07. August 2010, 15:58

Ein Blog ist vermutlich nicht das richtige Format, um einen Artikel mit epischen Ausmaßen zu  schreiben. Das Rätsel des Lichts gibt ganz sicher genug Stoff her, um damit ein Buch zu füllen. Nachfolgend nur ein paar lose Gedanken zum Licht, die zum weiteren Nachdenken anregen könnten – oberflächlich, blog-like. (weiter)

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02. Mai 2010, 17:33

Stand-up Comedy trifft Wissenschaft – so könnte man knapp erklären, was mit „Science Slam“ gemeint ist. Es ist eine recht neue Kommunikationsform, um Wissenschaft unterhaltsam und witzig im Rahmen eines Vortragswettbewerbs zu präsentieren.

Wurzeln im Poetry Slam

Hervorgegangen ist es aus dem „Poetry Slam“, einem Dichterwettstreit, bei dem Nachwuchsliteraten auf einer Bühne in nur zehn Minuten ihre selbst geschriebenen, literarisch-poetischen Werke vortragen. Schon 1986 gab es den ersten Poetry Slam in Chicago, USA.

Beim Science Slam treten pfiffige Nachwuchswissenschaftler gegeneinander an und tragen etwas zu einem wissenschaftlichen Thema vor. Dabei können auch Powerpoint-Präsentationen zum Einsatz kommen oder der Slammer redet frei. Ziel ist es, die Gunst des Publikums zu erwerben.

Nach jeder Darbietung bewertet das Publikum, wie unterhaltsam, witzig und gleichermaßen lehrreich der Auftritt war. Die Notenskala geht wie beim Eiskunstlauf von 1 (schlecht) bis 10 (genial). Bei Überschreiten des Zeitlimits droht Punkteverlust. Der Slammer mit der höchsten Punktzahlt wird zum Slammer des Abends gekürt. Am wichtigsten ist jedoch, dass alle einen Riesenspaß und einen schönen Abend haben.

Deutsche Science-Slam-Städte

Der Science Slam in Deutschland begann 2008 in Braunschweig. Das „Haus der Wissenschaft“, direkt am Campus der TU Braunschweig gelegen, veranstaltete erstmals einen Science Slam in Deutschland. Einen guten Eindruck vermitteln die Mitschnitte der Science Slams in Braunschweig auf youtube. Seither tritt das erfolgreiche Unterhaltungsformat seinen Siegeszug an, und es gibt Science Slams in Berlin, Bayreuth, Bremerhaven, Dortmund, Frankfurt, Hamburg, Ilmenau, Kiel, Köln, Marburg, Münster und Oldenburg. In der Regel wird der Event von Studenten für ein junges Publikum organisiert.

Montag ist Science Slam in Berlin!

Wer jetzt Lust bekommen hat, sich bei einem Science Slam gut unterhalten zu lassen, sollte morgen zum Science Slam nach Berlin in das edelweiß kommen. Am Montag, dem 3. Mai 2010 um 20 Uhr geht‘s los! Eintritt kostet nur drei Euro und Marc Zeugner wird moderieren.

Ich werde mich auch zum ersten Mal als Slammer probieren und etwas über „Schwarze Löcher“ erzählen. Würde mich freuen, wenn wir uns in Berlin sehen würden!

Links:

Audio-Bericht von Radio Bremen zum Science Slam Berlin 3. Mai 2010

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02. April 2010, 00:47

Eine verwegene Idee: Wurden die ersten Sterne gar nicht durch Verschmelzung von Atomkernen in ihrem Innern zum Leuchten gebracht, sondern durch Dunkle Materie? Diese exotische Variante der Sternentwicklung soll Thema dieses Blog-Artikels sein.

Das konventionelle Bild
Sterne gewinnen ihr Licht aus der thermonuklearen Fusion, manchmal auch etwas flapsig und eigentlich nicht ganz korrekt als "Sternenbrennen" bezeichnet. Die Atomkerne leichter bis mittelschwerer chemischer Elemente verschmelzen miteinander, wobei Energie frei wird. Das funktioniert mit Elementen wie Wasserstoff, Helium, Kohlenstoff, Sauerstoff, Silizium und endet bei Eisen, denn bei der Eisenfusion wird keine Energie mehr frei. Je massereicher ein Stern ist, um so näher kann er an die Herstellung von Eisen herankommen – die schwersten Sterne bilden dann Eisenkerne aus und explodieren als Supernova.

Dunkle Materie als Hitzequelle
Physiker rätseln schon seit längerem, ob es in der Natur eine weitere Art von Teilchen geben könnte. Sie nennen sie WIMPs, weakly interacting massive particles, und sie meinen damit schwere Teilchen, die nur schwach wechselwirken. Typische WIMP-Massen liegen zwischen 100 und 10.000 GeV – ein Proton hat dagegen nur 1 GeV Masse. WIMPs sind so etwas wie die übergewichtigen Brüder der Neutrinos. Auch Neutrinos wechselwirken schwach, was dazu führt, dass unser Daumennagel jede Sekunde von 60 Milliarden Neutrinos, die allein aus der Sonne kommen, durchlöchert wird, ohne dass wir etwas dabei spüren oder irgendetwas mit dem Daumennagel passiert.
Die Grundidee ist nun, dass die schweren WIMPs von der Gravitation der Sterne aufgesammelt werden und sich so im Sternkern anhäufen. Außerdem sollen die WIMPs ihre eigenen Antiteilchen sein. Sowas nennt man Majorana-Teilchen (nicht zu verwechseln mit Marihuana-Teilchen, die kennt Canna bis her). Die Konsequenz: Stoßen zwei WIMPs zusammen, dann zerstrahlen sie zu energiereicher Gammastrahlung, die gerade die Energie der beiden Ruhemassen der Teilchen hat. Somit heizen diese zerstrahlenden WIMPs den Sternkern und übernehmen anstelle der Kernfusion die Speisung der Hitzequelle. Diese Ressource kann lange halten: Millionen bis Milliarden Jahre.
Wichtig: Das "dunkel" bei den Dunklen Sternen bezieht sich nicht auf ein dunkles Aussehen – das ist bei weitem nicht der Fall - sondern auf die Dunkle Materie als Ressource, um Strahlung freizusetzen. Bitte die Dunklen Sternen auch nicht mit mit den Schwarzen Sternen verwechseln. (Bild: Künstlerische Darstellung erster Sterne; WMAP/NASA)

