Schwarze Löcher - Physik

Diesen aiMOOC als Battle spielen: Physik, Klasse 5-6, G-Niveau

Einleitung

Schwarze Löcher gehören zu den spannendsten Objekten der Astrophysik. Sie sind keine Löcher im gewöhnlichen Sinn, sondern Bereiche der Raumzeit, in denen die Gravitation extrem stark ist. Hinter ihrer Grenze, dem Ereignishorizont, kann kein Lichtsignal mehr nach außen gelangen.

Das Bild zeigt nicht das Schwarze Loch selbst. Sichtbar ist die heiße Materie in seiner Umgebung und ein dunkler Schatten. Dieser Schatten wurde 2019 beim supermassereichen Schwarzen Loch M87* mit dem Event Horizon Telescope abgebildet.

In diesem aiMOOC lernst Du, wie Schwarze Löcher entstehen, wie sie aufgebaut sind und wie Forschende sie nachweisen. Du brauchst Grundkenntnisse zu Kraft, Masse, Energie und Licht.

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Grundidee: Wenn Raum und Zeit stark gekrümmt sind

Nach der Allgemeinen Relativitätstheorie krümmen Masse und Energie die Raumzeit. Andere Körper und Licht bewegen sich in dieser gekrümmten Raumzeit. Bei einem Schwarzen Loch ist die Krümmung so stark, dass innerhalb des Ereignishorizonts alle möglichen Wege weiter nach innen führen.

Wichtig: Ein Schwarzes Loch zieht weit entfernte Objekte nicht stärker an als jeder andere Körper mit derselben Masse. Würde die Sonne durch ein Schwarzes Loch mit genau einer Sonnenmasse ersetzt, bliebe die Erdbahn nahezu gleich. Allerdings würden Licht und Wärme der Sonne fehlen.

Die starke Raumkrümmung lenkt Licht ab. Dieser Effekt heißt Gravitationslinse. Dadurch können Hintergrundsterne verschoben, verzerrt oder heller erscheinen.

Der Schwarzschildradius

Für ein nicht rotierendes und elektrisch ungeladenes Schwarzes Loch beschreibt der Schwarzschildradius die Größe des Ereignishorizonts:

$r_{\mathrm{s}}=\frac{2GM}{c^2}$

Dabei ist $G$ die Gravitationskonstante, $M$ die Masse und $c$ die Lichtgeschwindigkeit. Für eine Sonnenmasse gilt näherungsweise:

$r_{\mathrm{s}}\approx 3\mathrm{k}\mathrm{m}$

Ein Körper mit der Masse der Sonne müsste also auf einen Radius von ungefähr drei Kilometern zusammengedrückt werden, um in diesem einfachen Modell ein Schwarzes Loch zu bilden. Bei Erdmasse wären es nur ungefähr neun Millimeter.

Aufbau eines Schwarzen Lochs

Ein Schwarzes Loch selbst lässt sich nicht direkt fotografieren. Beobachtbar sind seine Wirkung auf Materie, Licht und Raumzeit sowie Strahlung aus seiner Umgebung.

Ereignishorizont

Der Ereignishorizont ist keine feste Oberfläche. Er ist eine Grenze in der Raumzeit. Wer ihn von außen überschreitet, kann keine Information mehr nach außen senden. Für weit entfernte Beobachtende scheint ein fallendes Objekt immer langsamer zu werden und sein Licht wird stark rotverschoben.

Akkretionsscheibe

Gas und Staub können ein Schwarzes Loch umkreisen. Durch Reibung und magnetische Prozesse wird das Material sehr heiß und sendet Strahlung aus, häufig auch Röntgenstrahlung. Diese leuchtende Scheibe heißt Akkretionsscheibe. Nicht jedes Schwarze Loch besitzt eine gut sichtbare Akkretionsscheibe.

