarzschild-Modell

Im November 1915 veröffentlichte Albert Einstein eine Gravitationstheorie, die er Allgemeine Relativitätstheorie (GR) nannte. Diese Arbeit fand in der Person seines Kollegen von der Berliner Akademie der Wissenschaften Karl Schwarzschild sofort einen dankbaren Leser. Es war Schwarzschild, der als erster auf der Welt die allgemeine Relativitätstheorie anwandte, um ein bestimmtes astrophysikalisches Problem zu lösen, um die Raum-Zeit-Metrik außerhalb und innerhalb eines nicht rotierenden kugelförmigen Körpers zu berechnen (der Konkretheit halber nennen wir ihn einen Stern).

Aus Schwarzschilds Berechnungen folgt, dass die Schwerkraft eines Sterns die Newtonsche Struktur von Raum und Zeit nur dann nicht stark verzerrt, wenn sein Radius viel größer ist als der von John Michell berechnete Wert! Dieser Parameter wurde zuerst als Schwarzschild-Radius bezeichnet und wird heute als Gravitationsradius bezeichnet. Gemäß der Allgemeinen Relativitätstheorie beeinflusst die Schwerkraft nicht die Lichtgeschwindigkeit, sondern verringert die Frequenz der Lichtschwingungen im gleichen Verhältnis, in dem sie die Zeit verlangsamt. Wenn der Radius eines Sterns viermal größer ist als der Gravitationsradius, verlangsamt sich der Zeitfluss auf seiner Oberfläche um 15% und der Raum erhält eine merkliche Krümmung. Bei einem doppelten Überschuss biegt es sich mehr und die Zeit verlangsamt seinen Lauf um 41%. Wenn der Gravitationsradius erreicht ist, stoppt die Zeit auf der Oberfläche des Sterns vollständig (alle Frequenzen werden auf Null gesetzt, die Strahlung wird eingefroren und der Stern erlischt), aber die Krümmung des Raums dort ist immer noch endlich. Weit entfernt von der Sonne bleibt die Geometrie immer noch euklidisch, und die Zeit ändert ihre Geschwindigkeit nicht.

Trotz der Tatsache, dass die Werte des Gravitationsradius für Michell und Schwarzschild gleich sind, haben die Modelle selbst nichts gemeinsam. Für Michell ändern sich Raum und Zeit nicht, aber das Licht verlangsamt sich. Ein Stern, dessen Abmessungen kleiner als sein Gravitationsradius sind, leuchtet weiter, ist aber nur für einen nicht allzu weit entfernten Beobachter sichtbar. Für Schwarzschild ist die Lichtgeschwindigkeit absolut, aber die Struktur von Raum und Zeit hängt von der Schwerkraft ab. Ein Stern, der unter den Gravitationsradius gefallen ist, verschwindet für jeden Beobachter, egal wo er sich befindet (genauer gesagt, er kann durch Gravitationseffekte nachgewiesen werden, aber keinesfalls durch Strahlung).

Vom Unglauben zur Behauptung

Schwarzschild und seine Zeitgenossen glaubten, dass solche seltsamen kosmischen Objekte in der Natur nicht existieren. Einstein selbst vertrat nicht nur diesen Standpunkt, sondern glaubte auch fälschlicherweise, dass er es geschafft habe, seine Meinung mathematisch zu untermauern.

In den 1930er Jahren bewies ein junger indischer Astrophysiker, Chandrasekhar, dass ein Stern, der seinen Kernbrennstoff verbraucht hat, seine Hülle abstreift und sich nur dann in einen langsam abkühlenden Weißen Zwerg verwandelt, wenn seine Masse weniger als 1,4 Sonnenmassen beträgt. Schon bald vermutete der Amerikaner Fritz Zwicky, dass bei Supernova-Explosionen extrem dichte Körper aus Neutronenmaterie entstehen; Später kam Lev Landau zu demselben Schluss. Nach der Arbeit von Chandrasekhar war es offensichtlich, dass nur Sterne mit einer Masse von mehr als 1,4 Sonnenmassen eine solche Entwicklung durchlaufen können. Daher stellte sich eine natürliche Frage: Gibt es eine obere Massengrenze für Supernovae, die Neutronensterne hinterlassen?

Der spätere Vater der amerikanischen Atombombe, Robert Oppenheimer, stellte Ende der 1930er Jahre fest, dass eine solche Grenze tatsächlich existiert und mehrere Sonnenmassen nicht überschreitet. Eine genauere Einschätzung war damals nicht möglich; Es ist jetzt bekannt, dass die Massen von Neutronensternen im Bereich von 1,5 bis 3 M s liegen müssen. Aber selbst aus den ungefähren Berechnungen von Oppenheimer und seinem Doktoranden George Volkov folgte, dass die massereichsten Nachkommen von Supernovae nicht zu Neutronensternen werden, sondern in einen anderen Zustand übergehen. 1939 bewiesen Oppenheimer und Hartland Snyder in einem idealisierten Modell, dass sich ein massiver kollabierender Stern auf seinen Gravitationsradius zusammenzieht. Aus ihren Formeln folgt tatsächlich, dass der Stern dort nicht aufhört, aber die Co-Autoren haben von einer solch radikalen Schlussfolgerung Abstand genommen.

Die endgültige Antwort wurde in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts durch die Bemühungen einer ganzen Schar brillanter theoretischer Physiker gefunden, einschließlich sowjetischer. Es stellte sich heraus, dass ein solcher Zusammenbruch stets komprimiert den Stern "bis zum Anschlag" und zerstört seine Substanz vollständig. Dadurch entsteht eine Singularität, ein „Superkonzentrat“ des Gravitationsfeldes, eingeschlossen in ein unendlich kleines Volumen. Bei einem festen Loch ist dies ein Punkt, bei einem rotierenden Loch ein Ring. Die Krümmung der Raumzeit und folglich die Schwerkraft in der Nähe der Singularität gehen gegen unendlich. Ende 1967 war der amerikanische Physiker John Archibald Wheeler der erste, der einen solchen endgültigen Kollaps eines Sterns als Schwarzes Loch bezeichnete. Der neue Begriff verliebte sich in Physiker und begeisterte Journalisten, die ihn in die ganze Welt verbreiteten (obwohl ihn die Franzosen zunächst nicht mochten, weil der Ausdruck trou noir zweifelhafte Assoziationen suggerierte).

Dort, jenseits des Horizonts

Ein Schwarzes Loch ist weder Materie noch Strahlung. Mit etwas Bildlichkeit können wir sagen, dass dies ein sich selbst erhaltendes Gravitationsfeld ist, das sich in einem stark gekrümmten Bereich der Raumzeit konzentriert. Seine äußere Begrenzung wird durch eine geschlossene Fläche, den Ereignishorizont, definiert. Wenn sich der Stern vor dem Kollaps nicht drehte, entpuppt sich diese Oberfläche als regelmäßige Kugel, deren Radius mit dem Schwarzschild-Radius übereinstimmt.

Die physikalische Bedeutung des Horizonts ist sehr klar. Ein Lichtsignal, das von seiner äußeren Umgebung gesendet wird, kann eine unendliche Entfernung zurücklegen. Aber die aus der inneren Region gesendeten Signale werden nicht nur den Horizont nicht überqueren, sondern unweigerlich in die Singularität „fallen“. Der Horizont ist die räumliche Grenze zwischen Ereignissen, die terrestrischen (und allen anderen) Astronomen bekannt werden können, und Ereignissen, über die Informationen unter keinen Umständen herauskommen werden.

Wie es "nach Schwarzschild" sein sollte, ist die Anziehungskraft eines Lochs weit vom Horizont umgekehrt proportional zum Quadrat der Entfernung, daher manifestiert es sich für einen entfernten Beobachter als ein gewöhnlicher schwerer Körper. Neben der Masse erbt das Loch das Trägheitsmoment des kollabierten Sterns und seine elektrische Ladung. Und alle anderen Eigenschaften des Vorgängersterns (Struktur, Zusammensetzung, Spektraltyp etc.) geraten in Vergessenheit.

Schicken wir eine Sonde zum Loch mit einem Radiosender, der je nach Bordzeit einmal pro Sekunde ein Signal sendet. Für einen entfernten Beobachter werden die Zeitintervalle zwischen den Signalen länger, wenn sich die Sonde dem Horizont nähert – im Prinzip unendlich. Sobald das Schiff den unsichtbaren Horizont überquert, wird es für die „Over-the-Hole“-Welt vollkommen still. Dieses Verschwinden wird jedoch nicht spurlos bleiben, da die Sonde dem Loch seine Masse, Ladung und sein Drehmoment verleiht.

Strahlung eines Schwarzen Lochs

Alle bisherigen Modelle wurden ausschließlich auf Basis der Allgemeinen Relativitätstheorie gebaut. Unsere Welt wird jedoch von den Gesetzen der Quantenmechanik regiert, die Schwarze Löcher nicht ignorieren. Diese Gesetze erlauben es uns nicht, die zentrale Singularität als mathematischen Punkt zu betrachten. In einem Quantenkontext ist sein Durchmesser durch die Planck-Wheeler-Länge gegeben, ungefähr gleich 10 -33 Zentimeter. In dieser Region hört der gewöhnliche Raum auf zu existieren. Es ist allgemein anerkannt, dass das Zentrum des Lochs mit verschiedenen topologischen Strukturen gefüllt ist, die in Übereinstimmung mit quantenprobabilistischen Gesetzen erscheinen und sterben. Die Eigenschaften eines solchen sprudelnden Quasi-Raums, den Wheeler Quantenschaum nannte, sind noch kaum verstanden.

Das Vorhandensein einer Quanten-Singularität steht in direktem Zusammenhang mit dem Schicksal materieller Körper, die tief in ein Schwarzes Loch fallen. Wenn man sich der Mitte des Lochs nähert, wird jeder Gegenstand, der aus derzeit bekannten Materialien besteht, durch die Gezeitenkräfte zerquetscht und auseinandergerissen. Aber selbst wenn zukünftige Ingenieure und Technologen einige superfeste Legierungen und Verbundwerkstoffe mit heute noch nie dagewesenen Eigenschaften schaffen, sind sie sowieso alle zum Verschwinden verurteilt: Schließlich gibt es in der Singularitätszone weder vertraute Zeit noch vertrauten Raum.

Betrachten wir nun den Horizont des Lochs durch eine quantenmechanische Linse. Der leere Raum – das physikalische Vakuum – ist tatsächlich keineswegs leer. Aufgrund von Quantenfluktuationen verschiedener Felder im Vakuum werden kontinuierlich viele virtuelle Teilchen geboren und sterben. Da die Schwerkraft in Horizontnähe sehr stark ist, erzeugen ihre Schwankungen extrem starke Gravitationsausbrüche. Wenn sie in solchen Feldern beschleunigt werden, gewinnen neugeborene „Virtuelle“ zusätzliche Energie und werden manchmal zu normalen langlebigen Teilchen.