Vom Wachstum Dunkler Sterne
Der Weltraum – wir befinden uns in einer fernen Vergangenheit - oder so. Die ersten Sterne sollen schon 200 Millionen Jahre nach dem Urknall existiert haben – das deckt sich auch mit aktuellen Beobachtungen, z.B. ferner Sternexplosionen wie dem GRB 090423. Ausgedrückt in kosmologischen Rotverschiebungen z entspricht das einer Ära von z = 10-50.
Die ersten Sterne mussten nehmen, was sie kriegen konnten, und in dieser frühen Phase gab es nur 75% Wasserstoff und 25% Helium. Schwere Elemente gab es noch nicht, weil diese ja erst durch Kernfusion in Sternen bzw. Sternexplosionen entstehen.
Die Frage ist noch, ob die ersten Sterne angetrieben wurden durch Kernfusion oder durch Dunkle Materie. Wir betrachten hier die exotische, zweite Variante. Gemäß dem favorisierten Modell, waren die ersten Dunklen Sterne mit nur ungefähr einer Sonnenmasse noch massearm  und bestanden zu nur etwa 0,1% aus Dunkler Materie. Ihre Oberflächentemperatur liegt unterhalb von 10.000 Kelvin und ist damit vergleichbar mit unserer Sonne (6000 Kelvin); allerdings waren sie mit 10 Astronomischen Einheiten Durchmesser deutlich größer als die Sonne (1,4 Millionen Kilometer Durchmesser) und mit einer Million Sonnenleuchtkräften auch viel leuchtkräftiger. Säße ein derartiger Dunkler Stern im Sonnensystem, würde er bis gut über die Saturnbahn reichen!

Supermassereiche Dunkle Sterne
Die anfangs noch leichten Dunklen Sterne können durch Verschlingen von Materie aus der Umgebung zu supermassereichen Dunklen Sternen (engl. supermassive dark stars) anwachsen, die enorme 100.000 bis 10 Millionen Sonnenmassen haben! (Zum Vergleich: Die beobachteten, massereichsten Einzelsterne in der Milchstraße haben sowas wie 200 Sonnenmassen.) Über die Existenz derartiger Riesensterne wurde schon von den Pionieren der theoretischen Stellarphysik spekuliert (Hoyle & Fowler 1963). Sie hätten verhältnismäßig geringe Oberflächentemperaturen von 50.000 Kelvin und gigantische Leuchtkräfte zwischen einer Milliarde und 100 Milliarden Sonnenleuchtkräften.  Diese Leuchtkräfte sind vergleichbar mit ganzen Galaxien!

Das geht nicht lange gut
Solange genügend Treibstoff in Form von Dunkler Materie im Stern vorhanden ist, wird die Hitzequelle befeuert. Bleibt der Nachschub an Dunkler Materie aus, so versiegt die Hitzequelle. Der Dunkle Stern wandelt sich dann in einen schweren Hauptreihenstern um, der seine Hitzequelle klassisch mit Fusion speist. Die schweren Hauptreihensterne wiederum kollabieren zu Schwarzen Löchern, die das "Saatgut" der lokal beobachteten supermassereichen Schwarzen Löcher mit Millionen bis Milliarden Sonnenmassen sein könnten. Mit klassischen ersten Sternen, die mit Fusion laufen, wäre das nicht so plausibel zu erklären. Das macht das Modell mit Dunklen Sternen so attraktiv.
Bislang wurden Dunkle Sterne nicht beobachtet, aber die Chancen stehen gut, dass Teleskope der nächsten Generation das leisten könnten.

Quelle: Freese et al. 2010, arXiv preprint 1002.223

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01. April 2010, 01:54

[Liebe Leserinnen und Leser, bitte glauben sie der folgenden Meldung nicht, denn es war mein Aprilscherz 2010. Aber wer weiß? Vielleicht funktioniert das Ganze und wird zu einer ganzen ernsten Meldung in 2020?]

Noch bevor der LHC am CERN Extradimensionen nachweisen konnte, gelang dem ESA-Satelliten PLANCK ("Einsteins Kosmos" stellte ihn vor) der Durchbruch: Ein Paralleluniversum ist nicht länger eine Spekulation – eines gibt es tatsächlich! Diese Erkenntnis geht klar aus den aktuellen PLANCK-Beobachtungsdaten hervor – und das noch bevor er den Himmel komplett abgescannt hatte.

PLANCKs Job
PLANCK fertigt derzeit eine Karte der kosmischen Hintergrundstrahlung an, die sich etwa 400.000 Jahre nach dem Urknall machte und noch heute überall am Himmel als schwaches Glimmen nachweisbar ist. In der Intensitätsverteilung der kosmischen Hintergrundstrahlung steckt eine Menge Information. So weiß  man aus deren Analyse der Hintergrundstrahlung schon seit einigen Jahren, dass das Weltall zum größten Teil aus Dunkler Energie (72%), Dunkler Materie (23%) und nur zum geringsten Teil aus normaler Materie, wie wir sie kennen (5%), besteht. So weit, so gut.

Die Entdecker
Jetzt ist es Forschern um den schweizerischen Kosmologen Lars Zirpech von der ETH Zürich gelungen, eine Aussage über ein anderes Universen zu machen. Wie geht das? Nun, die Karte der Hintergrundstrahlung ("CMB-Karte") bildet den gesamten Himmel ab, den wir von der Erde sehen können. Zirpech und sein Team haben an zahlreichen Stellen der Karte eine seltsame Dopplung von Mustern entdeckt (siehe Beobachtungsdaten von PLANCK im Bild).
Dazu kommentiert Zirpech: "Diese Dopplungen waren schon ein sehr merkwürdiger Zufall. Wir analysierten und verglichen die Muster und kamen zu dem Schluss, dass eigentlich zwei CMB-Karten übereinander liegen." Kosmologen haben schon länger vermutet, dass manche Strukturen mehrfach in die Hintergrundkarte eingeprägt worden sein könnten, aber bislang blieb diese Suche erfolglos. Bis heute. Zirpech bedient sich dem Modell vom Zyklischen Universum (nach Steinhardt & Turok 2001; z.B. hep-th/0103239; siehe Skizze) und erklärt die Dopplung folgendermaßen.

