Schwarze Löcher gehören zu den rätselhaftesten Objekten im Universum. Stellare Schwarze Löcher sind, um es kurz zu machen, die Überreste massereicher Sterne, die das Ende ihres Lebenszyklus erreicht haben und in eine Region der Raumzeit zusammengebrochen sind, die unglaublich dicht ist.Die Gravitationskraft ist so stark, dass nichts - nicht einmal Licht - seiner Oberfläche entkommen kann und die Gesetze von Zeit und Raum verzerrt werden.
Seit sie vor etwa einem Jahrhundert vorhergesagt wurden, haben Astronomen und Astrophysiker Mühe, mehr über diese seltsamen und mysteriösen Objekte zu erfahren. Dies war keine Kleinigkeit und erforderte das Engagement und die Anstrengungen von Generationen von Wissenschaftlern. Es bleiben mehr Fragen alsAntworten. Aber was sie bisher gelernt haben, hat bereits viel über das Universum, in dem wir leben, und die Gesetze, die es regeln, verraten.
Nachdem Wissenschaftler ihre Existenz theoretisiert hatten, begannen sie in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts, Hinweise auf diese Objekte zu sehen. Indem sie ihre Auswirkungen auf den sie umgebenden Raum untersuchten, konnten sie indirekt feststellen, wo sich Schwarze Löcher befinden. Heute glauben viele Astronomendass die meisten Galaxien ein supermassereiches Schwarzes Loch SMBH in ihrem Kern haben, und dazu gehört auch die Milchstraße.
In diesem Jahr die Nobelpreis für Physik wurde an drei Wissenschaftler vergeben, die auf dem Gebiet der Schwarzlochforschung einen besonders großen Einfluss hatten. Die Hälfte des Preises ging an den berühmten britischen mathematischen Physiker Roger Penrose, der - nach den Worten des Caltech-Wissenschaftlers Kip Thorne - „revolutioniert hatdie mathematischen Werkzeuge, mit denen wir die Eigenschaften der Raumzeit analysieren. “
Die andere Hälfte des Preises wurde an die Astronomen Andrea Ghez und Reinhard Genzel vergeben, die beide seit den 1990er Jahren Gruppen geleitet haben, die die Umlaufbahnen von Sternen in der Nähe des Galaktischen Zentrums kartierten. Diese Studien führten Ghez und Genzel zu dem Schluss, dass dies äußerst wichtig istDas massive Objekt - bekannt als Schütze A * Sgr A * - diktierte die Bewegungen der Sterne und lieferte damit den überzeugendsten Beweis für die Existenz eines SMBH im Kern unserer Galaxie.
Das Nobelpreiskomitee hat alle drei Personen für Leistungen ausgezeichnet, die viele Jahrzehnte zurückreichen und unser Verständnis des Universums revolutioniert haben. Als David Haviland, Vorsitzender des Nobelkomitees für Physik sagte :
„Die Entdeckungen der diesjährigen Preisträger haben neue Wege in der Erforschung kompakter und supermassiver Objekte beschritten. Diese exotischen Objekte werfen jedoch immer noch viele Fragen auf, die um Antworten bitten und zukünftige Forschungen motivieren. Nicht nur Fragen zu ihrer inneren Struktur, sondern auch Fragendarüber, wie wir unsere Gravitationstheorie unter extremen Bedingungen in unmittelbarer Nähe eines Schwarzen Lochs testen können. “
Um dem, was diese drei Personen erreicht haben, wirklich gerecht zu werden, müssen wir jedoch anerkennen, was uns zu diesem Punkt in der Geschichte gebracht hat.
Eine kurze Geschichte der schwarzen Löcher
1915 formalisierte der legendäre Physiker Albert Einstein seine Allgemeine Relativitätstheorie. Diese Theorie war der Höhepunkt jahrzehntelanger Forschung, die Einstein kurz nach dem Vorschlag der Speziellen Relativitätstheorie im Jahr 1905 begann. Sie synthetisierte Newtons Bewegungsgesetze mit Elektrodynamik, um das Verhalten zu erklärendes Lichts.