Virtuelle Teilchen werden immer paarweise geboren, die sich in entgegengesetzte Richtungen bewegen (dies wird vom Gesetz der Impulserhaltung gefordert). Wenn eine Gravitationsschwankung dem Vakuum ein Teilchenpaar entzieht, kann es passieren, dass eines von ihnen außerhalb des Horizonts materialisiert und das zweite (das Antiteilchen des ersten) innerhalb. Das „innere“ Teilchen fällt in das Loch, aber das „äußere“ Teilchen kann unter günstigen Bedingungen entweichen. Dadurch wird das Loch zu einer Strahlungsquelle und verliert dadurch Energie und damit Masse. Daher sind Schwarze Löcher grundsätzlich instabil.

Dieses Phänomen wird nach dem bemerkenswerten englischen theoretischen Physiker, der es Mitte der 1970er Jahre entdeckte, Hawking-Effekt genannt. Insbesondere Stephen Hawking hat bewiesen, dass der Horizont eines Schwarzen Lochs Photonen genauso aussendet wie ein absolut schwarzer Körper, der auf eine Temperatur T = 0,5 x 10 -7 x M s /M erhitzt wird. Daraus folgt, dass, wenn das Loch dünner wird, seine Temperatur zunimmt und die "Verdunstung" natürlich zunimmt. Dieser Prozess ist extrem langsam, und die Lebensdauer eines Lochs der Masse M beträgt etwa 10 65 x (M/M s) 3 Jahre. Wenn seine Größe der Planck-Wheeler-Länge entspricht, verliert das Loch an Stabilität und explodiert, wobei es die gleiche Energie freisetzt wie die gleichzeitige Explosion von einer Million Wasserstoffbomben mit 10 Megatonnen. Seltsamerweise ist die Masse des Lochs zum Zeitpunkt seines Verschwindens immer noch ziemlich groß, 22 Mikrogramm. Nach einigen Modellen verschwindet das Loch nicht spurlos, sondern hinterlässt ein stabiles Relikt gleicher Masse, das sogenannte Maximon.

Maxim wurde vor 40 Jahren geboren - als Begriff und als physikalische Idee. 1965 schlug der Akademiker M. A. Markov vor, dass es eine Obergrenze für die Masse von Elementarteilchen gibt. Er schlug vor, diesen Grenzwert als Dimension der Masse zu betrachten, die sich aus drei fundamentalen physikalischen Konstanten - der Planckschen Konstante h, der Lichtgeschwindigkeit C und der Gravitationskonstante G - kombinieren lässt (für Detailliebhaber: dazu muss man multipliziere h und C, dividiere das Ergebnis durch G und ziehe die Quadratwurzel). Dies sind die gleichen 22 Mikrogramm, die im Artikel erwähnt werden, dieser Wert wird als Planck-Masse bezeichnet. Aus den gleichen Konstanten lässt sich ein Wert mit der Längendimension (ergibt die Planck-Wheeler-Länge, 10 -33 cm) und mit der Zeitdimension (10 -43 sec) konstruieren.
Markov ging in seiner Argumentation noch weiter. Nach seiner Hypothese führt die Verdunstung eines Schwarzen Lochs zur Bildung eines „Trockenrückstands“ – eines Maximons. Markov nannte solche Strukturen elementare Schwarze Löcher. Inwieweit diese Theorie der Realität entspricht, ist noch offen. Auf jeden Fall wurden Analoga von Markov-Maximonen in einigen Modellen von Schwarzen Löchern wiederbelebt, die auf der Superstring-Theorie basieren.

Tiefen des Weltraums

Schwarze Löcher sind nicht durch die Gesetze der Physik verboten, aber existieren sie in der Natur? Absolut strenge Beweise für die Anwesenheit mindestens eines solchen Objekts im Weltraum wurden noch nicht gefunden. Es ist jedoch sehr wahrscheinlich, dass in einigen Doppelsternsystemen die Röntgenquellen Schwarze Löcher stellaren Ursprungs sind. Diese Strahlung sollte durch das Ansaugen der Atmosphäre eines gewöhnlichen Sterns durch das Gravitationsfeld eines benachbarten Lochs entstehen. Das Gas wird während seiner Bewegung zum Ereignishorizont stark erhitzt und sendet Röntgenquanten aus. Mindestens zwei Dutzend Röntgenquellen gelten inzwischen als geeignete Kandidaten für die Rolle der Schwarzen Löcher. Darüber hinaus deuten Sternstatistiken darauf hin, dass es allein in unserer Galaxie etwa zehn Millionen Löcher stellaren Ursprungs gibt.

Schwarze Löcher können auch bei der Gravitationskondensation von Materie in galaktischen Kernen entstehen. So entstehen riesige Löcher mit einer Masse von Millionen und Milliarden Sonnenmassen, die aller Wahrscheinlichkeit nach in vielen Galaxien zu finden sind. Anscheinend befindet sich im Zentrum der mit Staubwolken bedeckten Milchstraße ein Loch mit einer Masse von 3-4 Millionen Sonnenmassen.

Stephen Hawking kam zu dem Schluss, dass unmittelbar nach dem Urknall, aus dem unser Universum entstand, Schwarze Löcher beliebiger Masse entstehen könnten. Primärlöcher mit einem Gewicht von bis zu einer Milliarde Tonnen sind bereits verdampft, aber schwerere können sich immer noch in den Tiefen des Weltraums verstecken und zu gegebener Zeit ein kosmisches Feuerwerk in Form von mächtigen Blitzen aus Gammastrahlung entfachen. Bisher wurden solche Explosionen jedoch noch nie beobachtet.

Fabrik des Schwarzen Lochs

Ist es möglich, die Teilchen im Beschleuniger auf eine so hohe Energie zu beschleunigen, dass bei ihrer Kollision ein Schwarzes Loch entstehen würde? Auf den ersten Blick ist diese Idee einfach verrückt - die Explosion des Lochs wird alles Leben auf der Erde zerstören. Außerdem ist es technisch nicht machbar. Wenn die Mindestmasse eines Lochs tatsächlich 22 Mikrogramm beträgt, dann sind es in Energieeinheiten 10 28 Elektronenvolt. Diese Schwelle liegt 15 Größenordnungen über der Kapazität des weltweit leistungsstärksten Beschleunigers, des Large Hadron Collider (LHC), der 2007 am CERN gestartet wird.

Es ist jedoch möglich, dass die Standardschätzung der Mindestmasse eines Lochs erheblich überschätzt wird. Das sagen jedenfalls die Physiker, die die Theorie der Superstrings entwickeln, zu der auch die Quantentheorie der Gravitation gehört (wenn auch noch lange nicht vollständig). Nach dieser Theorie hat der Raum nicht weniger als drei Dimensionen, aber mindestens neun. Wir bemerken keine zusätzlichen Dimensionen, weil sie so klein geloopt sind, dass unsere Instrumente sie nicht wahrnehmen. Die Schwerkraft ist jedoch allgegenwärtig, sie dringt in verborgene Dimensionen vor. In drei Dimensionen ist die Schwerkraft umgekehrt proportional zum Quadrat der Entfernung, und in neun Dimensionen ist sie die achte Potenz. Daher nimmt in einer mehrdimensionalen Welt die Intensität des Gravitationsfeldes mit abnehmender Entfernung viel schneller zu als in einer dreidimensionalen. In diesem Fall nimmt die Planck-Länge um ein Vielfaches zu und die minimale Masse des Lochs fällt stark ab.

Die Stringtheorie sagt voraus, dass ein Schwarzes Loch mit einer Masse von nur 10 -20 g im neundimensionalen Raum geboren werden kann.Die berechnete relativistische Masse der im Zern-Superbeschleuniger beschleunigten Protonen ist ungefähr gleich. Nach dem optimistischsten Szenario wird er in der Lage sein, jede Sekunde ein Loch zu produzieren, das etwa 10 -26 Sekunden lang leben wird. Bei seiner Verdunstung werden alle Arten von Elementarteilchen geboren, die leicht zu registrieren sind. Das Verschwinden des Lochs führt zur Freisetzung von Energie, die nicht einmal ausreicht, um ein Mikrogramm Wasser pro Tausendstel Grad zu erhitzen. Daher besteht Hoffnung, dass sich der LHC in eine Fabrik harmloser Schwarzer Löcher verwandelt. Wenn diese Modelle stimmen, dann werden orbitale Detektoren für kosmische Strahlung der neuen Generation auch in der Lage sein, solche Löcher zu erkennen.

All dies gilt für stationäre Schwarze Löcher. Inzwischen gibt es rotierende Löcher, die eine Reihe interessanter Eigenschaften haben. Die Ergebnisse der theoretischen Analyse der Strahlung von Schwarzen Löchern führten auch zu einem ernsthaften Umdenken des Entropiekonzepts, das ebenfalls eine gesonderte Diskussion verdient. Mehr dazu in der nächsten Ausgabe.

Die Hypothese der Existenz von Schwarzen Löchern wurde erstmals 1783 vom englischen Astronomen J. Michell auf der Grundlage der Korpuskulartheorie des Lichts und der Newtonschen Gravitationstheorie aufgestellt. Damals gerieten die Wellentheorie von Huygens und sein berühmtes Wellenprinzip einfach in Vergessenheit. Die Wellentheorie wurde nicht durch die Unterstützung einiger ehrwürdiger Wissenschaftler unterstützt, insbesondere der berühmten St. Petersburger Akademiker M.V. Lomonossow und L. Euler. Die Argumentationslogik, die Michell zum Konzept eines Schwarzen Lochs führte, ist sehr einfach: Wenn Licht aus Partikeln besteht – Korpuskeln des leuchtenden Äthers, dann müssen diese Partikel, wie andere Körper, die Anziehungskraft des Gravitationsfeldes erfahren. Je massereicher der Stern (oder Planet) ist, desto größer ist die Anziehungskraft von seiner Seite auf Korpuskeln und desto schwieriger ist es für Licht, die Oberfläche eines solchen Körpers zu verlassen.

Eine weitere Logik legt nahe, dass solche massiven Sterne in der Natur existieren können, deren Anziehungskraft die Korpuskeln nicht mehr überwinden können, und sie werden einem externen Beobachter immer schwarz erscheinen, obwohl sie selbst wie die Sonne in einem blendenden Glanz leuchten können. Physikalisch bedeutet dies, dass die zweite kosmische Geschwindigkeit auf der Oberfläche eines solchen Sterns mindestens der Lichtgeschwindigkeit entsprechen muss. Michells Berechnungen zeigen, dass Licht einen Stern niemals verlässt, wenn sein Radius bei durchschnittlicher Sonnendichte 500 Sonnen beträgt. Ein solcher Stern kann bereits als Schwarzes Loch bezeichnet werden.

Nach 13 Jahren hat der französische Mathematiker und Astronom P.S. Laplace äußerte höchstwahrscheinlich unabhängig von Michell eine ähnliche Hypothese über die Existenz solcher exotischer Objekte. Mit einer umständlichen Rechenmethode fand Laplace für eine gegebene Dichte den Radius einer Kugel, auf deren Oberfläche die Parabelgeschwindigkeit gleich der Lichtgeschwindigkeit ist. Laut Laplace sollten Lichtteilchen, die Gravitationsteilchen sind, von massereichen Sternen verzögert werden, die Licht emittieren, die eine Dichte haben, die der der Erde entspricht, und einen Radius haben, der 250-mal größer ist als der Sonnenradius.