Zwei überlagerte CMB-Karten
Ein Muster der Hintergrundstrahlung stammt von unserem eigenen Universum, nämlich von einem Wasserstoff- und Heliumgas, das diese thermische Strahlung 400.000 Jahre nach dem Urknall auf den Weg geschickt hat – das ist völlig konform mit dem Standardmodell der Kosmologie. Diesem Muster überlagert ist jedoch ein zweites Strahlungsmuster. Zirpech: "Dieser zweite Anteil kommt von unserem Paralleluniversum. Ein zweites Universum ist von unserem über eine vierte, räumliche Extradimension getrennt. Die Hintergrundstrahlung im Paralleluniversum koppelt an ein neuartiges Feld, das wie ein Bote das Muster in unser Universum schickt." Zirpech bezieht sich auf das so genannte Radionfeld, das fester Bestandteil des Zyklischen Universums ist. Das Radion ist dafür verantwortlich, dass unser Universum gegen das Paralleluniversum schwingt – das kann so weit führen, dass beide Universen zusammenstoßen und dabei erneut ein Urknall stattfindet. Weil das periodisch immer wieder und wieder geschieht, spricht man vom Zyklischen Universum.
Das Radion kann sich im gesamten Raum, auch in den Extradimensionen, ausbreiten. Weil sich das Radionfeld bei der Wechselwirkung mit Photonen verändert, vermittelt es die Verteilung der Hintergrundstrahlung im Nachbaruniversum in unser Universum und wir beobachten zwei überlagerte Karten.

Bedeutung der Entdeckung
Diese Forschungsarbeit ist ein Durchbruch für die Kosmologie und es laufen bereits Wetten in der Community, dass Zirpech der nächste Anwärter auf den Nobelpreis für Physik sein wird. Wir können nun versichert sein: Es gibt mehr Dimensionen als Länge, Breite und Höhe und es gibt mehr als nur ein Universum.

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30. März 2010, 15:30

Den Physikern, Technikern und Ingenieuren am Large Hadron Collider (LHC) am CERN bei Genf gelang es heute am Di., 30.03.10 gegen 13 Uhr erstmals Protonen bei einer neuen Rekordenergie zusammenstoßen zu lassen. Herzlichen Glückwunsch an alle Beteiligten!

Der Teilchenbeschleuniger LHC
Der LHC ist der zurzeit leistungsstärkste Teilchenbeschleuniger der Welt. In ihm werden Protonen in einem 27 Kilometer umfassenden Ring mithilfe von elektrischen und magnetischen Feldern fast auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigt. Der LHC ist ein Collider, d.h. Teilchen werden zum Zusammenstoß gebracht: Eine Gruppe von etwa 10 Milliarden Protonen bewegt sich die eine Richtung und eine weitere Gruppe in die entgegengesetzte Richtung. Ist die Maximalgeschwindigkeit erreicht, die der Beschleuniger hergibt, zurzeit 3,5 TeV pro Strahl, werden die Teilchenbündel zur Kollision gebracht. In dem Feuerball steckt eine für Teilchen gewaltige Energie von 7 TeV – genug Energie, um Myriaden neuer Teilchen entstehen zu lassen, die mit einer Armada von Messgeräten nachgewiesen werden. Die Physiker hoffen dabei vollkommen neue Teilchen zu erzeugen, allen voran das Higgs-Teilchen oder vielleicht auch supersymmetrische Teilchen. Das Higgs-Teilchen wird in der Teilchenphysik benötigt, um die beobachteten, endlichen Massen aller anderen Teilchen zu erklären. Die supersymmetrischen Teilchen sind eine Erweiterung des Standardmodells der Teilchenphysik und sehen für jedes bekannte Teilchen eine Art "supersymmetrischen Zwilling" vor, also vollkommen neue Teilchen. Beide Entdeckungen wären von großer Bedeutung für die Physik und Astronomie. 

Warum Hadronen-Kollider?
Protonen gehören zur Familie der Hadronen; so bezeichnet man generell diejenigen Teilchen, die aus Quarks aufgebaut werden. Baryonen bestehen aus drei Quarks und Mesonen aus zwei Quarks. Die Protonen bestehen aus zwei up-Quarks und einem down-Quarks. Weil Quarks drittelzahlige Ladungen haben (up: +2/3, down: -1/3), resultiert daraus ein Proton mit ganzzahliger, positiver Elementarladung.

Was ist ein TeV?
Das Elektronenvolt (Einheitensymbol: eV) ist die Energieeinheit der mikroskopischen Welt. Es ist definiert als diejenige Energie, die ein Elektron erhält, wenn es eine Spannungsdifferenz von einem Volt durchläuft. Teilchenphysiker drücken auch die Teilchenmassen in Elektronenvolt aus. Dabei wenden Sie nichts anderes an, als Einsteins berühmte Gleichung E = mc^2 – Energie ist äquivalent zu einer Masse m; die unterschieden sich nur um das Quadrat der Vakuumlichtgeschwindigkeit c. Weil das eine gewaltige Zahl ist, steckt schon in einem Gramm Materie eine riesige Energie. Ein Elektron, ein negativ geladenes Elementarteilchen, das um einen Atomkern kreist, hat eine Masse von 511.000 Elektronenvolt oder kurz geschrieben 511 keV (eigentlich 511 keV/c^2). Ein Proton hingegen ist ungefähr 2000fach massereicher und hat eine Masse von 1.000.000.000 Elektronenvolt, einer Milliarde Elektronenvolt oder kurz 1 GeV (G steht für Giga).
Die Energie, die in dem heute am LHC erzeugten Feuerball steckt, hat satte 7.000.000.000.000 Elektronenvolt, also sieben Billionen Elektronenvolt oder kurz 7 TeV (T steht für Tera). Das entspricht rein rechnerisch 7000 Protonenmassen. In der mikroskopischen Welt ist das eine gewaltige Energie, was man daran sieht, wenn man die Energie auf die makroskopische Welt überträgt: 7 TeV ist ungefähr die Bewegungsenergie, die ein Moskito im Flug hat. Das klingt nicht sehr aufregend, aber man muss bedenken, in wie vielen Teilchen die Energie steckt: Beim Moskito steckt die Energie in ungefähr 10^24 Teilchen; beim LHC steckt die Energie in "nur" 10^10 Protonen. Es ist eine gewaltige Leistung in so wenig Teilchen, so viel Energie hineinstecken zu können.
Diese Energie lässt sich freisetzen, wenn man so hoch beschleunigte Teilchen zum Zusammenstoß bringt. Aus der Energie entsteht etwas Neues, nämlich neue Teilchen. Mit dem LHC kommen wir zu so hohen Energien, wie sie Teilchen kurz nach dem Urknall hatten. Deshalb ist der LHC ein "Guckloch" in den frühsten Kosmos.