Bekannt für seine berühmte Gleichung E = mc² Die Spezielle Relativitätstheorie führte einen neuen Rahmen für die Physik ein, indem sie neue Konzeptualisierungen von Raum und Zeit vorschlug und feststellte, dass Materie und Energie keine diskreten Einheiten wie zuvor angenommen waren, sondern unterschiedliche Ausdrücke derselben Realität.
In den nächsten zehn Jahren versuchte Einstein, diese revolutionäre Theorie zu erweitern, in der Hoffnung, sie mit dem Newtonschen Gesetz der universellen Gravitation in Einklang zu bringen, das auf dem Gebiet der Astrophysik allmählich zu kurz kam.
Während Newtons Theorie die Schwerkraft als eine Kraft der gegenseitigen Anziehung zwischen massiven Objekten beschreibt die proportional zur Masse dieser Objekte ist, behauptete Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie, dass Gravitationseffekte zwischen Massen das Ergebnis des Einflusses sind, den sie auf die Raumzeit haben.
Kurz gesagt, Einstein argumentierte, dass massive Objekte die Krümmung der Raumzeit verändern, was bestimmt, wie sich Materie in ihrer Nähe bewegt. Zusammen mit Einsteins Feldgleichungen revolutionierte diese Theorie unser Verständnis von Raum und Zeit die auch zwei Ausdrücke derselben Realität sind und sagte auch mehrere astronomische / kosmologische Phänomene voraus. Dazu gehören :
- Wahrnehmung der Zeitverlangsamung in einem Gravitationsfeld Gravitationszeitdilatation
- Massive Objekte verschmelzen zu Wellen in der Raumzeit Gravitationswellen, was 2016 erstmals vom LIGO-Observatorium bestätigt wurde.
- Gravitationsfelder biegen und vergrößern das von einem entfernten Objekt kommende Licht Gravitationslinsen
- Schwarze Löcher
1916 veröffentlichte der deutsche Astronom Karl Schwarzschild eine Lösung für Einsteins Feldgleichungen, die die Krümmung der Raumzeit um eine sphärisch symmetrische, nicht rotierende Masse bekannt als „ beschreibt. Schwarzschild-Metrik ”.Kurz gesagt, er spekulierte, dass eine ausreichend kompakte Masse die Raumzeit erheblich verformen könnte.
Ein Teil dieser Lösung, der den Radius festlegte, den ein besonders massives Objekt erreichen muss, um diesen Effekt zu erzielen, wird als bezeichnet. Schwarzschild-Radius . Diese Gleichung wird mathematisch beschrieben als R S = 2 GM / c 2 , wo R S ist der Radius zwischen der Mitte des Schwarzen Lochs und seiner Außenkante Ereignishorizont, G ist die Gravitationskonstante M ist die Masse des Objekts und c ist die Lichtgeschwindigkeit.
In den 1930er Jahren berechnete der indisch-amerikanische Astrophysiker Subrahmanian Chandrasekhar die maximale Masse, die ein weißer Zwergstern besitzen konnte, ohne instabil zu werden. Jeder weiße Zwergstern, der diese Grenze überschritt, würde in ein Schwarzes Loch fallen. Diese Berechnungen kamen zustandebekannt als " Chandrasekhar-Grenze , ”was ungefähr dem 1,4-fachen der Masse unserer Sonne entspricht.
In den 1960er Jahren, während des sogenannten „Goldenen Zeitalters der Allgemeinen Relativitätstheorie“, konnten Astronomen und Astrophysiker endlich Schwarze Löcher untersuchen. In dieser Zeit tauchte Berichten zufolge auch der Begriff „Schwarzes Loch“ aufWissenschaftler verwendeten andere Begriffe - wie "dunkler Stern" oder "gravitativ kollabiertes Objekt" -, um sie zu beschreiben.