Schatten und Photonenring

Licht wird nahe am Schwarzen Loch stark abgelenkt. Ein Teil kann das Schwarze Loch mehrfach umrunden. Auf EHT-Bildern entsteht dadurch eine helle Ringstruktur um eine dunkle Region. Die dunkle Region ist der Schatten und größer als der eigentliche Ereignishorizont.

Singularität

Die klassische Allgemeine Relativitätstheorie sagt im Inneren eine Singularität voraus, an der berechnete Größen unendlich werden. Das zeigt vermutlich, dass die Theorie dort nicht vollständig ist. Eine zukünftige Theorie der Quantengravitation müsste Allgemeine Relativitätstheorie und Quantenphysik verbinden.

Rotation, Ergosphäre und Jets

Viele Schwarze Löcher rotieren. Ein rotierendes Schwarzes Loch zieht die Raumzeit in seiner Umgebung mit. Außerhalb des Ereignishorizonts liegt die Ergosphäre. Dort kann nichts gegenüber weit entfernten Sternen vollständig stillstehen.

Magnetfelder können Materie aus der Umgebung in schmale, schnelle Jets lenken. Diese Teilchenströme entstehen außerhalb des Ereignishorizonts. Sie kommen nicht aus dem Inneren des Schwarzen Lochs.

Entstehung und Arten

Stellare Schwarze Löcher

Ein massereicher Stern erzeugt in seinem Inneren Energie durch Kernfusion. Wenn sein Brennstoff aufgebraucht ist, kann der Kern kollabieren. Reicht kein stabilisierender Druck mehr aus, kann ein Schwarzes Loch entstehen. Dabei kann die äußere Hülle als Supernova abgestoßen werden oder weitgehend direkt zusammenfallen.

Die Sonne besitzt nicht genug Masse, um zu einem Schwarzen Loch zu werden. Sie wird am Ende ihrer Entwicklung voraussichtlich einen Weißen Zwerg hinterlassen.

Mittelschwere und supermassereiche Schwarze Löcher

Mittelschwere Schwarze Löcher liegen zwischen stellaren und supermassereichen Schwarzen Löchern. Für einige Kandidaten gibt es starke Hinweise, doch ihre Entstehungswege werden weiter erforscht.

Supermassereiche Schwarze Löcher besitzen Millionen bis Milliarden Sonnenmassen. Sie befinden sich in den Zentren vieler Galaxien. Im Zentrum der Milchstraße liegt Sagittarius A* mit etwa vier Millionen Sonnenmassen.

Die Bahnen von Sternen um ein unsichtbares, sehr massereiches Zentrum lieferten einen entscheidenden Nachweis für Sagittarius A*.

Primordiale Schwarze Löcher

Primordiale Schwarze Löcher sind hypothetische Objekte, die kurz nach dem Urknall entstanden sein könnten. Bislang gibt es keinen gesicherten direkten Nachweis.

Wie weist man Schwarze Löcher nach?

Da Schwarze Löcher selbst kein Licht aussenden, nutzen Forschende verschiedene Messmethoden.

1. Bahnen von Sternen: Ein unsichtbares, kompaktes Objekt beeinflusst die Bewegung sichtbarer Sterne.
2. Röntgenastronomie: Heißes Gas in einer Akkretionsscheibe sendet Röntgenstrahlung aus.
3. Gravitationslinse: Die Raumkrümmung lenkt und verstärkt Licht von Hintergrundsternen.
4. Gravitationswellen: Verschmelzende Schwarze Löcher erzeugen messbare Wellen der Raumzeit.
5. Radioastronomie: Weltweit gekoppelte Radioteleskope bilden die unmittelbare Umgebung eines Ereignishorizonts ab.

Gravitationswellen

2015 registrierten die LIGO-Detektoren das Signal GW150914. Es stammte von zwei Schwarzen Löchern, die sich umkreisten und verschmolzen. Ein Teil ihrer Masse wurde dabei gemäß $E=m{c}^2$ in Energie der Gravitationswellen umgewandelt.

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Bilder von M87* und Sagittarius A*

Das Event Horizon Telescope verbindet Radioteleskope auf verschiedenen Kontinenten. Dadurch entsteht rechnerisch ein virtuelles Teleskop von der Größenordnung der Erde.