Was passierte jetzt am LHC?
Am LHC gibt es vier Großexperimente, die sich an vier Kollisionspunkten der Protonenbündel befinden. Die Experimente heißen ATLAS, CMS, Alice und LHC-b und wurden bereits knapp in meinem Blog vorgestellt. 
Die Physiker werden mit den Detektoren an diesen vier Experimenten Messdaten sammeln. Ein Beispiel von heute Mittag zeigt das mit dem Experiment CMS aufgenommene Kollisionsereignis (Bild, Credit: Marzena Lapka, CERN). Wie man sich leicht vorstellen kann, ist allein das sehr schwierig, denn der LHC produziert pro Sekunde Unmengen an Daten. Die Daten werden in den nächsten Wochen und Monaten mit raffinierten Methoden analysiert und hoffentlich finden die Forscher dabei neue Teilchen bzw. neue Physik.
Die Teilchenphysiker am CERN könnten – sehr optimistisch betrachtet - vielleicht schon in diesem Jahr eine Aussage treffen, ob es supersymmetrische Teilchen gibt. Beim Higgs-Teilchen werden wir auf jeden Fall mehr Geduld haben müssen- vielleicht drei  Jahre, weil hierbei zunächst eine größere Datenmenge aufgesammelt werden muss, um daraus eine statistisch handfeste Aussage machen zu können.   

Zum weiteren Zeitplan
Der LHC soll nun für die nächsten 18-24 Monate bei einer Kollisionsenergie von 7 TeV laufen und Daten sammeln. Das soll nur von einem Technikcheck Ende 2010 unterbrochen werden. Nach Ablauf von spätestens 24 Monaten wird es eine längere Pause geben, um dann den LHC auf seine "Design-Energie" von 14 TeV hochzufahren. Drücken wir die Daumen!

Quelle:
CERN-Pressemitteilung 30.03.10

Medienecho:
ZDF,
tagesschau,
BILD,
Spiegel 

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14. März 2010, 12:48

von Andreas Müller & Janine Fohlmeister

Achtung, mitraten und ein Sachbuch gewinnen!

Das Café Astro ist nicht nur ein Treffpunkt für Damen. Das männliche Geschlecht trifft sich heute anlässlich der Fußballweltmeisterschaft. Die Gegner: Deutschland gegen Niederlande. Drei Männer, Allbert, Isaac und Stephen, schauen ebenfalls gebannt auf die Leinwand. Zur Feier des Tages gibt es natürlich Bier.

Noch ist das Spielfeld leer. Der Anpfiff steht kurz bevor – doch vorher gibt es das übliche Analysisgequatsche, Werbung und Kameraschwenks durch das Stadion. Isaac bestellt grad den begehrten Hopfenblütentee bei der rastlosen Bedienung: „Halo Madel, bring uns drei Korona, aber gut gekühlt, bitte!“ Die uns wohl vertraute Rosita japst nur ein „Ich bin gleich bei Euch.“ Die Stimmung ist gut, die Gäste johlen ein paar Schlachtrufe. Natürlich wird Rosita den prüfenden Blicken der männlichen Gäste unterzogen. Allbert murmelt: „Hast Du die Kellnerin gesehen? Was meinst Du?“ „Klarer Fall von Körbchengröße A“, meint Isaac lapidar. Stephen verzieht das Gesicht und sagt „Ja, diese Rosita ist leider asymptotisch flach“. „Hab‘ ich auch sofort ergannt“, platzt es aus Allbert heraus. Rosita, deren Ohren auch bei größtem Lärm jedes Signal herausfiltern, brüllt zu ihnen hinüber "Ihr Kerrle! In den Zentralregionen Eurer Hosen sehe ich auch keinen Bulge."

Die drei Checkerer lassen die Köpfe hängen. Isaac rümpft plötzlich die Nase und meint nur „Hier müffelt’s, Brüder!“. In der Tat riecht es unterm Tisch männermäßig unangenehm und wie sich herausstellt: Es sind Stephens Quanten. Allbert, der keine Socken trägt, steuert allerdings eine Duftnote bei. Isaac, der sich sozusagen im Zentrum der Stinkwolke befindet, schimpft: „Oh Jungens, das ist ja feynman! Regeln guten Benehmens kennt Ihr nicht, oder wie!?“ Wenn ein Geruch so stinkt, dann ist der Fluchtinstinkt sehr ausgeprägt. Um seine Kumpels nicht zu sehr zu kränken, spricht Isaac nur „Ich muss ‘ne Stange Wasser parken.“ Isaac - mittlerweile klein und blass, weil der innere Druck rapide zunimmt - entfernt sich. Wie ein weißer Zwerg läuft er orientierungslos, fast gehetzt durch die Menschenmenge. Seine Fluchtgeschwindigkeit ist enorm groß.

Als die beiden Männer, Allbert und Stephen, so allein am Tisch stehen, fällt ihnen auf, wie unaufgeräumt es unterm Tisch aussieht: Durch das ausbleibende Putzen hatte sich ein Staubtorus unter der Scheibe ausgebildet. Stephen grummelt „Sag‘ mal, warum eigentlich diese ständige Schauen nach Weibern? Das ist doch entartet, wir sind schließlich beide glücklich verheiratet.“ Das stimmt in der Tat: Allbert ist mit Nova verheiratet, einer jungen strahlenden Persönlichkeit. Seitdem trägt er einen wunderschönen Einstein-Ring am Finger. Neulich erst hatten die beiden den 10. Hochzeitstag, den Allbert beinahe vergessen hätte - hätte er nicht damals genau am gleichen Tag vor zehn Jahren seine erste Segelyacht gekauft. Nun bohrt wieder diese Frage in seinem Innern: Was schenke ich bloß diesmal meiner Frau zum Hochzeitstag? Beim letzten Mal schenkte Allbert seiner Nova eine PP-Kette, die sie seither stolz um den Hals trägt. Wofür das PP stand, hat er schon wieder vergessen; Patricia Prada oder so - egal. Stephen ist ebenfalls fest gebunden und lebt mit Chandra, einer jungen Röntgenärztin zusammen. Auch Isaac stand einmal kurz davor mit einer jungen Frau zu fusionieren. "War ‘ne üble Sache damals mit dem Flugzeugabsturz von Sofia.", sinniert Allbert, "Isaac war in ein tiefes, schwarzes Loch gefallen. Ich glaube, er stand kurz davor sich die Pulsardern aufzuschneiden."