Diese Theorie von Laplace wurde nur in die ersten beiden lebenslangen Ausgaben seines berühmten Buches „Exposition of the System of the World“ aufgenommen, das 1796 und 1799 veröffentlicht wurde. Ja, vielleicht interessierte sich sogar der österreichische Astronom F. K. von Zach für Laplaces Theorie und veröffentlichte sie 1798 unter dem Titel „Beweis des Satzes, dass die Anziehungskraft eines schweren Körpers so groß sein kann, dass kein Licht aus ihm herausfließen kann“.

An diesem Punkt endete die Geschichte der Erforschung Schwarzer Löcher für mehr als 100 Jahre. Es scheint, dass Laplace selbst eine solch extravagante Hypothese stillschweigend aufgegeben hat, da er sie aus allen anderen lebenslangen Ausgaben seines Buches ausschloss, die 1808, 1813 und 1824 erschienen. Vielleicht wollte Laplace die fast phantastische Hypothese von kolossalen Sternen, die kein Licht mehr aussenden, nicht wiederholen. Vielleicht wurde er durch neue astronomische Daten über die Invarianz der Größe der Lichtaberration in verschiedenen Sternen aufgehalten, die einigen Schlussfolgerungen seiner Theorie widersprachen, auf deren Grundlage er seine Berechnungen stützte. Aber der wahrscheinlichste Grund, warum alle die mysteriösen hypothetischen Objekte von Michell-Laplace vergessen haben, ist der Siegeszug der Wellentheorie des Lichts, deren Siegeszug ab den ersten Jahren des 19. Jahrhunderts begann.

Den Anfang dieses Triumphs legte der 1801 veröffentlichte Booker-Vortrag des englischen Physikers T. Jung „The Theory of Light and Color“, in dem Jung kühn, im Gegensatz zu Newton und anderen berühmten Anhängern der Korpuskulartheorie (u. a. Laplace) , skizzierte die Essenz der Wellentheorie des Lichts, indem er sagte, dass das ausgesandte Licht aus wellenartigen Bewegungen des leuchtenden Äthers besteht. Inspiriert von der Entdeckung der Polarisation des Lichts begann Laplace, Korpuskeln zu „retten“, indem er eine Theorie der Doppelbrechung von Licht in Kristallen aufstellte, die auf der Doppelwirkung von Kristallmolekülen auf Lichtkorpuskeln beruhte. Aber die nachfolgenden Arbeiten der Physiker O.Zh. Fresnel, F.D. Aragon, J. Fraunhofer und andere ließen in der Korpuskulartheorie, an die man sich erst ein Jahrhundert später, nach der Entdeckung der Quanten, ernsthaft erinnerte, nichts unversucht. Alle Überlegungen zu Schwarzen Löchern im Rahmen der Wellentheorie des Lichts sahen damals lächerlich aus.

Schwarze Löcher wurden nicht sofort nach der "Rehabilitation" der Korpuskulartheorie des Lichts in Erinnerung gerufen, als sie dank der Hypothese von Quanten (1900) und Photonen (1905) auf einer neuen qualitativen Ebene darüber zu sprechen begannen. Schwarze Löcher wurden erst nach der Schaffung der Allgemeinen Relativitätstheorie im Jahr 1916 zum zweiten Mal wiederentdeckt, als der deutsche theoretische Physiker und Astronom K. Schwarzschild einige Monate nach der Veröffentlichung der Einsteinschen Gleichungen damit die Struktur der gekrümmten Raumzeit untersuchte in der Nähe der Sonne. Als Ergebnis entdeckte er das Phänomen der Schwarzen Löcher wieder, aber auf einer tieferen Ebene.

Die endgültige theoretische Entdeckung von Schwarzen Löchern fand 1939 statt, als Oppenheimer und Snyder die erste explizite Lösung von Einsteins Gleichungen durchführten, um die Bildung eines Schwarzen Lochs aus einer kollabierenden Staubwolke zu beschreiben. Der Begriff „Schwarzes Loch“ selbst wurde erstmals 1968 vom amerikanischen Physiker J. Wheeler in die Wissenschaft eingeführt, in den Jahren einer raschen Wiederbelebung des Interesses an der Allgemeinen Relativitätstheorie, Kosmologie und Astrophysik, verursacht durch die Errungenschaften der außeratmosphärischen (insbesondere , Röntgen) Astronomie, die Entdeckung kosmischer Mikrowellen-Hintergrundstrahlung, Pulsare und Quasare.

Aufgrund des relativ neuen Interesses, populärwissenschaftliche Filme über die Weltraumforschung zu machen, hat der moderne Zuschauer viel über Phänomene wie die Singularität oder das Schwarze Loch gehört. Filme enthüllen jedoch offensichtlich nicht die volle Natur dieser Phänomene und verzerren manchmal sogar die konstruierten wissenschaftlichen Theorien, um eine größere Wirkung zu erzielen. Aus diesem Grund ist die Vorstellung vieler moderner Menschen über diese Phänomene entweder völlig oberflächlich oder völlig falsch. Eine der Lösungen für das aufgetretene Problem ist dieser Artikel, in dem wir versuchen werden, die vorhandenen Forschungsergebnisse zu verstehen und die Frage zu beantworten: Was ist ein Schwarzes Loch?

1784 erwähnte der englische Priester und Naturforscher John Michell erstmals in einem Brief an die Royal Society einen hypothetischen massiven Körper, der eine so starke Gravitationsanziehung hat, dass die zweite kosmische Geschwindigkeit für ihn die Lichtgeschwindigkeit überschreiten würde. Die zweite Fluchtgeschwindigkeit ist die Geschwindigkeit, die ein relativ kleines Objekt benötigen würde, um die Anziehungskraft eines Himmelskörpers zu überwinden und die geschlossene Umlaufbahn um diesen Körper zu verlassen. Nach seinen Berechnungen wird ein Körper mit der Dichte der Sonne und einem Radius von 500 Sonnenradien auf seiner Oberfläche eine zweite kosmische Geschwindigkeit haben, die der Lichtgeschwindigkeit entspricht. In diesem Fall wird auch das Licht die Oberfläche eines solchen Körpers nicht verlassen, und daher wird dieser Körper nur das einfallende Licht absorbieren und für den Betrachter unsichtbar bleiben - eine Art schwarzer Fleck vor dem Hintergrund des dunklen Raums.

Das von Michell vorgeschlagene Konzept eines supermassiven Körpers stieß jedoch bis zur Arbeit von Einstein nicht auf großes Interesse. Denken Sie daran, dass letztere die Lichtgeschwindigkeit als Grenzgeschwindigkeit der Informationsübertragung definiert haben. Außerdem erweiterte Einstein die Gravitationstheorie für Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit (). Infolgedessen war es nicht mehr relevant, die Newtonsche Theorie auf Schwarze Löcher anzuwenden.

Einsteins Gleichung

Als Ergebnis der Anwendung der Allgemeinen Relativitätstheorie auf Schwarze Löcher und der Lösung von Einsteins Gleichungen wurden die Hauptparameter eines Schwarzen Lochs enthüllt, von denen es nur drei gibt: Masse, elektrische Ladung und Drehimpuls. Hervorzuheben ist der bedeutende Beitrag des indischen Astrophysikers Subramanyan Chandrasekhar, der eine grundlegende Monographie erstellt hat: „The Mathematical Theory of Black Holes“.

Somit wird die Lösung der Einstein-Gleichungen durch vier Optionen für vier mögliche Arten von Schwarzen Löchern dargestellt:

• Schwarzes Loch ohne Rotation und ohne Ladung - Schwarzschilds Lösung. Eine der ersten Beschreibungen eines Schwarzen Lochs (1916) unter Verwendung von Einsteins Gleichungen, jedoch ohne Berücksichtigung von zwei der drei Parameter des Körpers. Mit der Lösung des deutschen Physikers Karl Schwarzschild können Sie das äußere Gravitationsfeld eines kugelförmigen massiven Körpers berechnen. Ein Merkmal des Konzepts des deutschen Wissenschaftlers von Schwarzen Löchern ist das Vorhandensein eines Ereignishorizonts und des dahinter liegenden. Schwarzschild berechnete auch zuerst den Gravitationsradius, der seinen Namen erhielt, der den Radius der Kugel bestimmt, auf der sich der Ereignishorizont für einen Körper mit einer bestimmten Masse befinden würde.
• Ein Schwarzes Loch ohne Rotation mit Ladung – die Reisner-Nordström-Lösung. Eine 1916-1918 vorgeschlagene Lösung unter Berücksichtigung der möglichen elektrischen Ladung eines Schwarzen Lochs. Diese Ladung kann nicht beliebig groß sein und ist durch die resultierende elektrische Abstoßung begrenzt. Letzteres muss durch die Gravitationsanziehung kompensiert werden.
• Ein schwarzes Loch mit Rotation und ohne Ladung - Kerrs Lösung (1963). Ein rotierendes Kerr-Schwarzes Loch unterscheidet sich von einem statischen durch das Vorhandensein der sogenannten Ergosphäre (lesen Sie mehr über diese und andere Bestandteile eines Schwarzen Lochs).
• BH mit Rotation und Ladung - Kerr-Newman-Lösung. Diese Lösung wurde 1965 berechnet und ist derzeit die vollständigste, da sie alle drei BH-Parameter berücksichtigt. Es wird jedoch immer noch angenommen, dass schwarze Löcher in der Natur eine unbedeutende Ladung haben.

Die Entstehung eines Schwarzen Lochs

Es gibt mehrere Theorien darüber, wie ein Schwarzes Loch entsteht und erscheint, von denen die berühmteste die Entstehung eines Sterns mit ausreichender Masse als Folge eines Gravitationskollaps ist. Eine solche Kompression kann die Entwicklung von Sternen mit einer Masse von mehr als drei Sonnenmassen beenden. Nach Abschluss der thermonuklearen Reaktionen in solchen Sternen beginnen sie schnell zu einem superdichten zu schrumpfen. Wenn der Druck des Gases eines Neutronensterns die Gravitationskräfte nicht kompensieren kann, das heißt, die Masse des Sterns überwindet die sogenannte. Oppenheimer-Volkov-Grenze, dann setzt sich der Kollaps fort, wodurch Materie zu einem Schwarzen Loch komprimiert wird.

Das zweite Szenario, das die Geburt eines Schwarzen Lochs beschreibt, ist die Kompression von protogalaktischem Gas, dh interstellarem Gas, das sich im Stadium der Umwandlung in eine Galaxie oder eine Art Haufen befindet. Bei zu geringem Innendruck, um die gleichen Gravitationskräfte auszugleichen, kann ein Schwarzes Loch entstehen.

Zwei weitere Szenarien bleiben hypothetisch:

• Das Auftreten eines Schwarzen Lochs als Folge - das sogenannte. Urzeitliche Schwarze Löcher.
• Auftreten als Folge von Kernreaktionen bei hohen Energien. Ein Beispiel für solche Reaktionen sind Experimente an Collidern.

Aufbau und Physik Schwarzer Löcher

Die Struktur eines Schwarzen Lochs umfasst nach Schwarzschild nur zwei Elemente, die zuvor erwähnt wurden: die Singularität und den Ereignishorizont eines Schwarzen Lochs. Um kurz über die Singularität zu sprechen, kann festgestellt werden, dass es unmöglich ist, eine gerade Linie durch sie zu ziehen, und dass die meisten existierenden physikalischen Theorien darin nicht funktionieren. Daher bleibt die Physik der Singularität für Wissenschaftler heute ein Rätsel. Schwarzes Loch - dies ist eine Art Grenze, bei deren Überschreiten ein physisches Objekt die Fähigkeit verliert, darüber hinaus zurückzukehren und eindeutig in die Singularität eines Schwarzen Lochs "zu fallen".