Laut der Wissenschaftsautorin Marcia Bartusiak wurde der Begriff "Schwarzes Loch" erstmals von dem Physiker Robert H. Dicke während seiner Vorlesungen in Princeton im Jahr 1960 verwendet, wo er die Phänomene mit dem Schwarzen Loch von Kalkutta verglich - einem berüchtigten Gefängnis im 18. JahrhundertIndien, aus dem angeblich niemand zurückkehrte. Der amerikanische Physiker John Wheeler half dabei, es bekannt zu machen, und der Begriff erschien 1963/64 in gedruckter Form.
Da Schwarze Löcher bei normalem Licht unsichtbar sind und nichts ihrer Oberfläche entkommen kann, waren diese Studien alle indirekt. Anstatt Schwarze Löcher selbst zu beobachten, mussten Astronomen ihre Anwesenheit anhand der Auswirkungen auf die Objekte um sie herum ableiten.
Trotzdem konnten Astronomen auf diese Weise viel lernen und stießen sogar auf die ersten Hinweise, die auf die Existenz von supermassiven Schwarzen Löchern SMBHs hinwiesen. Obwohl sie im sichtbaren Licht nicht zu beobachten waren, bemerkten Radioastronomen das RadioQuellen, die tausende Male heller waren als unsere Galaxie. Astronomen erkannten bald, dass diese „quasi-stellaren Objekte“ kurz Quasare im Zentrum der massereichsten Galaxien waren, einschließlich unserer eigenen.
Die Galaxien, die sie zeigten, waren in ihren zentralen Regionen bemerkenswert energiereicher, was zum Begriff „Aktive galaktische Kerne“ AGN führte, um Galaxien zu beschreiben, die einen Quasar besaßen. Mit der Zeit erkannten Astronomen, dass diese Objekte zu groß waren, um stellar zu seinMassen und mussten daher gravitativ kompakte Objekte Schwarze Löcher sein.
Der nächste große Sprung war die Entwicklung der Interferometrie, bei der mehrere Teleskope das Licht eines Objekts erfassen und dann kombinieren, um ein vollständigeres Bild zu erhalten. Dieser Prozess ermöglichte es den Astronomen, schwache Objekte zu erkennen, einschließlich der Trümmerscheiben, diehäufig um schwarze Löcher bilden.
So führten Astronomen mit dem Event Horizon Telescope die ersten direkten Beobachtungen eines Schwarzen Lochs in der Geschichte durch. Ein 10. April 2019 , die ersten Bilder des SMBH in der Mitte des M87 Übergroße elliptische Galaxien wurden mit der Welt geteilt siehe unten.
Struktur der schwarzen Löcher
Dank dieser umfangreichen Forschung haben Astrophysiker ein ziemlich gutes Verständnis dafür, wie ein Schwarzes Loch aussieht. Wie das Bild unten zeigt, befindet sich in der Mitte eines Schwarzen Lochs das, was als a bezeichnet wird. Singularität : Ein Punkt, an dem die Dichte der Materie und die Krümmung der Raumzeit unendlich werden. Alles, was in diesen Punkt übergeht, wird ebenfalls bis zur Singularität zerquetscht und verschwindet für immer.
Das Ausmaß eines Schwarzen Lochs wird als sein bezeichnet Ereignishorizont Dies ist der Radius, in den sich sein Vorgängerstern nach einem Gravitationskollaps zurückzieht. Innerhalb dieses Radius können Materie und Energie nicht entweichen und fallen in Richtung der Singularität.
Unmittelbar hinter diesem Radius befindet sich die Akkretionsscheibe wo Materie und Energie in die Umlaufbahn um das Schwarze Loch fallen und durch die extremen Gravitationskräfte bei der Arbeit auf relativistische Geschwindigkeiten ein Bruchteil der Lichtgeschwindigkeit beschleunigt werden. Der innerste Teil der Scheibe ist bekannt als Photonenkugel Hier werden Photonen die Bestandteile des Lichts eingefangen und bilden einen hellen Ring, der sich mit dem Schwarzen Loch dreht.