Als Allbert und Stephen da so im Gespräch vertieft vor sich hin schweigen, kommt Isaac. „Isaac, was soll ich meiner Frau zum Hochzeitstag schenken?“, ruft Allbert. „Schenk ihr doch ein Gehege!“, antwortet Isaac. „Jetzt red‘ doch keinen Quarks, Isaac, Einsperren ist auch keine Lösung.“, mault Allbert. „Nein, doch nicht für Deine Frau, ich meine etwas mit Viechern, einen Tierkreis oder so.“, präzisiert sich Isaac. „O megageil, mein Lieber! Ich könnte ihr ein paar Hasen schenken.“, freut sich Allbert. Stephen ist die ganze Zeit quasar ruhig – er beobachtet ein Par sece am Nebentische. „Habt Ihr die Säcke da drüben schon bemerkt?“, fragt Stephen und fügt hinzu, „Den einen Bulk kenne ich. Ist der Sohn von Grid.“

Endlich kommt die eilig rotierende Rosita mit den drei Bieren vorbei und stellt sie wortlos und hastig auf den Tisch. „Danke, Schönheit“, ruft ihr Isaac hinterher. Offenbar fühlt sie sich nicht mit einer Kraft von ihm angezogen, die mit dem Abstandquadrat abfällt. „Eine Frage habe ich noch, Fräulein“, ruft Isaac Rosita an. „Mein Handy-Akku ist leer. Gibt’s hier irgendwo Strom?“, fragt Isaac. Die physikalisch grundgebildete Rosita antwortet: „Wenn Ihr Elektronen volt, da unten ist eine Steckdose.“ Sie zeigt auf eine schweinsnasige Öffnung in der Wand. Dieses Intermezzo zeigt, dass Isaac nicht unbedingt ein Frauentyp ist.

Ganz anders ist es mit Allbert: Mit seinem roten Kopf und der Körpergröße hatte er sich den Spitznamen roter Riese eingehandelt. Allbert ist im Prinzip das Alphamännchen des Männertrios und er mault unvermittelt los „Ich glaub ich spin‘! Ist das dunkel!“ In der Tat ist es am Tisch recht dunkel, und da Rosita die Beschwerde vernommen hat, stellt sie ein paar Standardkerzen auf. Ein angenehm warmes Licht breitet sich aus.

Das Spiel wird endlich angepfiffen und die Oranjes bekommen unter einer johlenden Menge im Café von Anfang an ordentlich eins auf die Mütze. Das 1:0 für Deutschland liegt in der Luft und nach einer exzellenten Vorbereitung durch Schweinsteiger verwandelt Klose mit einem Kopfballtor. „TOOOOOOOR!“, schreien Allbert, Isaac und Stephen im Chor und freuen sich begeistert. „Mann, das hat der Klose sehr gut gemacht.“, ereifert sich Allbert. Die Worte des Sportkommentators wurden von plötzlichem Lärm über den Köpfen der Cafégäste erschüttert. Ein Jet flog über sie hinweg. „Hey, gerade jetzt muss das sein!“, nörgelt Isaac. Nach einer spannenden ersten Halbzeit, in der die deutsche Nationalmannschaft den Druck auf die Oranjes erhöhen kann, verspüren unsere drei Protagonisten ein Vakuum in ihren Mägen.

Zum Glück gibt es im Café zur Feier des Tages eine Spezialität: Gravitationslinsensuppe. Die Männer haben jedoch vielmehr Lust auf Burger, so dass Allbert ruft: „Drei Big Rip, bitte.“ Die amerikanische Kost mundet delikat, füllt aber auch ganz schön ab. Isaac stöhnt „Jetzt beweg‘ ich mich kein epsilon mehr.“ In der zweiten Halbzeit kann die deutsche Elf ihren Vorsprung sogar ausbauen. Nach einem miesen Foul sieht ein Holländer die rote Karte und Deutschland kann den Druck erhöhen. Nach einem 2:0 in der 55. Minute und dem 3:0 in der 87. Minute kommt schließlich der erlösende Abpfiff. Allbert, Isaac und Stephen grinsen breit vor Freude. „Lass uns zahlen, Allbert“, meint Stephen. Doch die Sache hat einen Hawking: Effektiv hat Allbert leider kein Geld dabei. „Mann, Du bist auf der Planck-Skala echt ganz oben, Allbert!“, beschwert sich Isaac. „Na, und?“, protestiert Allbert zurück „Dafür hast Du einen ziemlich dicken Hintern! Ich will nicht Deine Jeansmasse wissen.“ „AGN!“, entfährt es Isaac nur. Stephen ist die Streitereien leid: „Oh, Isaac, mach, zahl endlich!“

So kommt es, dass Isaac Rosita her pfeift und die Rechnung komplett übernimmt. „Danke für die Einladung, Isaac“, flöten Stephen und Allbert im Chor. Isaac beschwert sich: „Naja, billig war das nicht gerade, Scheiß Inflation! Ich glaube fast, die haben hier eine höhere Mehrwertsteuer.“ „Meinst Du?“, fragt Allbert, „Hast Du die AGBs gelesen?“ Daraufhin antwortet Isaac: „Leider nein, denn für das Kleingedruckte reicht das Auflösungsvermögen meiner Brille leider nicht aus.“ „Okay, Jungens“, sagt schließlich Stephen zum Schluss „Dann gamma heim.“

In diesem nicht kursiven Text tummeln sich Begriffe und Namen aus der Astronomie, theoretischen Astrophysik und Physik, auch ein paar Bezeichnungen für Symbole, die dem griechischen Alphabet entlehnt sind. Jeder Begriff besteht aus mindestens drei Buchstaben und zählt nur einmal.

Mach‘ mit! Wer bis zum 19. März 2010, 12:00 Uhr die meisten versteckten Begriffe findet und hier im Kommentarbereich als erster postet, kann das handsignierte Sachbuch „Schwarze Löcher – Die dunklen Fallen der Raumzeit“ gewinnen.