Etwas komplizierter wird der Aufbau eines Schwarzen Lochs bei der Kerr-Lösung, nämlich bei Anwesenheit von BH-Rotation. Kerrs Lösung impliziert, dass das Loch eine Ergosphäre hat. Ergosphäre - ein bestimmter Bereich außerhalb des Ereignishorizonts, in dem sich alle Körper in Rotationsrichtung des Schwarzen Lochs bewegen. Dieser Bereich ist noch nicht spannend und kann im Gegensatz zum Ereignishorizont verlassen werden. Die Ergosphäre ist wahrscheinlich eine Art Analogon einer Akkretionsscheibe, die eine rotierende Substanz um massive Körper darstellt. Wenn ein statisches Schwarzschild-Schwarzes Loch als schwarze Kugel dargestellt wird, hat das Kerry-Schwarze Loch aufgrund des Vorhandenseins einer Ergosphäre die Form eines abgeflachten Ellipsoids, in dessen Form wir früher oft schwarze Löcher in Zeichnungen gesehen haben Filme oder Videospiele.

• Wie viel wiegt ein Schwarzes Loch? - Das größte theoretische Material zum Auftreten eines Schwarzen Lochs liegt für das Szenario seines Auftretens als Folge des Kollapses eines Sterns vor. In diesem Fall werden die maximale Masse eines Neutronensterns und die minimale Masse eines Schwarzen Lochs durch die Oppenheimer-Volkov-Grenze bestimmt, wonach die untere Grenze der BH-Masse 2,5 - 3 Sonnenmassen beträgt. Das schwerste jemals entdeckte Schwarze Loch (in der Galaxie NGC 4889) hat eine Masse von 21 Milliarden Sonnenmassen. Man sollte jedoch die Schwarzen Löcher nicht vergessen, die hypothetisch aus Kernreaktionen bei hohen Energien resultieren, wie sie beispielsweise bei Collidern auftreten. Die Masse solcher Quantenschwarzen Löcher, also "Planck-Schwarze Löcher", liegt in der Größenordnung von , nämlich 2 10 −5 g.
• Größe des Schwarzen Lochs. Der minimale BH-Radius kann aus der minimalen Masse (2,5 - 3 Sonnenmassen) berechnet werden. Wenn der Gravitationsradius der Sonne, also der Bereich, in dem der Ereignishorizont liegen würde, etwa 2,95 km beträgt, dann beträgt der minimale Radius einer BH von 3 Sonnenmassen etwa neun Kilometer. Solche relativ kleinen Größen passen nicht in den Kopf, wenn es um massive Objekte geht, die alles um sich herum anziehen. Für schwarze Quantenlöcher beträgt der Radius jedoch -10 −35 m.
• Die durchschnittliche Dichte eines Schwarzen Lochs hängt von zwei Parametern ab: Masse und Radius. Die Dichte eines Schwarzen Lochs mit einer Masse von etwa drei Sonnenmassen beträgt etwa 6 10 26 kg/m³, während die Dichte von Wasser 1000 kg/m³ beträgt. Solche kleinen Schwarzen Löcher wurden jedoch von Wissenschaftlern nicht gefunden. Die meisten der entdeckten BHs haben Massen von mehr als 105 Sonnenmassen. Es gibt ein interessantes Muster, nach dem je massereicher das Schwarze Loch ist, desto geringer ist seine Dichte. In diesem Fall hat eine Massenänderung um 11 Größenordnungen eine Dichteänderung um 22 Größenordnungen zur Folge. So hat ein Schwarzes Loch mit einer Masse von 1 ·10 9 Sonnenmassen eine Dichte von 18,5 kg/m³, was um eins geringer ist als die Dichte von Gold. Und Schwarze Löcher mit einer Masse von mehr als 10 10 Sonnenmassen können eine durchschnittliche Dichte haben, die geringer ist als die Dichte von Luft. Basierend auf diesen Berechnungen ist es logisch anzunehmen, dass die Bildung eines Schwarzen Lochs nicht auf die Kompression von Materie zurückzuführen ist, sondern auf die Ansammlung einer großen Menge an Materie in einem bestimmten Volumen. Bei Quantenschwarzen Löchern kann ihre Dichte etwa 10 94 kg/m³ betragen.
• Die Temperatur eines Schwarzen Lochs ist auch umgekehrt proportional zu seiner Masse. Diese Temperatur steht in direktem Zusammenhang mit . Das Spektrum dieser Strahlung stimmt mit dem Spektrum eines vollständig schwarzen Körpers überein, dh eines Körpers, der alle einfallende Strahlung absorbiert. Das Strahlungsspektrum eines Schwarzen Körpers hängt nur von seiner Temperatur ab, dann kann die Temperatur eines Schwarzen Lochs aus dem Hawking-Strahlungsspektrum bestimmt werden. Wie oben erwähnt, ist diese Strahlung umso stärker, je kleiner das Schwarze Loch ist. Gleichzeitig bleibt die Hawking-Strahlung hypothetisch, da sie von Astronomen noch nicht beobachtet wurde. Daraus folgt, dass bei Vorhandensein von Hawking-Strahlung die Temperatur der beobachteten BHs so niedrig ist, dass die angezeigte Strahlung nicht nachgewiesen werden kann. Berechnungen zufolge ist sogar die Temperatur eines Lochs mit einer Masse in der Größenordnung der Sonnenmasse vernachlässigbar klein (1 ·10 -7 K oder -272 °C). Die Temperatur von Quantenschwarzen Löchern kann etwa 10 12 K erreichen, und mit ihrer schnellen Verdampfung (etwa 1,5 Minuten) können solche Schwarzen Löcher Energie in der Größenordnung von zehn Millionen Atombomben emittieren. Aber glücklicherweise wird die Erschaffung solcher hypothetischer Objekte 10 14 mal mehr Energie erfordern als die, die heute am Large Hadron Collider erreicht wird. Darüber hinaus wurden solche Phänomene noch nie von Astronomen beobachtet.

Woraus besteht eine CHD?

Eine andere Frage beunruhigt sowohl Wissenschaftler als auch diejenigen, die sich einfach für Astrophysik interessieren: Woraus besteht ein Schwarzes Loch? Auf diese Frage gibt es keine einheitliche Antwort, da es nicht möglich ist, über den Ereignishorizont hinauszublicken, der ein Schwarzes Loch umgibt. Darüber hinaus sehen die theoretischen Modelle eines Schwarzen Lochs, wie bereits erwähnt, nur drei seiner Komponenten vor: die Ergosphäre, den Ereignishorizont und die Singularität. Es ist logisch anzunehmen, dass es in der Ergosphäre nur die Objekte gibt, die vom Schwarzen Loch angezogen wurden und sich nun um es drehen - verschiedene Arten von kosmischen Körpern und kosmischem Gas. Der Ereignishorizont ist nur eine dünne implizite Grenze, hinter der dieselben kosmischen Körper unwiderruflich von der letzten Hauptkomponente des Schwarzen Lochs angezogen werden – der Singularität. Die Natur der Singularität wurde bis heute nicht untersucht, und es ist zu früh, um über ihre Zusammensetzung zu sprechen.

Nach einigen Annahmen könnte ein Schwarzes Loch aus Neutronen bestehen. Wenn wir das Szenario des Auftretens eines Schwarzen Lochs als Folge der Kompression eines Sterns zu einem Neutronenstern mit anschließender Kompression verfolgen, besteht der Hauptteil des Schwarzen Lochs wahrscheinlich aus Neutronen, aus denen der Neutronenstern besteht selbst besteht. Vereinfacht gesagt: Wenn ein Stern kollabiert, werden seine Atome so komprimiert, dass sich Elektronen mit Protonen zu Neutronen verbinden. Eine solche Reaktion findet tatsächlich in der Natur statt, bei der Bildung eines Neutrons kommt es zur Neutrino-Emission. Dies sind jedoch nur Vermutungen.

Was passiert, wenn man in ein Schwarzes Loch fällt?

Der Sturz in ein astrophysikalisches Schwarzes Loch führt zu einer Dehnung des Körpers. Stellen Sie sich einen hypothetischen Selbstmord-Astronauten vor, der mit nichts als einem Raumanzug bekleidet und mit den Füßen voran in ein Schwarzes Loch fliegt. Beim Überqueren des Ereignishorizonts wird der Astronaut keine Veränderungen bemerken, obwohl er keine Möglichkeit mehr hat, zurückzukehren. Irgendwann erreicht der Astronaut einen Punkt (etwas hinter dem Ereignishorizont), an dem die Verformung seines Körpers beginnt. Da das Gravitationsfeld eines Schwarzen Lochs ungleichmäßig ist und sich durch einen zum Zentrum hin zunehmenden Kraftgradienten darstellt, werden die Beine des Astronauten einer deutlich stärkeren Gravitationswirkung ausgesetzt als beispielsweise der Kopf. Dann „fallen“ die Beine aufgrund der Schwerkraft bzw. der Gezeitenkräfte schneller. So beginnt sich der Körper allmählich in der Länge zu dehnen. Um dieses Phänomen zu beschreiben, haben sich Astrophysiker einen ziemlich kreativen Begriff ausgedacht - Spaghettifizierung. Eine weitere Dehnung des Körpers wird ihn wahrscheinlich in Atome zerlegen, die früher oder später eine Singularität erreichen werden. Man kann nur vermuten, was eine Person in dieser Situation fühlen wird. Es ist erwähnenswert, dass der Effekt der Dehnung des Körpers umgekehrt proportional zur Masse des Schwarzen Lochs ist. Das heißt, wenn ein BH mit der Masse von drei Sonnen den Körper sofort dehnt / bricht, dann hat das supermassereiche Schwarze Loch geringere Gezeitenkräfte, und es gibt Hinweise darauf, dass einige physikalische Materialien eine solche Verformung „tolerieren“ könnten, ohne ihre Struktur zu verlieren.

Wie Sie wissen, vergeht die Zeit in der Nähe massiver Objekte langsamer, was bedeutet, dass die Zeit für einen Selbstmordastronauten viel langsamer vergeht als für Erdbewohner. In diesem Fall überlebt er vielleicht nicht nur seine Freunde, sondern die Erde selbst. Es sind Berechnungen erforderlich, um zu bestimmen, wie viel Zeit sich ein Astronaut verlangsamen wird. Aus dem oben Gesagten kann jedoch davon ausgegangen werden, dass der Astronaut sehr langsam in das Schwarze Loch fällt und den Moment, in dem sein Körper beginnt, möglicherweise einfach nicht mehr erlebt zu verformen.