Einige Schwarze Löcher haben auch Relativistische Jets die aus Partikeln und Energie bestehen, die aus der Mitte des Schwarzen Lochs herausgestrahlt werden, nachdem es einen Stern oder andere astronomische Objekte verbraucht hat. Alles in diesen Jets wird auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt und kann sich ausdehnenTausende von Lichtjahren damit Astronomen sie aus großer Entfernung erkennen können.
So sehen schwarze Löcher zumindest von außen aus. Was unter dem Schleier eines Ereignishorizonts passiert, ist derzeit nicht bekannt und wird es möglicherweise nie sein. Leider ist dies eines von vielen Dingen, über die wir nichts wissenSchwarze Löcher, und was wir wissen, neigt dazu, den Geist zu verbiegen und zu verzerren - ähnlich wie das, was Schwarze Löcher mit der Natur der Realität tun!
Ein Rätsel für die Ewigkeit
Um sich von einem alten Sprichwort zu leihen, sind Schwarze Löcher wie „ein Rätsel, das in ein Rätsel gehüllt ist, in ein Rätsel“. Für den Anfang ist der Name „Schwarzes Loch“ eine Art Fehlbezeichnung, da diese Objekte keine Löcher sindWas sie sind, sind im Wesentlichen Sterne, die bis zu dem Punkt zusammengebrochen sind, an dem die von ihnen ausgeübte Gravitationskraft alle anderen physikalischen Gesetze überwältigt.
Damit Objekte dh ein Raketenschiff der Schwerkraft eines Objekts entkommen können, müssen sie eine sogenannte „Fluchtgeschwindigkeit“ erreichen. Auf der Erde sind alle Objekte einer Gravitationskraft von 9,8 m / s² 32,15 ausgesetztft / s², dh wenn ein Objekt fällt, beschleunigt es für jede Sekunde, in der es fällt, um weitere 9,8 Meter 35,28 km / h in Richtung des Zentrums unseres Planeten.
Um der Schwerkraft der Erde zu „entkommen“, muss eine Geschwindigkeit von 11,186 km / s 40.270 km / h oder höher erreicht werden. Auf der Sonne ist die Fluchtgeschwindigkeit etwa fünfundfünfzig Mal höher: 617,7 km / hs ~ 2220 km / h; 1380 mph. Die Lichtgeschwindigkeit beträgt dagegen satte 299.792.458 m / s - oder etwa 107,9 Millionen km / h; 670,6 Millionen mph.
Dies bedeutet, dass wenn ein ausreichend großer Stern bis zu seiner Chandrasekhar-Grenze zusammenbricht siehe unten, seine Schwerkraft so stark wird, dass seine Fluchtgeschwindigkeit der Lichtgeschwindigkeit entspricht! Und da die Schwerkraft die Wahrnehmung des Betrachters beeinflusstZeit je stärker das Gravitationsfeld, desto langsamer der Zeitablauf, dh innerhalb des Ereignishorizonts eines Schwarzen Lochs kann gesagt werden, dass die Zeit selbst aufhört.
VERBINDUNG: WIE WURDE DAS ERSTE BILD EINES SCHWARZEN LOCHES AUFGENOMMEN?
Dies ist auch der Grund, warum Schwarze Löcher nicht über ihren Schwarzschild-Radius hinaus weiter zusammenbrechen. Sobald sie bis zu diesem Punkt zusammengebrochen sind, werden sie in der Zeit eingefrorenauseinandergezogen und in seine Bestandteile zerlegt, bleibt die Quanteninformation dieser Teilchen für alle Zeiten erhalten.
Dieser letzte Teil bleibt jedoch ein Streitpunkt. Seit Stephen Hawking 1974 die Theorie aufstellte, dass Schwarze Löcher Strahlung emittieren könnten - was inzwischen bestätigt und angemessen als „Hawking Radiation“ bezeichnet wurde - waren Wissenschaftler gezwungen, diese Schwarzen Löcher tatsächlich zu akzeptierenim Laufe der Zeit Masse verlieren. Obwohl es Billionen von Jahren dauern könnte, würde dies letztendlich dazu führen, dass sie verdunsten und alle darin enthaltenen Informationen verloren gehen.