2019 wurde das erste Bild des Schattens eines Schwarzen Lochs veröffentlicht: M87*. Es liegt ungefähr 55 Millionen Lichtjahre entfernt und besitzt etwa 6,5 Milliarden Sonnenmassen. 2022 folgte das Bild von Sagittarius A* im Zentrum unserer Milchstraße.

Die Darstellung in polarisiertem Licht macht Strukturen des Magnetfelds nahe Sagittarius A* sichtbar.

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Was geschieht in der Nähe?

Zeitdilatation und Rotverschiebung

Nahe am Ereignishorizont vergeht Zeit im Vergleich zu weit entfernten Beobachtenden anders. Licht verliert beim Weg nach außen Energie und wird zu längeren Wellenlängen verschoben. Dies heißt gravitative Rotverschiebung.

Gezeitenkräfte und Spaghettisierung

Die Gravitation kann an den Füßen deutlich stärker sein als am Kopf. Dieser Unterschied erzeugt Gezeitenkräfte, die ein Objekt in die Länge ziehen und seitlich zusammendrücken. Umgangssprachlich heißt das Spaghettisierung. Bei kleinen Schwarzen Löchern können diese Kräfte schon außerhalb des Horizonts extrem sein. Bei sehr großen Schwarzen Löchern kann der Horizont zunächst mit geringeren lokalen Gezeitenkräften überschritten werden.

Hawking-Strahlung

Nach einer quantenphysikalischen Berechnung können Schwarze Löcher sehr langsam Energie als Hawking-Strahlung verlieren. Für astrophysikalische Schwarze Löcher ist dieser Effekt äußerst schwach und bislang nicht direkt beobachtet. Er zeigt, dass Schwarze Löcher wichtige Fragen an der Grenze von Gravitation, Thermodynamik und Quantenphysik stellen.

Häufige Irrtümer

1. Schwarze Löcher sind kosmische Staubsauger. Falsch. In großer Entfernung wirkt ihre Gravitation wie die anderer Körper derselben Masse.
2. Die EHT-Bilder zeigen die Oberfläche. Falsch. Sie zeigen Strahlung aus der Umgebung und den Schatten des Schwarzen Lochs.
3. Jets kommen aus dem Inneren. Falsch. Sie werden außerhalb des Ereignishorizonts durch Materie und Magnetfelder erzeugt.
4. Unsere Sonne wird ein Schwarzes Loch. Falsch. Ihre Masse reicht dafür nicht aus.
5. Im Schwarzen Loch kennen wir alle Vorgänge. Falsch. Besonders die Singularität und die Verbindung zur Quantenphysik sind offene Forschungsfragen.

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Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

Wie heißt die Grenze, hinter der kein Lichtsignal mehr nach außen gelangt? (Ereignishorizont) (!Akkretionsscheibe) (!Ergosphäre) (!Sternkorona)

Welche Theorie beschreibt Schwarze Löcher auf großen Skalen? (Allgemeine Relativitätstheorie) (!Plattentektonik) (!Klassische Wärmelehre) (!Evolutionstheorie)

Was zeigt das bekannte Bild von M87* vor allem? (Leuchtende Materie und den Schatten) (!Die feste Oberfläche des Schwarzen Lochs) (!Das Innere der Singularität) (!Eine gewöhnliche Sonnenfinsternis)

Wovon hängt der Schwarzschildradius im einfachen Modell ab? (Von der Masse) (!Von der Farbe) (!Von der Entfernung zur Erde) (!Von der chemischen Zusammensetzung)

Wie verhält sich der Schwarzschildradius bei wachsender Masse? (Er wächst proportional zur Masse) (!Er bleibt immer gleich) (!Er wird proportional kleiner) (!Er hängt nur von der Temperatur ab)

Welche Strahlung kann heißes Gas in einer Akkretionsscheibe aussenden? (Röntgenstrahlung) (!Nur Schallwellen) (!Nur Radiowellen aus dem Inneren) (!Keine elektromagnetische Strahlung)