Es ist bemerkenswert, dass für einen Beobachter von außen alle Körper, die zum Ereignishorizont geflogen sind, am Rand dieses Horizonts verbleiben werden, bis ihr Bild verschwindet. Der Grund für dieses Phänomen ist die gravitative Rotverschiebung. Etwas vereinfacht können wir sagen, dass das Licht, das auf den Körper eines am Ereignishorizont "eingefrorenen" Selbstmordastronauten fällt, aufgrund seiner verlangsamten Zeit seine Frequenz ändert. Wenn die Zeit langsamer vergeht, nimmt die Lichtfrequenz ab und die Wellenlänge zu. Als Ergebnis dieses Phänomens verschiebt sich das Licht am Ausgang, dh für einen externen Beobachter, allmählich in Richtung Niederfrequenz - Rot. Eine Verschiebung des Lichts entlang des Spektrums wird stattfinden, da sich der Selbstmordastronaut immer weiter vom Beobachter entfernt, wenn auch fast unmerklich, und seine Zeit immer langsamer vergeht. Somit wird das von seinem Körper reflektierte Licht bald über das sichtbare Spektrum hinausgehen (das Bild wird verschwinden), und der Körper des Astronauten kann in Zukunft nur noch im Infrarotbereich, später im Hochfrequenzbereich, und infolgedessen erkannt werden die Strahlung wird völlig schwer fassbar sein.

Ungeachtet dessen, was oben geschrieben wurde, wird angenommen, dass sich in sehr großen supermassereichen Schwarzen Löchern die Gezeitenkräfte nicht so stark mit der Entfernung ändern und fast gleichmäßig auf den fallenden Körper einwirken. In einem solchen Fall würde das fallende Raumfahrzeug seine Struktur beibehalten. Es stellt sich eine vernünftige Frage: Wohin führt ein Schwarzes Loch? Diese Frage kann durch die Arbeit einiger Wissenschaftler beantwortet werden, die zwei solche Phänomene wie Wurmlöcher und Schwarze Löcher miteinander verbinden.

Bereits 1935 stellten Albert Einstein und Nathan Rosen unter Berücksichtigung einer Hypothese über die Existenz sogenannter Wurmlöcher auf, die zwei Punkte der Raumzeit an Stellen mit erheblicher Krümmung der letzteren - der Einstein-Rosen-Brücke - verbinden oder Wurmloch. Für eine so starke Raumkrümmung werden Körper mit einer gigantischen Masse benötigt, mit deren Rolle Schwarze Löcher perfekt zurechtkommen würden.

Die Einstein-Rosen-Brücke gilt als undurchdringliches Wurmloch, da sie klein und instabil ist.

Ein durchquerbares Wurmloch ist innerhalb der Theorie der Schwarzen und Weißen Löcher möglich. Wobei das weiße Loch die Ausgabe von Informationen ist, die in das schwarze Loch gefallen sind. Das Weiße Loch wird im Rahmen der Allgemeinen Relativitätstheorie beschrieben, aber heute bleibt es hypothetisch und wurde nicht entdeckt. Ein weiteres Modell eines Wurmlochs wurde von den amerikanischen Wissenschaftlern Kip Thorne und seinem Doktoranden Mike Morris vorgeschlagen, das passierbar sein kann. Wie im Fall des Morris-Thorne-Wurmlochs setzt die Reisemöglichkeit jedoch auch bei Schwarzen und Weißen Löchern die Existenz sogenannter exotischer Materie voraus, die negative Energie hat und ebenfalls hypothetisch bleibt.

Schwarze Löcher im Universum

Die Existenz von Schwarzen Löchern wurde erst vor relativ kurzer Zeit bestätigt (September 2015), aber vor dieser Zeit gab es bereits viel theoretisches Material über die Natur von Schwarzen Löchern sowie viele Kandidatenobjekte für die Rolle eines Schwarzen Lochs. Zuallererst sollte man die Dimensionen des Schwarzen Lochs berücksichtigen, da die Natur des Phänomens von ihnen abhängt:

• Schwarzes Loch mit stellarer Masse. Solche Objekte entstehen durch den Kollaps eines Sterns. Wie bereits erwähnt, beträgt die Mindestmasse eines Körpers, der ein solches Schwarzes Loch bilden kann, 2,5 - 3 Sonnenmassen.
• Schwarze Löcher mittlerer Masse. Ein bedingter Zwischentyp von Schwarzen Löchern, die durch die Absorption nahegelegener Objekte wie Gasansammlungen, eines benachbarten Sterns (in Systemen mit zwei Sternen) und anderer kosmischer Körper zugenommen haben.
• Supermassives Schwarzes Loch. Kompakte Objekte mit 10 5 -10 10 Sonnenmassen. Charakteristische Eigenschaften solcher BHs sind paradoxerweise geringe Dichte sowie schwache Gezeitenkräfte, die zuvor diskutiert wurden. Es ist dieses supermassive Schwarze Loch im Zentrum unserer Milchstraße (Sagittarius A*, Sgr A*) sowie der meisten anderen Galaxien.

Kandidaten für CHD

Das nächste Schwarze Loch, oder besser gesagt ein Kandidat für die Rolle eines Schwarzen Lochs, ist ein Objekt (V616 Unicorn), das sich in einer Entfernung von 3000 Lichtjahren von der Sonne (in unserer Galaxie) befindet. Es besteht aus zwei Komponenten: einem Stern mit einer Masse der halben Sonnenmasse sowie einem unsichtbaren kleinen Körper, dessen Masse 3 - 5 Sonnenmassen beträgt. Wenn sich herausstellt, dass dieses Objekt ein kleines Schwarzes Loch mit Sternmasse ist, dann ist es mit Recht das nächste Schwarze Loch.

Nach diesem Objekt ist das zweitnächste Schwarze Loch Cyg X-1 (Cyg X-1), das der erste Kandidat für die Rolle eines Schwarzen Lochs war. Die Entfernung zu ihm beträgt ungefähr 6070 Lichtjahre. Ziemlich gut untersucht: Er hat eine Masse von 14,8 Sonnenmassen und einen Ereignishorizontradius von etwa 26 km.

Laut einigen Quellen könnte ein weiterer naheliegender Kandidat für die Rolle eines Schwarzen Lochs ein Körper im Sternensystem V4641 Sagittarii (V4641 Sgr) sein, der sich nach Schätzungen von 1999 in einer Entfernung von 1600 Lichtjahren befand. Spätere Studien erhöhten diesen Abstand jedoch um mindestens das 15-fache.

Wie viele Schwarze Löcher gibt es in unserer Galaxie?

Es gibt keine genaue Antwort auf diese Frage, da es ziemlich schwierig ist, sie zu beobachten, und während der gesamten Untersuchung des Himmels gelang es den Wissenschaftlern, etwa ein Dutzend Schwarze Löcher in der Milchstraße zu entdecken. Ohne uns auf Berechnungen einzulassen, stellen wir fest, dass es in unserer Galaxie etwa 100 bis 400 Milliarden Sterne gibt und etwa jeder tausendste Stern genug Masse hat, um ein Schwarzes Loch zu bilden. Es ist wahrscheinlich, dass sich während der Existenz der Milchstraße Millionen von Schwarzen Löchern gebildet haben könnten. Da es einfacher ist, riesige Schwarze Löcher zu registrieren, ist es logisch anzunehmen, dass die meisten BHs in unserer Galaxie nicht supermassereich sind. Es ist bemerkenswert, dass die NASA-Forschung im Jahr 2005 auf die Anwesenheit eines ganzen Schwarms schwarzer Löcher (10-20.000) hinweist, die das Zentrum der Galaxie umkreisen. Darüber hinaus entdeckten japanische Astrophysiker 2016 einen massiven Satelliten in der Nähe des Objekts * - ein Schwarzes Loch, den Kern der Milchstraße. Aufgrund des kleinen Radius (0,15 Lichtjahre) dieses Körpers sowie seiner enormen Masse (100.000 Sonnenmassen) vermuten Wissenschaftler, dass dieses Objekt auch ein supermassereiches Schwarzes Loch ist.

Der Kern unserer Galaxie, das Schwarze Loch der Milchstraße (Sagittarius A *, Sgr A * oder Sagittarius A *) ist supermassereich und hat eine Masse von 4,31 10 6 Sonnenmassen und einen Radius von 0,00071 Lichtjahren (6,25 Lichtstunden). oder 6,75 Milliarden km). Die Temperatur von Sagittarius A* zusammen mit dem ihn umgebenden Haufen beträgt etwa 1 10 7 K.

Das größte Schwarze Loch

Das größte Schwarze Loch im Universum, das Wissenschaftler nachweisen konnten, ist ein supermassereiches Schwarzes Loch, der FSRQ-Blazar, im Zentrum der Galaxie S5 0014+81, in einer Entfernung von 1,2·10 10 Lichtjahren von der Erde. Nach vorläufigen Beobachtungsergebnissen mit dem Swift-Weltraumobservatorium betrug die Masse des Schwarzen Lochs 40 Milliarden (40 10 9) Sonnenmassen und der Schwarzschild-Radius eines solchen Lochs 118,35 Milliarden Kilometer (0,013 Lichtjahre). Berechnungen zufolge entstand er zudem vor 12,1 Milliarden Jahren (1,6 Milliarden Jahre nach dem Urknall). Wenn dieses riesige Schwarze Loch die ihn umgebende Materie nicht absorbiert, wird es die Ära der Schwarzen Löcher erleben - eine der Epochen in der Entwicklung des Universums, in der Schwarze Löcher darin dominieren werden. Wenn der Kern der Galaxie S5 0014+81 weiter wächst, wird er zu einem der letzten Schwarzen Löcher im Universum.

Die beiden anderen bekannten Schwarzen Löcher, obwohl nicht benannt, sind von größter Bedeutung für das Studium der Schwarzen Löcher, da sie ihre Existenz experimentell bestätigten und auch wichtige Ergebnisse für das Studium der Gravitation lieferten. Wir sprechen über das Ereignis GW150914, das die Kollision von zwei Schwarzen Löchern in einem genannt wird. Diese Veranstaltung darf sich registrieren .

Nachweis von Schwarzen Löchern

Bevor man Methoden zum Nachweis von Schwarzen Löchern betrachtet, sollte man die Frage beantworten: Warum ist ein Schwarzes Loch schwarz? - die Antwort darauf erfordert keine tiefen Kenntnisse in Astrophysik und Kosmologie. Tatsache ist, dass ein Schwarzes Loch die gesamte darauf fallende Strahlung absorbiert und überhaupt nicht strahlt, wenn Sie die Hypothese nicht berücksichtigen. Betrachtet man dieses Phänomen genauer, so kann man davon ausgehen, dass es im Inneren von Schwarzen Löchern keine Prozesse gibt, die zur Freisetzung von Energie in Form von elektromagnetischer Strahlung führen. Wenn das Schwarze Loch dann strahlt, dann liegt es im Hawking-Spektrum (das mit dem Spektrum eines erhitzten, absolut schwarzen Körpers zusammenfällt). Wie bereits erwähnt, wurde diese Strahlung jedoch nicht nachgewiesen, was auf eine völlig niedrige Temperatur von Schwarzen Löchern hindeutet.