AUFLÖSUNG

Das Café Astro ist nicht nur ein Treffpunkt für Damen. Das männliche Geschlecht trifft sich heute anlässlich der Fußballweltmeisterschaft. Die Gegner: Deutschland gegen Niederlande. Drei Männer, Allbert, Isaac und Stephen, schauen ebenfalls gebannt auf die Leinwand. Zur Feier des Tages gibt es natürlich Bier.

Noch ist das Spielfeld leer. Der Anpfiff steht kurz bevor – doch vorher gibt es das übliche Analysisgequatsche, Werbung und Kameraschwenks durch das Stadion. Isaac bestellt grad den begehrten Hopfenblütentee bei der rastlosen Bedienung: „Halo Madel, bring uns drei Korona, aber gut gekühlt, bitte!“ Die uns wohl vertraute Rosita japst nur ein „Ich bin gleich bei Euch.“ Die Stimmung ist gut, die Gäste johlen ein paar Schlachtrufe. Natürlich wird Rosita den prüfenden Blicken der männlichen Gäste unterzogen. Allbert murmelt: „Hast Du die Kellnerin gesehen? Was meinst Du?“ „Klarer Fall von Körbchengröße A“, meint Isaac lapidar. Stephen verzieht das Gesicht und sagt „Ja, diese Rosita ist leider asymptotisch flach“. „Hab‘ ich auch sofort ergannt“, platzt es aus Allbert heraus. Rosita, deren Ohren auch bei größtem Lärm jedes Signal herausfiltern, brüllt zu ihnen hinüber "Ihr Kerrle! In den Zentralregionen Eurer Hosen sehe ich auch keinen Bulge."

Die drei Checkerer lassen die Köpfe hängen. Isaac rümpft plötzlich die Nase und meint nur „Hier müffelt’s, Brüder!“. In der Tat riecht es unterm Tisch männermäßig unangenehm und wie sich herausstellt: Es sind Stephens Quanten. Allbert, der keine Socken trägt, steuert allerdings eine Duftnote bei. Isaac, der sich sozusagen im Zentrum der Stinkwolke befindet, schimpft: „Oh Jungens, das ist ja feynman! Regeln guten Benehmens kennt Ihr nicht, oder wie!?“ Wenn ein Geruch so stinkt, dann ist der Fluchtinstinkt sehr ausgeprägt. Um seine Kumpels nicht zu sehr zu kränken, spricht Isaac nur „Ich muss ‘ne Stange Wasser parken.“ Isaac - mittlerweile klein und blass, weil der innere Druck rapide zunimmt - entfernt sich. Wie ein weißer Zwerg läuft er orientierungslos, fast gehetzt durch die Menschenmenge. Seine Fluchtgeschwindigkeit ist enorm groß.

Als die beiden Männer, Allbert und Stephen, so allein am Tisch stehen, fällt ihnen auf, wie unaufgeräumt es unterm Tisch aussieht: Durch das ausbleibende Putzen hatte sich ein Staubtorus unter der Scheibe ausgebildet. Stephen grummelt „Sag‘ mal, warum eigentlich diese ständige Schauen nach Weibern? Das ist doch entartet, wir sind schließlich beide glücklich verheiratet.“ Das stimmt in der Tat: Allbert ist mit Nova verheiratet, einer jungen strahlenden Persönlichkeit. Seitdem trägt er einen wunderschönen Einstein-Ring am Finger. Neulich erst hatten die beiden den 10. Hochzeitstag, den Allbert beinahe vergessen hätte - hätte er nicht damals genau am gleichen Tag vor zehn Jahren seine erste Segelyacht gekauft. Nun bohrt wieder diese Frage in seinem Innern: Was schenke ich bloß diesmal meiner Frau zum Hochzeitstag? Beim letzten Mal schenkte Allbert seiner Nova eine PP-Kette, die sie seither stolz um den Hals trägt. Wofür das PP stand, hat er schon wieder vergessen; Patricia Prada oder so - egal. Stephen ist ebenfalls fest gebunden und lebt mit Chandra, einer jungen Röntgenärztin zusammen. Auch Isaac stand einmal kurz davor mit einer jungen Frau zu fusionieren. "War ‘ne üble Sache damals mit dem Flugzeugabsturz von Sofia.", sinniert Allbert, "Isaac war in ein tiefes, schwarzes Loch gefallen. Ich glaube, er stand kurz davor sich die Pulsardern aufzuschneiden."

Als Allbert und Stephen da so im Gespräch vertieft vor sich hin schweigen, kommt Isaac. „Isaac, was soll ich meiner Frau zum Hochzeitstag schenken?“, ruft Allbert. „Schenk ihr doch ein Gehege!“, antwortet Isaac. „Jetzt red‘ doch keinen Quarks, Isaac, Einsperren ist auch keine Lösung.“, mault Allbert. „Nein, doch nicht für Deine Frau, ich meine etwas mit Viechern, einen Tierkreis oder so.“, präzisiert sich Isaac. „O megageil, mein Lieber! Ich könnte ihr ein paar Hasen schenken.“, freut sich Allbert. Stephen ist die ganze Zeit quasar ruhig – er beobachtet ein Par sece am Nebentische. „Habt Ihr die Säcke da drüben schon bemerkt?“, fragt Stephen und fügt hinzu, „Den einen Bulk kenne ich. Ist der Sohn von Grid.“

Endlich kommt die eilig rotierende Rosita mit den drei Bieren vorbei und stellt sie wortlos und hastig auf den Tisch. „Danke, Schönheit“, ruft ihr Isaac hinterher. Offenbar fühlt sie sich nicht mit einer Kraft von ihm angezogen, die mit dem Abstandquadrat abfällt. „Eine Frage habe ich noch, Fräulein“, ruft Isaac Rosita an. „Mein Handy-Akku ist leer. Gibt’s hier irgendwo Strom?“, fragt Isaac. Die physikalisch grundgebildete Rosita antwortet: „Wenn Ihr Elektronen volt, da unten ist eine Steckdose.“ Sie zeigt auf eine schweinsnasige Öffnung in der Wand. Dieses Intermezzo zeigt, dass Isaac nicht unbedingt ein Frauentyp ist.

Ganz anders ist es mit Allbert: Mit seinem roten Kopf und der Körpergröße hatte er sich den Spitznamen roter Riese eingehandelt. Allbert ist im Prinzip das Alphamännchen des Männertrios und er mault unvermittelt los „Ich glaub ich spin‘! Ist das dunkel!“ In der Tat ist es am Tisch recht dunkel, und da Rosita die Beschwerde vernommen hat, stellt sie ein paar Standardkerzen auf. Ein angenehm warmes Licht breitet sich aus.