Dieses Rätsel, bekannt als das „Black Hole Paradox“, zeigt, wie diese Objekte uns weiterhin mystifizieren. Trotzdem sind wir dank der Bemühungen unzähliger wissenschaftlicher Köpfe in unserem Verständnis sehr weit gekommen. Aber am EndeDie größten theoretischen Durchbrüche wurden von einer Handvoll Leuchten erzielt, was der diesjährige Nobelpreis für Physik anerkannt hat.
Ein Drei-Wege-Preis
In Anerkennung seiner immensen Beiträge hat die Königlich Schwedische Akademie der Wissenschaften beschlossen, Robert Penrose die Hälfte des Nobelpreises für Physik 2020 zu verleihen. Als Penrose mit dem Studium der Schwarzen Löcher begann, gab es mehrere ungelöste theoretische Probleme, die den Astronomen keinen Mangel verursachtenvon Kopfschmerzen!
Zum einen war eine wichtige Annahme, dass Schwarze Löcher sphärisch symmetrisch sein mussten, sonst sollten sie nicht zu einem einzigen Punkt zusammenbrechen und eine Singularität erzeugen können. Als Reaktion darauf entwickelte Penrose eine Theorie, die die Annahme von aufhobsphärische Symmetrie und nahm nur an, dass die kollabierende Materie eine positive Energiedichte hatte. Dazu musste er neue mathematische Methoden erfinden und einen Weg finden, die Geometrie von Schwarzen Löchern zu beschreiben.
Für den Anfang entwickelte Penrose das Konzept einer eingeschlossenen Oberfläche, einer geschlossenen zweidimensionalen Oberfläche, auf der alle senkrecht zur Oberfläche verlaufenden Lichtstrahlen in Richtung Zukunft konvergieren. Dies widersprach dem, was mit einer sphärischen Oberfläche in einem flachen Raum geschieht, in dem Licht vorhanden ist-strahlen, die nach außen wandern, gehen auseinander.
Eine Konsequenz dieser Theorie ist, dass innerhalb des Ereignishorizonts eines Schwarzen Lochs die Rollen Zeit und Raum wechseln, bis zu dem Punkt, an dem das Verlassen eines Schwarzen Lochs gleichbedeutend mit dem Zurückreisen in der Zeit wäre. Eine noch dramatischere Folge der eingeschlossenen Oberflächeist, dass alle Materie, die zusammengebrochen ist, um das Schwarze Loch zu bilden, rechtzeitig eingefroren wird.
Um die Raumzeit zu visualisieren, führte Penrose das sogenannte „Penrose-Diagramm“ ein. Diese Technik verwendet konforme Transformationen, bei denen Punkte unendlich weit entfernt im Raum und Ereignisse in der unendlichen Vergangenheit oder Zukunft eingeführt werden könnenvon unendlich bis in ein Gerüst endlicher Größe - auch bekannt als Penrose-Diagramm.
Als Ergebnis zeigte Penrose, dass der Gravitationskollaps nicht gestoppt werden kann, nachdem sich die eingeschlossene Oberfläche gebildet hat. Einige Jahre später zeigten Penrose und Stephen Hawking, dass ähnliche Ergebnisse auch erzielt werden konnten, wenn seine Theorien auf kosmologische Singularitäten angewendet wurden - was dazu kamBekannt sein als Penrose-Hawking-Singularitätssätze .
Bis 1969 fasste Penrose diese Ergebnisse zusammen und theoretisierte, dass zu Beginn des Universums zur Zeit des Urknalls eine Singularität vorhanden war - die immer noch Gegenstand wissenschaftlicher Debatten ist. Aufgrund seiner Entdeckungen wird Penrose zugeschriebeneine neue Ära in Physik und Astronomie einleiten und sicherstellen, dass sich der Begriff „Schwarzes Loch“ durchsetzt.