Eine andere allgemein akzeptierte Theorie besagt, dass elektromagnetische Strahlung überhaupt nicht in der Lage ist, den Ereignishorizont zu verlassen. Photonen (Lichtteilchen) werden höchstwahrscheinlich nicht von massiven Objekten angezogen, da sie laut Theorie selbst keine Masse haben. Das Schwarze Loch "zieht" jedoch immer noch die Lichtphotonen durch die Verzerrung der Raumzeit an. Wenn wir uns ein Schwarzes Loch im Weltraum als eine Art Vertiefung auf der glatten Oberfläche der Raumzeit vorstellen, dann gibt es einen bestimmten Abstand vom Zentrum des Schwarzen Lochs, in dessen Nähe sich das Licht nicht mehr entfernen kann . Das heißt, grob gesagt beginnt das Licht in die "Grube" zu "fallen", die nicht einmal einen "Boden" hat.

Darüber hinaus ist es aufgrund des Effekts der gravitativen Rotverschiebung möglich, dass Licht in einem Schwarzen Loch seine Frequenz verliert und sich entlang des Spektrums in den Bereich niederfrequenter langwelliger Strahlung verschiebt, bis es vollständig an Energie verliert.

Ein Schwarzes Loch ist also schwarz und daher im Weltraum schwer zu erkennen.

Nachweisverfahren

Betrachten Sie die Methoden, die Astronomen verwenden, um ein Schwarzes Loch zu entdecken:

Zusätzlich zu den oben genannten Methoden assoziieren Wissenschaftler häufig Objekte wie Schwarze Löcher und. Quasare sind einige Ansammlungen von kosmischen Körpern und Gas, die zu den hellsten astronomischen Objekten im Universum gehören. Da sie bei relativ kleinen Größen eine hohe Lumineszenzintensität aufweisen, gibt es Grund zu der Annahme, dass das Zentrum dieser Objekte ein supermassereiches Schwarzes Loch ist, das die umgebende Materie an sich zieht. Aufgrund einer so starken Gravitationsanziehung wird die angezogene Materie so erhitzt, dass sie intensiv strahlt. Die Detektion solcher Objekte wird üblicherweise mit der Detektion eines Schwarzen Lochs verglichen. Manchmal können Quasare Strahlen aus erhitztem Plasma in zwei Richtungen ausstrahlen - relativistische Strahlen. Die Gründe für die Entstehung solcher Jets (Jet) sind nicht ganz klar, aber sie werden wahrscheinlich durch die Wechselwirkung der Magnetfelder der BH und der Akkretionsscheibe verursacht und nicht von einem direkten Schwarzen Loch emittiert.

Ein Jet in der M87-Galaxie, der aus dem Zentrum eines Schwarzen Lochs einschlägt

Zusammenfassend kann man sich aus der Nähe vorstellen: Es ist ein kugelförmiges schwarzes Objekt, um das sich stark erhitzte Materie dreht und eine leuchtende Akkretionsscheibe bildet.

Verschmelzende und kollidierende Schwarze Löcher

Eines der interessantesten Phänomene in der Astrophysik ist die Kollision von Schwarzen Löchern, die es auch ermöglicht, solch massive astronomische Körper zu entdecken. Solche Prozesse sind nicht nur für Astrophysiker interessant, da sie zu von Physikern schlecht untersuchten Phänomenen führen. Das deutlichste Beispiel ist das zuvor erwähnte Ereignis namens GW150914, als sich zwei Schwarze Löcher so sehr näherten, dass sie aufgrund gegenseitiger Anziehungskraft zu einem verschmolzen. Eine wichtige Folge dieser Kollision war die Entstehung von Gravitationswellen.

Nach der Definition von Gravitationswellen sind dies Änderungen des Gravitationsfeldes, die sich von massiven bewegten Objekten wellenartig ausbreiten. Nähern sich zwei solcher Objekte einander an, beginnen sie sich um einen gemeinsamen Schwerpunkt zu drehen. Bei Annäherung aneinander nimmt die Rotation um die eigene Achse zu. Solche variablen Schwingungen des Gravitationsfeldes können irgendwann eine mächtige Gravitationswelle bilden, die sich über Millionen von Lichtjahren im Weltraum ausbreiten kann. So kam es in einer Entfernung von 1,3 Milliarden Lichtjahren zu einer Kollision zweier Schwarzer Löcher, die eine starke Gravitationswelle bildeten, die am 14. September 2015 die Erde erreichte und von den Detektoren LIGO und VIRGO aufgezeichnet wurde.

Wie sterben Schwarze Löcher?

Damit ein Schwarzes Loch nicht mehr existiert, müsste es offensichtlich seine gesamte Masse verlieren. Doch nach ihrer Definition kann nichts das Schwarze Loch verlassen, wenn es seinen Ereignishorizont überschritten hat. Es ist bekannt, dass der sowjetische theoretische Physiker Vladimir Gribov in seiner Diskussion mit einem anderen sowjetischen Wissenschaftler Yakov Zeldovich zum ersten Mal die Möglichkeit der Emission von Teilchen durch ein Schwarzes Loch erwähnte. Er argumentierte, dass ein Schwarzes Loch aus quantenmechanischer Sicht in der Lage sei, Teilchen durch einen Tunneleffekt zu emittieren. Später baute er mit Hilfe der Quantenmechanik eine eigene, etwas andere Theorie auf, der englische theoretische Physiker Stephen Hawking. Sie können mehr über dieses Phänomen lesen. Kurz gesagt, es gibt sogenannte virtuelle Teilchen im Vakuum, die ständig paarweise geboren werden und sich gegenseitig vernichten, ohne mit der Außenwelt zu interagieren. Aber wenn solche Paare am Ereignishorizont des Schwarzen Lochs entstehen, dann ist die starke Schwerkraft hypothetisch in der Lage, sie zu trennen, wobei ein Teilchen in das Schwarze Loch fällt und das andere sich vom Schwarzen Loch entfernt. Und da ein Teilchen, das von einem Loch weggeflogen ist, beobachtet werden kann und daher positive Energie hat, muss ein Teilchen, das in ein Loch gefallen ist, negative Energie haben. Somit verliert das Schwarze Loch seine Energie und es tritt ein Effekt auf, der als Schwarzes-Loch-Verdunstung bezeichnet wird.

Gemäß den verfügbaren Modellen eines Schwarzen Lochs wird, wie bereits erwähnt, seine Strahlung intensiver, wenn seine Masse abnimmt. Dann, im Endstadium der Existenz eines Schwarzen Lochs, wenn es auf die Größe eines Quantenschwarzen Lochs reduziert werden kann, wird es eine riesige Menge an Energie in Form von Strahlung freisetzen, die Tausenden oder sogar Tausenden entsprechen kann Millionen Atombomben. Dieses Ereignis erinnert ein wenig an die Explosion eines Schwarzen Lochs, wie dieselbe Bombe. Berechnungen zufolge könnten durch den Urknall urzeitliche Schwarze Löcher entstanden sein, deren Masse in der Größenordnung von 10 12 kg ungefähr in unserer Zeit verdampft und explodiert sein müsste. Wie dem auch sei, solche Explosionen wurden von Astronomen noch nie beobachtet.

Trotz des von Hawking vorgeschlagenen Mechanismus zur Zerstörung von Schwarzen Löchern verursachen die Eigenschaften der Hawking-Strahlung ein Paradoxon im Rahmen der Quantenmechanik. Wenn ein Schwarzes Loch einen Körper absorbiert und dann die Masse verliert, die sich aus der Absorption dieses Körpers ergibt, dann wird sich das Schwarze Loch unabhängig von der Natur des Körpers nicht von dem unterscheiden, was es vor der Absorption des Körpers war. In diesem Fall gehen Informationen über den Körper für immer verloren. Aus Sicht theoretischer Berechnungen entspricht die Umwandlung des anfänglich reinen Zustands in den resultierenden gemischten („thermischen“) Zustand nicht der gängigen Theorie der Quantenmechanik. Dieses Paradoxon wird manchmal als das Verschwinden von Informationen in einem Schwarzen Loch bezeichnet. Eine wirkliche Lösung für dieses Paradoxon wurde nie gefunden. Bekannte Möglichkeiten zur Lösung des Paradoxons:

• Widersprüchlichkeit von Hawkings Theorie. Dies beinhaltet die Unmöglichkeit, das Schwarze Loch und sein ständiges Wachstum zu zerstören.
• Das Vorhandensein von weißen Löchern. In diesem Fall verschwinden die aufgenommenen Informationen nicht, sondern werden einfach in ein anderes Universum geworfen.
• Widersprüchlichkeit der allgemein akzeptierten Theorie der Quantenmechanik.

Ungelöstes Problem der Physik von Schwarzen Löchern

Nach allem zu urteilen, was zuvor beschrieben wurde, weisen Schwarze Löcher, obwohl sie seit relativ langer Zeit untersucht werden, immer noch viele Merkmale auf, deren Mechanismen den Wissenschaftlern noch nicht bekannt sind.

• 1970 formulierte ein englischer Wissenschaftler das sogenannte. "Prinzip der kosmischen Zensur" - "Die Natur verabscheut die bloße Singularität." Das bedeutet, dass die Singularität nur an Orten gebildet wird, die nicht sichtbar sind, wie im Zentrum eines Schwarzen Lochs. Bewiesen ist dieses Prinzip allerdings noch nicht. Es gibt auch theoretische Berechnungen, nach denen eine "nackte" Singularität auftreten kann.
• Auch das „No-Hair-Theorem“, wonach Schwarze Löcher nur drei Parameter haben, ist nicht bewiesen.
• Eine vollständige Theorie der Magnetosphäre des Schwarzen Lochs wurde nicht entwickelt.
• Die Natur und Physik der gravitativen Singularität wurde nicht untersucht.
• Es ist nicht sicher bekannt, was im Endstadium der Existenz eines Schwarzen Lochs passiert und was nach seinem Quantenzerfall übrig bleibt.

Interessante Fakten über Schwarze Löcher

Zusammenfassend können wir einige interessante und ungewöhnliche Merkmale der Natur von Schwarzen Löchern hervorheben:

• Schwarze Löcher haben nur drei Parameter: Masse, elektrische Ladung und Drehimpuls. Aufgrund dieser geringen Anzahl von Eigenschaften dieses Körpers wird der Satz, der dies besagt, als "No-Hair-Theorem" bezeichnet. Daher stammt auch der Ausdruck „ein Schwarzes Loch hat keine Haare“, was bedeutet, dass zwei Schwarze Löcher absolut identisch sind, ihre drei genannten Parameter sind gleich.
• Die Dichte von Schwarzen Löchern kann geringer sein als die Dichte von Luft, und die Temperatur liegt nahe am absoluten Nullpunkt. Daraus können wir annehmen, dass die Bildung eines Schwarzen Lochs nicht durch die Verdichtung von Materie zustande kommt, sondern durch die Ansammlung einer großen Menge Materie in einem bestimmten Volumen.
• Die Zeit für Körper, die von Schwarzen Löchern absorbiert werden, vergeht viel langsamer als für einen externen Beobachter. Darüber hinaus werden die absorbierten Körper innerhalb des Schwarzen Lochs erheblich gestreckt, was von Wissenschaftlern als Spagettifikation bezeichnet wird.
• Es könnte ungefähr eine Million Schwarze Löcher in unserer Galaxie geben.
• Wahrscheinlich befindet sich im Zentrum jeder Galaxie ein supermassereiches Schwarzes Loch.
• In Zukunft wird das Universum nach dem theoretischen Modell die sogenannte Ära der Schwarzen Löcher erreichen, wenn Schwarze Löcher die dominierenden Körper im Universum werden.