Das Spiel wird endlich angepfiffen und die Oranjes bekommen unter einer johlenden Menge im Café von Anfang an ordentlich eins auf die Mütze. Das 1:0 für Deutschland liegt in der Luft und nach einer exzellenten Vorbereitung durch Schweinsteiger verwandelt Klose mit einem Kopfballtor. „TOOOOOOOR!“, schreien Allbert, Isaac und Stephen im Chor und freuen sich begeistert. „Mann, das hat der Klose sehr gut gemacht.“, ereifert sich Allbert. Die Worte des Sportkommentators wurden von plötzlichem Lärm über den Köpfen der Cafégäste erschüttert. Ein Jet flog über sie hinweg. „Hey, gerade jetzt muss das sein!“, nörgelt Isaac. Nach einer spannenden ersten Halbzeit, in der die deutsche Nationalmannschaft den Druck auf die Oranjes erhöhen kann, verspüren unsere drei Protagonisten ein Vakuum in ihren Mägen.

Zum Glück gibt es im Café zur Feier des Tages eine Spezialität: Gravitationslinsensuppe. Die Männer haben jedoch vielmehr Lust auf Burger, so dass Allbert ruft: „Drei Big Rip, bitte.“ Die amerikanische Kost mundet delikat, füllt aber auch ganz schön ab. Isaac stöhnt „Jetzt beweg‘ ich mich kein epsilon mehr.“ In der zweiten Halbzeit kann die deutsche Elf ihren Vorsprung sogar ausbauen. Nach einem miesen Foul sieht ein Holländer die rote Karte und Deutschland kann den Druck erhöhen. Nach einem 2:0 in der 55. Minute und dem 3:0 in der 87. Minute kommt schließlich der erlösende Abpfiff. Allbert, Isaac und Stephen grinsen breit vor Freude. „Lass uns zahlen, Allbert“, meint Stephen. Doch die Sache hat einen Hawking: Effektiv hat Allbert leider kein Geld dabei. „Mann, Du bist auf der Planck-Skala echt ganz oben, Allbert!“, beschwert sich Isaac. „Na, und?“, protestiert Allbert zurück „Dafür hast Du einen ziemlich dicken Hintern! Ich will nicht Deine Jeansmasse wissen.“ „AGN!“, entfährt es Isaac nur. Stephen ist die Streitereien leid: „Oh, Isaac, mach, zahl endlich!“

So kommt es, dass Isaac Rosita her pfeift und die Rechnung komplett übernimmt. „Danke für die Einladung, Isaac“, flöten Stephen und Allbert im Chor. Isaac beschwert sich: „Naja, billig war das nicht gerade, Scheiß Inflation! Ich glaube fast, die haben hier eine höhere Mehrwertsteuer.“ „Meinst Du?“, fragt Allbert, „Hast Du die AGBs gelesen?“ Daraufhin antwortet Isaac: „Leider nein, denn für das Kleingedruckte reicht das Auflösungsvermögen meiner Brille leider nicht aus.“ „Okay, Jungens“, sagt schließlich Stephen zum Schluss „Dann gamma heim.“

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11. März 2010, 12:44

Nach heutigem Kenntnisstand ist das Objekt mit dem Namen A0620-00 im Sternbild Einhorn das nächste Schwarze Loch zur Erde. Keine Angst – es ist mehrere tausend Lichtjahre von uns entfernt, so dass uns auf der Erde von diesem Loch keine Gefahr droht. In diesem Beitrag soll es darum gehen, woher man das alles weiß.

Die Entdeckungsgeschichte von A0620-00
In den Jahren 1975-76 wurde ein Helligkeitsausbruch im Bereich der Röntgenstrahlung am Himmel beobachtet, der eine Röntgenintensität von der 50fachen Intensität des bei hohen Strahlungsenergien sehr hellen Crab-Nebel erreichte. Was war das bloß für ein Objekt am Himmel? Eine Sternexplosion?
Optisch wurde in Richtung dieses Ausbruchs ein Gegenstück entdeckt. Es hört auf den Katalognamen V616 Mon, liegt also im Sternbild Monoceros, dem Einhorn. Das Einhorn liegt "direkt links" vom berühmten Wintersternbild Orion. Die optischen Eigenschaften von V616 Mon lassen darauf schließen, dass dieses Objekt ein Zwergstern vom Spektraltyp K5 ist.
Die Röntgenquelle zeigt Helligkeitsvariationen, die sehr gut dadurch erklärt werden können, dass ein kompakter Röntgenstern um den optischen Zwergstern kreist. Die Helligkeitsvariationen kommen durch die Umkreisung der Sterne umeinander und die Auswirkungen des Doppler-Effekts zustande. Aus der Helligkeitsvariation lassen sich daher die beiden Sternmassen im Doppelstern und die Neigung der Bahnebene zum Beobachter (Inklination) bestimmen. Die Neigung beträgt ungefähr 50 Grad. Der Zwergstern hat nur 0,4 Sonnenmassen und der Röntgenstern hat 6,6 Sonnenmassen – zu viel für einen Neutronenstern und nicht die passenden Eigenschaften für einen normalen Stern. Deshalb muss der kompakte Begleitstern ein stellares Schwarzes Loch sein. Solche Röntgendoppelsterne sehen aus, wie in der Grafik illustriert - im Unterschied zur Grafik muss man sich bei A0620-00 anstelle des Roten Riesen nur einen Zwergstern denken.

A0620-00 gehört zur Klasse der soft X-ray transients (SXTs), damit sind Röntgenquellen gemeint, die nur für kurze Dauer eine gewisse Helligkeit bei weichen, also kleinen, Röntgenenergien erreichen. Der gewaltige Ausbruch in den 1970er-Jahren, eine Nova, war bis heute der Weltrekord für alle Röntgendoppelsterne. A0620-00 war einige Tage lang heller als alle Röntgendoppelsterne in der Milchstraße zusammen! Seitdem geschah aber nichts Aufregendes mehr. Die Quelle befindet sich in einer Art Ruhezustand (engl. quiescent mode) und weist eine Röntgenleuchtkraft von 3 x 10^30 erg/s auf.
Das Schwarze Loch "spuckt" offenbar einen Teil der Sternmaterie wieder aus, denn Radiobeobachtungen belegen das Vorhandensein eines kräftigen Materiestrahls, der vom Loch ausgeht. Das ist ein Jet.