Die andere Hälfte des Preises ging an Reinhard Genzel vom Max-Planck-Institut für außerirdische Physik MPE und Andrea Ghez von der University of California in Los Angeles UCLA. Seit den 1990er Jahren führen sie Beobachtungskampagnen der Sterne durchUmkreisen des galaktischen Zentrums, um mehr über das als Schütze A * bekannte Objekt zu erfahren.
VERBINDUNG: WAS PASSIERT IN EINEM SCHWARZEN LOCH
Während sich Genzels Gruppe auf Teleskope stützte, die vom Europäischen Südobservatorium ESO in Chile betrieben wurden, vertrauten Ghez und ihre Kollegen auf das Keck-Observatorium in Hawaii. Dank ihrer Beobachtungen die Umlaufbahnen der hellsten Sterne in der Nähe des Zentrums der Milchstraßewurden mit zunehmender Präzision abgebildet.
Aufgrund der sehr schnellen und elliptischen Natur dieser Umlaufbahnen deuteten diese Messungen auf das Vorhandensein eines extrem massiven Objekts hin. Ihre Pionierarbeit hat der astronomischen Gemeinschaft den bisher überzeugendsten Beweis geliefert, dass Schütze A * ein SMBH im Zentrum istder Milchstraße
Genzel und Ghez entwickelten Methoden weiter, um durch die riesigen Wolken aus verdecktem Staub und Gas im Zentrum der Milchstraße zu sehen. Dies bestand aus der Entwicklung neuer Instrumente und Verfeinerungstechniken zum Ausgleich von Verzerrungen durch die Erdatmosphäre sogenannte adaptive Optik.
Von seinen bescheidenen Ursprüngen aus theoretischen und spekulativen Gründen hat sich das Studium der Schwarzen Löcher innerhalb weniger Generationen sprunghaft weiterentwickelt. Dies hat jedoch wenig dazu beigetragen, das Gefühl der Ehrfurcht zu zerstreuen und sich über diese Schwarzen Löcher zu wunderninspirieren auch die fortschrittlichsten wissenschaftlichen Köpfe.
In Zukunft hoffen die Wissenschaftler dank weiterer Fortschritte in der Interferometrie und mit Instrumenten der nächsten Generation wie dem verfügbaren EHT, die verbleibenden Geheimnisse der Schwarzen Löcher genauer zu untersuchen und zu lösen. Über die Fragen der Thermodynamik und des Informationsverlusts hinaus das Black-Hole-Paradoxon gibt es Fragen zu der Rolle, die sie in der Evolution des Universums gespielt haben.
Es gibt sogar die Theorie, wie vom Physiker argumentiert Lee Smolin von der University of Waterloo Perimeter Institute for Theoretical Physics PITP, dass Schwarze Löcher die Samen neuer Universen enthalten. Es ist sogar möglich, dass wir uns in der Nähe von Schwarzen Löchern befinden. hochentwickelte Arten was sie aufgrund der reichlich vorhandenen Energie, der exotischen Physik, die sie zulassen, und vielleicht sogar der Möglichkeit für Zeitreisen anziehen würde!
Quellen :
- Der Nobelpreis - Der Nobelpreis für Physik 2020
- Penrose, R. "Gravitationskollaps und Raum-Zeit-Singularitäten." Physical Review Letters, Vol. 14, No 3 1965
- Hawking, SW & Penrose, R. "Die Singularitäten des Gravitationskollapses und der Kosmologie." Proceeding of the Royal Society, Vol. 314, Nr. 1519 1990
- Eckart, A. & Genzel, R. "Beobachtungen von Stern-Eigenbewegungen in der Nähe des Galaktischen Zentrums." Nature, Vol. 383 1996
- Natur - "Physiker, die die Geheimnisse der Schwarzen Löcher gelüftet haben, gewinnen den Nobelpreis", 6. Oktober 2020