Das Konzept eines Schwarzen Lochs ist jedem bekannt - von Schulkindern bis zu älteren Menschen wird es in der Science- und Fiction-Literatur, in den gelben Medien und auf wissenschaftlichen Konferenzen verwendet. Aber nicht jeder weiß, was genau diese Löcher sind.

Aus der Geschichte der Schwarzen Löcher

1783 Die erste Hypothese für die Existenz eines solchen Phänomens wie eines Schwarzen Lochs wurde 1783 vom englischen Wissenschaftler John Michell aufgestellt. In seiner Theorie kombinierte er zwei Kreationen von Newton - Optik und Mechanik. Michells Idee war folgende: Wenn Licht ein Strom winziger Teilchen ist, dann sollten Teilchen wie alle anderen Körper die Anziehungskraft eines Gravitationsfeldes erfahren. Es stellt sich heraus, dass es für das Licht umso schwieriger ist, seiner Anziehungskraft zu widerstehen, je massereicher der Stern ist. 13 Jahre nach Michell stellte der französische Astronom und Mathematiker Laplace (höchstwahrscheinlich unabhängig von seinem britischen Kollegen) eine ähnliche Theorie auf.

1915 Alle ihre Werke blieben jedoch bis Anfang des 20. Jahrhunderts unbeansprucht. 1915 veröffentlichte Albert Einstein die Allgemeine Relativitätstheorie und zeigte, dass die Schwerkraft eine durch Materie verursachte Krümmung der Raumzeit ist, und einige Monate später verwendete der deutsche Astronom und theoretische Physiker Karl Schwarzschild sie, um ein bestimmtes astronomisches Problem zu lösen. Er erforschte die Struktur der gekrümmten Raumzeit um die Sonne und entdeckte das Phänomen der Schwarzen Löcher wieder.

(John Wheeler prägte den Begriff „Schwarze Löcher“)

1967 Der amerikanische Physiker John Wheeler skizzierte einen Raum, der sich wie ein Blatt Papier zu einem unendlich kleinen Punkt zerknüllen lässt und bezeichnete ihn als „Schwarzes Loch“.

1974 Der britische Physiker Stephen Hawking hat bewiesen, dass Schwarze Löcher, obwohl sie Materie ohne Wiederkehr verschlucken, Strahlung abgeben und schließlich verdampfen können. Dieses Phänomen wird „Hawking-Strahlung“ genannt.

2013 Die neueste Forschung zu Pulsaren und Quasaren sowie die Entdeckung der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung haben es endlich ermöglicht, das Konzept der Schwarzen Löcher selbst zu beschreiben. Im Jahr 2013 kam die Gaswolke G2 dem Schwarzen Loch sehr nahe und wird wahrscheinlich von ihm absorbiert. Die Beobachtung des einzigartigen Prozesses bietet großartige Möglichkeiten für neue Entdeckungen der Merkmale von Schwarzen Löchern.

(Massives Objekt Schütze A *, seine Masse ist 4 Millionen Mal größer als die der Sonne, was einen Sternenhaufen und die Bildung eines Schwarzen Lochs impliziert)

2017. Eine Gruppe von Wissenschaftlern der Event Horizon Telescope-Kollaboration mehrerer Länder, die acht Teleskope von verschiedenen Punkten der Erdkontinente miteinander verband, führte Beobachtungen eines schwarzen Lochs durch, das ein supermassereiches Objekt ist und sich in der M87-Galaxie im Sternbild Jungfrau befindet. Die Masse des Objekts beträgt 6,5 Milliarden (!) Sonnenmassen, gigantisch mal größer als das massereiche Objekt Sagittarius A*, zum Vergleich, der Durchmesser ist etwas geringer als die Entfernung von Sonne zu Pluto.

Die Beobachtungen wurden in mehreren Phasen durchgeführt, beginnend im Frühjahr 2017 und in den Zeiträumen von 2018. Die Menge an Informationen wurde in Petabyte berechnet, die dann entschlüsselt und ein echtes Bild eines ultra-entfernten Objekts erhalten werden musste. Daher dauerte es noch zwei ganze Jahre, um alle Daten vorzuscannen und zu einem Ganzen zusammenzufügen.

2019 Die Daten wurden erfolgreich entschlüsselt und sichtbar gemacht, wodurch das allererste Bild eines Schwarzen Lochs entstand.

(Das erste Bild eines Schwarzen Lochs in der M87-Galaxie im Sternbild Jungfrau)

Die Bildauflösung ermöglicht es Ihnen, den Schatten des Point of No Return in der Mitte des Objekts zu sehen. Das Bild wurde als Ergebnis interferometrischer Beobachtungen mit einer extra langen Basislinie erhalten. Dies sind die sogenannten synchronen Beobachtungen eines Objekts von mehreren Radioteleskopen, die durch ein Netzwerk miteinander verbunden sind und sich in verschiedenen Teilen der Erde befinden und in eine Richtung gerichtet sind.

Was sind eigentlich Schwarze Löcher?

Eine lakonische Erklärung des Phänomens klingt so.

Ein Schwarzes Loch ist eine Raum-Zeit-Region, deren Anziehungskraft so stark ist, dass kein Objekt, einschließlich Lichtquanten, sie verlassen kann.

Ein Schwarzes Loch war einst ein massiver Stern. Solange thermonukleare Reaktionen den hohen Druck in seinen Eingeweiden aufrechterhalten, bleibt alles normal. Doch mit der Zeit erschöpft sich der Energievorrat und der Himmelskörper beginnt unter dem Einfluss seiner eigenen Schwerkraft zu schrumpfen. Das letzte Stadium dieses Prozesses ist der Kollaps des Sternkerns und die Bildung eines Schwarzen Lochs.

• 1. Ausstoß eines Strahls eines Schwarzen Lochs mit hoher Geschwindigkeit


• 2. Eine Materiescheibe wächst zu einem Schwarzen Loch heran


• 3. Schwarzes Loch


• 4. Detailliertes Schema der Region des Schwarzen Lochs


• 5. Größe der gefundenen neuen Beobachtungen

Die gängigste Theorie besagt, dass es ähnliche Phänomene in jeder Galaxie gibt, auch im Zentrum unserer Milchstraße. Die enorme Schwerkraft des Lochs kann mehrere Galaxien um sich herum halten und verhindern, dass sie sich voneinander entfernen. Der "Abdeckungsbereich" kann unterschiedlich sein, alles hängt von der Masse des Sterns ab, der sich in ein Schwarzes Loch verwandelt hat, und kann Tausende von Lichtjahren betragen.

Schwarzschild-Radius

Die Haupteigenschaft eines Schwarzen Lochs ist, dass jegliche Materie, die in es eindringt, niemals zurückkehren kann. Gleiches gilt für Licht. Löcher sind im Kern Körper, die alles Licht, das auf sie fällt, vollständig absorbieren und kein eigenes abgeben. Solche Objekte können visuell als Klumpen absoluter Dunkelheit erscheinen.

• 1. Materie mit halber Lichtgeschwindigkeit bewegen


• 2. Photonenring


• 3. Innerer Photonenring


• 4. Der Ereignishorizont in einem Schwarzen Loch

Basierend auf Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie kann ein Körper, wenn er sich einer kritischen Entfernung vom Zentrum des Lochs nähert, nicht mehr zurückkehren. Dieser Abstand wird als Schwarzschild-Radius bezeichnet. Was genau in diesem Radius passiert, ist nicht sicher bekannt, aber es gibt die gängigste Theorie. Es wird angenommen, dass die gesamte Materie eines Schwarzen Lochs in einem unendlich kleinen Punkt konzentriert ist und sich in seinem Zentrum ein Objekt mit unendlicher Dichte befindet, das Wissenschaftler als singuläre Störung bezeichnen.

Wie fällt es in ein schwarzes Loch?

(Auf dem Bild sieht das Schwarze Loch von Sagittarius A * aus wie ein extrem heller Lichthaufen)

Vor nicht allzu langer Zeit, im Jahr 2011, entdeckten Wissenschaftler eine Gaswolke mit dem einfachen Namen G2, die ungewöhnliches Licht aussendet. Ein solches Leuchten kann Reibung in Gas und Staub verursachen, die durch die Wirkung des Schwarzen Lochs Sagittarius A * verursacht werden und sich in Form einer Akkretionsscheibe um es drehen. So werden wir zu Beobachtern des erstaunlichen Phänomens der Absorption einer Gaswolke durch ein supermassereiches Schwarzes Loch.

Jüngsten Studien zufolge wird die größte Annäherung an ein Schwarzes Loch im März 2014 stattfinden. Wir können uns ein Bild davon machen, wie dieses aufregende Spektakel ablaufen wird.

• 1. Wenn sie zum ersten Mal in den Daten erscheint, ähnelt eine Gaswolke einem riesigen Ball aus Gas und Staub.


• 2. Jetzt, im Juni 2013, ist die Wolke mehrere zehn Milliarden Kilometer vom Schwarzen Loch entfernt. Es fällt mit einer Geschwindigkeit von 2500 km / s hinein.


• 3. Es wird erwartet, dass die Wolke das Schwarze Loch passiert, aber die Gezeitenkräfte, die durch die unterschiedliche Anziehungskraft auf die Vorder- und Hinterkante der Wolke verursacht werden, werden dazu führen, dass sie immer länger wird.


• 4. Nachdem die Wolke aufgebrochen ist, wird sich der größte Teil höchstwahrscheinlich der Akkretionsscheibe um Sagittarius A* anschließen und darin Schockwellen erzeugen. Die Temperatur wird auf mehrere Millionen Grad steigen.


• 5. Ein Teil der Wolke wird direkt in das Schwarze Loch fallen. Niemand weiß genau, was mit dieser Substanz passieren wird, aber es wird erwartet, dass sie beim Fallen starke Strahlen von Röntgenstrahlen aussendet, und niemand sonst wird sie sehen.

Video: Schwarzes Loch verschluckt eine Gaswolke

(Computersimulation, wie viel von der G2-Gaswolke durch das Schwarze Loch Sagittarius A* zerstört und verbraucht wird)

Was ist in einem schwarzen loch

Es gibt eine Theorie, die besagt, dass ein Schwarzes Loch im Inneren praktisch leer ist und seine gesamte Masse auf einen unglaublich kleinen Punkt konzentriert ist, der sich genau in seinem Zentrum befindet - eine Singularität.

Nach einer anderen Theorie, die seit einem halben Jahrhundert besteht, geht alles, was in ein Schwarzes Loch fällt, in ein anderes Universum, das sich im Schwarzen Loch selbst befindet. Nun ist diese Theorie nicht die Haupttheorie.

Und es gibt eine dritte, modernste und hartnäckigste Theorie, wonach sich alles, was in ein Schwarzes Loch fällt, in den Schwingungen von Fäden auf seiner Oberfläche auflöst, die als Ereignishorizont bezeichnet wird.

Was ist also der Ereignishorizont? Selbst mit einem superstarken Teleskop ist es unmöglich, in ein Schwarzes Loch zu blicken, da selbst Licht, das in einen riesigen kosmischen Trichter eindringt, keine Chance hat, wieder herauszukommen. Alles, was irgendwie in Betracht gezogen werden kann, ist in seiner unmittelbaren Umgebung.