Was erzeugte das Signal GW150914? (Die Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher) (!Der Einschlag eines Meteoriten auf der Erde) (!Eine Sonnenfinsternis) (!Die Rotation des Mondes)

Wo entstehen die beobachteten Jets eines aktiven Schwarzen Lochs? (Außerhalb des Ereignishorizonts) (!Im Inneren der Singularität) (!Auf der Erdoberfläche) (!Im Kern eines Planeten)

Welches Schwarze Loch befindet sich im Zentrum der Milchstraße? (Sagittarius A*) (!M87*) (!Sirius B) (!Proxima Centauri)

Was beschreibt die Spaghettisierung? (Dehnung durch starke Unterschiede der Gravitation) (!Abkühlung einer Akkretionsscheibe) (!Entstehung eines neuen Sterns) (!Ausbreitung einer Schallwelle)

Memory

Ereignishorizont	Grenze ohne Rückkehr
Akkretionsscheibe	Heißes umlaufendes Gas
Schwarzschildradius	Radius im nicht rotierenden Modell
Gravitationswelle	Welle der Raumzeit
Sagittarius A*	Zentrum der Milchstraße
M87*	Erstes abgebildetes Schwarzes Loch
Spaghettisierung	Dehnung durch Gezeitenkräfte
Jet	Gebündelter Teilchenstrom

Drag and Drop

Ordne die richtigen Begriffe zu.	Bedeutung
Ereignishorizont	Grenze ohne Rückkehr
Akkretionsscheibe	Leuchtendes Gas außerhalb des Schwarzen Lochs
Gravitationslinse	Ablenkung von Licht durch Raumkrümmung
Schwarzschildradius	Horizontgröße im einfachen Modell
Gravitationswelle	Signal einer kosmischen Verschmelzung
Radiointerferometrie	Zusammenschalten weit entfernter Teleskope

Kreuzworträtsel

Gravitation	Welche Wechselwirkung krümmt die Raumzeit um eine Masse?
Akkretion	Wie heißt das Ansammeln und Einfallen von Materie?
Horizont	Welches Wort bezeichnet kurz die Grenze ohne Rückkehr?
Schwarzschild	Nach wem ist der Radius eines nicht rotierenden Schwarzen Lochs benannt?
Spaghettisierung	Wie heißt die starke Dehnung durch Gezeitenkräfte?
Radioteleskop	Welches Instrument empfängt Radiowellen aus dem All?

Lückentext

Vervollständige den Text.

Ein Schwarzes Loch ist ein stark gekrümmter Bereich der . Seine Grenze ohne Rückkehr heißt . Für ein nicht rotierendes und ungeladenes Schwarzes Loch wird die Horizontgröße durch den beschrieben. Heißes Gas außerhalb des Horizonts kann eine bilden. Die Ablenkung von Licht durch Gravitation heißt . Verschmelzende Schwarze Löcher senden aus. Im Zentrum der Milchstraße befindet sich . Das Event Horizon Telescope veröffentlichte zuerst ein Bild des Schattens von . Starke Unterschiede der Gravitation erzeugen . Die theoretisch vorhergesagte quantenphysikalische Abstrahlung heißt .

Offene Aufgaben

Leicht

1. Begriffsnetz Schwarzes Loch: Erstelle ein Begriffsnetz mit Ereignishorizont, Akkretionsscheibe, Gravitation, Schatten und Jet.
2. Bildanalyse M87*: Beschreibe, welche Bereiche des EHT-Bildes hell und dunkel erscheinen, und erkläre vorsichtig, was tatsächlich sichtbar ist.
3. Mythencheck Schwarze Löcher: Gestalte drei Karten mit je einem verbreiteten Irrtum und einer physikalisch richtigen Erklärung.
4. Schwarzschildradius berechnen: Berechne mit der Näherung drei Kilometer pro Sonnenmasse den Radius für fünf und zehn Sonnenmassen.