Der Ereignishorizont ist eine bedingte Linie der Oberfläche, unter der nichts (weder Gas, noch Staub, noch Sterne, noch Licht) entweichen kann. Und dies ist der sehr mysteriöse Punkt ohne Wiederkehr in den Schwarzen Löchern des Universums.

Astronomen der Ohio University gaben kürzlich bekannt, dass der ungewöhnliche Doppelkern in der Andromeda-Galaxie auf eine Ansammlung von Sternen zurückzuführen ist, die in elliptischen Bahnen um ein massives Objekt kreisen, höchstwahrscheinlich ein Schwarzes Loch. Solche Schlussfolgerungen wurden auf der Grundlage von Daten gezogen, die mit dem Hubble-Weltraumteleskop erhalten wurden. Der Doppelkern von Andromeda wurde erstmals in den 70er Jahren entdeckt, aber erst Mitte der 90er Jahre wurde die Theorie der Schwarzen Löcher aufgestellt.

Die Idee, dass Schwarze Löcher in den Kernen von Galaxien existieren, ist nicht neu.

Es gibt sogar allen Grund zu der Annahme, dass die Milchstraße – die Galaxie, zu der die Erde gehört – in ihrem Kern ein großes Schwarzes Loch hat, dessen Masse 3 Millionen Mal so groß ist wie die Masse der Sonne. Es ist jedoch einfacher, den Kern der Andromeda-Galaxie zu erkunden, der sich in einer Entfernung von 2 Millionen Lichtjahren von uns befindet, als den Kern unserer Galaxie, zu dem das Licht nur 30.000 Jahre zurücklegt - Sie können den Wald nicht sehen die Bäume.

Wissenschaftler simulieren Kollisionen von Schwarzen Löchern

Anwendung der numerischen Simulation auf Supercomputern zur Aufklärung der Natur und des Verhaltens von Schwarzen Löchern, Untersuchung von Gravitationswellen.

Erstmals simulierten Wissenschaftler des Instituts für Gravitationsphysik (Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik), auch bekannt als „Albert-Einstein-Institut“, in Holm, einem Vorort von Potsdam (Deutschland), die Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher. Der geplante Nachweis von Gravitationswellen, die von den beiden verschmelzenden Schwarzen Löchern ausgesandt werden, erfordert vollständige 3D-Simulationen auf Supercomputern.

Schwarze Löcher sind so dicht, dass sie überhaupt kein Licht reflektieren oder aussenden, weshalb sie so schwer zu entdecken sind. Wissenschaftler hoffen jedoch auf eine deutliche Veränderung in diesem Bereich in einigen Jahren.

Gravitationswellen, die buchstäblich den Weltraum ausfüllen, können zu Beginn des nächsten Jahrhunderts mit neuen Mitteln nachgewiesen werden.

Wissenschaftler unter der Leitung von Professor Ed Seidel (Dr. Ed Seidel) bereiten numerische Simulationen für solche Studien vor, die Beobachtern eine zuverlässige Möglichkeit bieten werden, von Schwarzen Löchern erzeugte Wellen zu erkennen. „Kollisionen von Schwarzen Löchern sind eine der Hauptquellen von Gravitationswellen“, sagte Professor Seidel, der in den letzten Jahren erfolgreich an der Modellierung von Gravitationswellen geforscht hat, die entstehen, wenn Schwarze Löcher bei direkten Kollisionen aufbrechen.

Die Wechselwirkung zweier spiralförmiger Schwarzer Löcher und ihre Verschmelzung ist jedoch häufiger als eine direkte Kollision und von größerer Bedeutung in der Astronomie. Solche tangentialen Kollisionen wurden erstmals von Bernd Brugmann am Albert-Einstein-Institut berechnet.

Allerdings konnte er damals mangels Rechenleistung so grundlegend wichtige Details wie die exakte Spur ausgesendeter Gravitationswellen nicht berechnen, die wichtige Informationen über das Verhalten von Schwarzen Löchern bei einer Kollision enthält. Brugman veröffentlichte die neuesten Ergebnisse im International Journal of Modern Physics.

In seinen ersten Berechnungen verwendete Brugman den Origin 2000-Server des Instituts, der 32 separate Prozessoren umfasst, die parallel laufen, mit einer Gesamtspitzenleistung von 3 Milliarden Operationen pro Sekunde. Und im Juni dieses Jahres arbeitete am National Center for Supercomputing Applications (NCSA) bereits ein internationales Team aus Brugmann, Seidel und anderen am wesentlich leistungsstärkeren 256-Prozessor-Supercomputer Origin 2000. Der Gruppe gehörten auch Wissenschaftler aus

Louis University (USA) und vom Forschungszentrum Konrad-Zuse-Zentrum in Berlin. Dieser Supercomputer lieferte die erste detaillierte Simulation der tangentialen Kollisionen von Schwarzen Löchern ungleicher Masse sowie ihrer Rotationen, die Brugmann zuvor erforscht hatte. Werner Benger vom Konrad-Zuse-Zentrum gelang es sogar, ein beeindruckendes Bild des Kollisionsvorgangs zu reproduzieren. Es wurde demonstriert, wie "schwarze Monster" mit Massen von einer bis zu mehreren hundert Millionen Sonnenmassen verschmolzen und Gravitationswellenausbrüche erzeugten, die bald mit speziellen Mitteln aufgezeichnet werden könnten.

Eines der wichtigsten Ergebnisse dieser Forschungsarbeit war die Entdeckung der enormen Energie, die bei der Kollision von Schwarzen Löchern in Form von Gravitationswellen ausgestrahlt wird. Wenn sich zwei Objekte mit Massen von 10 und 15 Sonnenmassen näher als 30 Meilen nähern und kollidieren, dann entspricht die Menge an Gravitationsenergie 1% ihrer Masse. "Das ist tausendmal mehr als die gesamte Energie, die unsere Sonne in den letzten fünf Milliarden Jahren freigesetzt hat." bemerkte Brugman. Da die meisten großen Kollisionen im Universum sehr weit von der Erde entfernt stattfinden, sollten die Signale sehr schwach werden, wenn sie den Boden treffen.

Weltweit wurde mit dem Bau mehrerer hochpräziser Detektoren begonnen.

Eines davon, gebaut vom Max-Planck-Institut im Rahmen des deutsch-britischen Projekts „Geo 600“, ist ein 0,7 Meilen langes Laser-Interferometer. Wissenschaftler hoffen, die Parameter der kurzen Gravitationsstörungen messen zu können, die auftreten, wenn Schwarze Löcher kollidieren, aber sie erwarten nur eine solche Kollision pro Jahr und in einer Entfernung von etwa 600 Millionen Lichtjahren. Computermodelle werden benötigt, um Beobachtern verlässliche Informationen über die Detektion von Wellen zu liefern, die von Schwarzen Löchern erzeugt werden. Dank verbesserter Supercomputer-Simulationsfähigkeiten stehen Wissenschaftler an der Schwelle zu einer neuen Art von Experimentalphysik.

Astronomen sagen, sie kennen die Lage von vielen tausend Schwarzen Löchern, aber wir sind nicht in der Lage, auf der Erde Experimente mit ihnen durchzuführen. „Nur in einem Fall werden wir in der Lage sein, die Details zu studieren und ihr numerisches Modell in unseren Computern zu konstruieren und zu beobachten“, erklärte Professor Bernard Schutz, Direktor des Albert-Einstein-Instituts. „Ich glaube, dass die Untersuchung von Schwarzen Löchern im ersten Jahrzehnt des nächsten Jahrhunderts ein zentrales Forschungsthema für Astronomen sein wird.“

Der Satellitenstern ermöglicht es Ihnen, den Staub der Supernova zu sehen.

Schwarze Löcher können nicht direkt gesehen werden, aber Astronomen können Beweise für ihre Existenz sehen, wenn Gase in einen Begleitstern ausbrechen.

Wenn Dynamit gezündet wird, dringen winzige Fragmente des Sprengstoffs tief in nahegelegene Objekte ein und hinterlassen so unauslöschliche Beweise für eine Explosion.

Astronomen haben einen ähnlichen Abdruck auf einem Stern gefunden, der ein Schwarzes Loch umkreist, und glauben nicht ohne Grund, dass dieses Schwarze Loch – ein ehemaliger Stern, der so stark zusammengebrochen ist, dass selbst Licht seine Gravitationskraft nicht überwinden kann – das Ergebnis einer Supernova-Explosion war.

Das Licht in der Dunkelheit.

Zu dieser Zeit beobachteten Astronomen Supernova-Explosionen und entdeckten an ihrer Stelle Objekte, die ihrer Meinung nach Schwarze Löcher sind. Die neue Entdeckung ist der erste wirkliche Beweis für einen Zusammenhang zwischen einem Ereignis und einem anderen. (Schwarze Löcher können nicht direkt gesehen werden, aber ihre Anwesenheit kann manchmal aus der Wirkung ihres Gravitationsfeldes auf nahe Objekte geschlossen werden.

Das Stern-und-Schwarzes-Loch-System mit der Bezeichnung GRO J1655-40 liegt etwa 10.000 Lichtjahre entfernt in unserer Milchstraße. Es wurde 1994 entdeckt und erregte die Aufmerksamkeit der Astronomen mit intensiven Röntgenstrahlen und einem Sperrfeuer von Radiowellen, als das Schwarze Loch Gase in Richtung seines 12,8 Millionen Kilometer entfernten Begleitsterns ausstieß.

Forscher aus Spanien und Amerika begannen, sich den Begleitstern genau anzusehen und glaubten, dass er eine Art Spur behalten könnte, die auf den Prozess der Bildung eines Schwarzen Lochs hinweist.

Man nimmt an, dass sterngroße Schwarze Löcher die Körper großer Sterne sind, die einfach auf diese Größe geschrumpft sind, nachdem sie ihren gesamten Wasserstoffbrennstoff verbraucht haben. Aber aus noch nicht geklärten Gründen verwandelt sich der verblassende Stern in eine Supernova, bevor er explodiert.

Beobachtungen des GRO J1655-40-Systems im August und September 1994 ermöglichten die Feststellung, dass die ausgestoßenen Gasströme eine Geschwindigkeit von bis zu 92 % der Lichtgeschwindigkeit hatten, was teilweise das Vorhandensein eines Schwarzen Lochs dort bewies.

Sternenstaub.

Wenn sich die Wissenschaftler nicht irren, wurden einige der explodierten Sterne, die wahrscheinlich 25-40 mal größer als unsere Sonne sind, zu überlebenden Satelliten.

Genau diese Daten haben Astronomen gefunden.

Die Atmosphäre des Begleitsterns enthielt überdurchschnittlich hohe Konzentrationen an Sauerstoff, Magnesium, Silizium und Schwefel – schwere Elemente, die nur bei einer Temperatur von mehreren Milliarden Grad, die während einer Supernova-Explosion erreicht wird, in Hülle und Fülle entstehen können. Dies war der erste Beweis, der wirklich die Gültigkeit der Theorie bestätigte, dass einige Schwarze Löcher zuerst als Supernovae erschienen, da das, was sie sahen, nicht von dem Stern geboren werden konnte, den Astronomen beobachteten.