Standard

1. Modell der Raumkrümmung: Entwickle ein einfaches Modell oder eine Animation, die Lichtablenkung veranschaulicht, und benenne die Grenzen des Modells.
2. Sternentwicklung: Zeichne zwei Entwicklungswege, die zu einem Weißen Zwerg beziehungsweise zu einem Schwarzen Loch führen.
3. EHT-Erklärvideo: Produziere ein zweiminütiges Video darüber, warum mehrere Radioteleskope zu einem virtuellen Teleskop verbunden werden.
4. Gravitationswellen-Podcast: Erstelle einen kurzen Podcast zur Entstehung und Messung eines Signals wie GW150914.

Schwer

1. Herleitung Schwarzschildradius: Recherchiere, wie sich die Fluchtgeschwindigkeits-Idee als vereinfachte Annäherung an den Schwarzschildradius nutzen lässt, und erkläre zugleich ihre Grenzen.
2. Datenanalyse Sternbahnen: Werte eine vereinfachte Bahnkurve eines Sterns um Sagittarius A* aus und begründe, welche Aussagen über die Zentralmasse möglich sind.
3. Vergleich M87* und Sagittarius A*: Erstelle eine wissenschaftliche Infografik zu Masse, Entfernung, zeitlicher Veränderlichkeit und Beobachtung.
4. Forschungsdebatte Singularität: Verfasse einen strukturierten Text darüber, weshalb die Singularität als Hinweis auf eine unvollständige Theorie verstanden wird.

Lernkontrolle

1. Modellkritik Raumzeit: Beurteile das Gummituch-Modell der Raumkrümmung. Nenne zwei Stärken und zwei Grenzen.
2. Transfer Gravitation: Erkläre, warum die Erde bei gleicher Zentralmasse nahezu dieselbe Bahn hätte, auch wenn die Sonne durch ein Schwarzes Loch ersetzt würde.
3. Beobachtung und Schlussfolgerung: Ordne Sternbahnen, Röntgenstrahlung, Gravitationslinsen und Gravitationswellen passenden Aussagen über Schwarze Löcher zu und begründe jede Zuordnung.
4. Bildinterpretation EHT: Erkläre den Unterschied zwischen Ereignishorizont, Schatten und hellem Ring anhand eines selbst erstellten Schemas.
5. Vergleich Gezeitenkräfte: Begründe qualitativ, warum die Gezeitenkräfte am Horizont eines stellaren Schwarzen Lochs stärker sein können als bei einem supermassereichen.
6. Wissenschaftliche Unsicherheit: Trenne in einem Text gesicherte Beobachtungen, theoretische Vorhersagen und offene Fragen zu Schwarzen Löchern.

Lernnachweis

Für einen Lernnachweis solltest Du zeigen, dass Du:

1. den Ereignishorizont, die Akkretionsscheibe, den Schatten und mögliche Jets unterscheiden kannst,
2. den Schwarzschildradius mit Formel, Größen und Einheiten erklären und einfache Werte berechnen kannst,
3. die Entstehung stellarer Schwarzer Löcher in die Sternentwicklung einordnen kannst,
4. mehrere indirekte Nachweismethoden begründet beschreiben kannst,
5. EHT-Bilder korrekt als Bilder der Umgebung und des Schattens interpretierst,
6. Gravitationswellen mit der Verschmelzung kompakter Objekte verknüpfen kannst,
7. zwischen gesichertem Wissen, theoretischer Vorhersage und offener Forschung unterscheidest.

OERs zum Thema

1. NASA: Black Hole Basics
2. NASA: Black Hole Anatomy
3. Event Horizon Telescope
4. LIGO: Gravitational-Wave Science
5. Wikimedia Commons: Black holes

Verknüpfte Lernbereiche

Schwarze Löcher - Physik Gravitation Allgemeine Relativitätstheorie Raumzeit Sternentwicklung Elektromagnetische Strahlung Gravitationswelle Radioastronomie Quantenphysik