Röntgenastronomie besagt: Das Loch rotiert langsam
Die Modelle in der Röntgenastronomie erlauben es sogar zu ermitteln, ob sich das Schwarze Loch um sich selbst dreht. In der Theorie sind nicht rotierende Schwarze Löcher (Schwarzschild-Typ) und rotierende Schwarze Löcher (Kerr-Typ) bekannt.  Das Ausmaß der Rotation kann man in eine Größe packen, die Spin- oder Kerrparameter a genannt wird. Bei a = 0 rotiert das Loch gar nicht; bei a = 1 rotiert es maximal.

Wie ist das nun bei  A0620-00? Die Rotation des Schwarzen Loches, also den a-Wert, können Astronomen aus beobachteten Röntgenspektren bestimmen. Röntgenastronomen benutzen dafür das Softwarepaket XSPEC.
Die Materie, die vom Zwergstern in das Schwarze Loch stürzt, führt eine Drehbewegung aus, die ihr der Stern mitgibt. Dieser Drehimpuls führt dazu, dass sich um das Schwarze Loch eine dünne rotierende Materiescheibe ausbildet: die Akkretionsscheibe.
Diese Scheibe besteht aus einem Plasma, das vom generellen Trend umso heißer wird, je weiter innen es sich in der Scheibe befindet. Die Scheibe gibt Wärmestrahlung ab, also die Strahlung eines Schwarzen Körpers. Es ist schon in den 1970er-Jahren gelungen, ein Modell für diese dünne Scheibe zu entwickeln, dass auch mit der Allgemeinen Relativitätstheorie verträglich ist (Novikov-Thorne-Modell von 1973). Man kann mit den Modellen den inneren Rand der Akkretionsscheibe bestimmen. Je schneller ein Schwarzes Loch sich um sich selbst dreht, um näher liegt der Scheibeninnenrand am Loch. Aus dem mit XSPEC gemessenen Innenrand der Scheibe folgt sofort die Lochrotation, also der Spinparameter a.
Das XSPEC-Modell heißt übrigens KERRBB2 (entwickelt von Li et al. 2005) und ist benannt nach der Kerr-Metrik eines rotierenden Loches und nach dem Schwarzen Körpers (engl. blackbody=BB). Aus der Anpassung des Modells an die Messdaten ("Fit") folgen der Spinparameter a und die Akkretionsrate, also wie viel Materie das Loch pro Zeit verschluckt. Je mehr es pro Zeit verschluckt, umso höher ist die Röntgenleuchtkraft.
Mit den Beobachtungsdaten von Röntgenteleskopen folgte nun, dass das Schwarze Loch in A0620-00 recht langsam rotiert (a = 0,12) und nicht besonders heftig Materie schluckt (Akkretionsrate von 1,6 x 10^18 g/s; das ist deutlich unter der Eddingtonrate).

Entfernungsbestimmung von A0620-00
Der Begleitstern kann genutzt werden, um die Entfernung des Röntgendoppelsterns zu bestimmen. Spektraltyp und Radius des Zwergsterns dienen zur Abschätzung der absoluten Helligkeit. Aus der beobachteten, scheinbaren Helligkeit und einer Berücksichtigung der Rötung des Sternenlichts durch interstellaren Staub auf dem Weg zur Erde folgt mit dem Distanzmodul die Entfernung.
Die Entfernung von A0620-00 beträgt nur 1,06 kpc, also knapp 3500 Lichtjahre. Damit handelt es sich das nächste kosmische Schwarze Loch zur Erde.
Unsicherheiten in der Entfernung von A0620-00 gibt es in der Tat, denn die Klassifizierung des Spektraltyps des Zwergsterns schwankt zwischen K3 und K7. Spektraltypen werden in zehn Stufen zwischen 0 und 9 feiner unterteilt.

Noch nähere Löcher?
Ob es Schwarze Löcher gibt, die noch näher an der Erde sind, ist schwer zu sagen. Denn im Prinzip macht sich ein Schwarzes Loch, das wenig Materie verschluckt kaum bemerkbar. A0620-00 ist nur deshalb aufgefallen, weil für relativ kurze Zeit Materie vom Nachbarstern in das Schwarze Loch stürzte.
Und natürlich könnte es deutlich nähere Schwarze Löcher geben, nämlich Schwarze Mini-Löcher auf der Erde, die beim Bombardement der Erdatmosphäre mit kosmischer Strahlung entstanden und nach extrem kurzer Zeit durch Aussendung von Hawking-Strahlung zerfielen.

Quellen:
Cantrell et al. arXiv preprint 1001.0261
Gou et al. arXiv preprint 1002.2211

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24. Februar 2010, 18:57

Ich bin ein Spanner, zumindest akustisch. Neulich belauschte ich vier Damen im Café „Astro“ und sie hatten sich viel zu erzählen. Hier kommt die Geschichte, was sich da zutrug:

Amanda, Alice, Alma und Lisa nahmen gerade in einem italienischen Café Platz. Eine junge Frau mit Schürze hstete gerade am Tisch vorbei. Lisa fragte: „Xeusi, junge Frau. Bedienen Sie hier?“ Die Angesprochene antwortete: „ Nein, ich nicht, aber Rosita. eRosita! Komm mal rüber.“ So kam eine andere Dame an den Tisch, die die Bestellung aufnahm. Alice wollte die erste Runde aufnehmen und sprach: „Vier Esopressos, bitte.“ „Die heißen Espressi.“, korrigierte die polyglotte Amanda, worauf Alice konterte: „Das ist mir doch integral!“ Zur Verwunderung aller ergänzte Lisa:  „Meinen mit Icecubes, bitte.“ Nach einer Weile kam die Kellnerin mit den köstlichen Kaffeegetränken zurück. Die Eiswürfel für Lisa wurden getrennt serviert und sahen aus wie Ligo-Steine. Lisa ließ sie mit einem deep impact in ihrem Kaffee verschwinden. (weiter)

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11. Februar 2010, 22:47

Glob'ste nich, wa? Gib's aba! Zwar nicht im Land der unbegrenzten Möglichkeiten, aber dafür nördlich davon, in einem Land, wo eigentlich dem Namen nach keiner sein sollte: Kana da.

Jetzt isser aber bald da, der Hawking. Und es wird Tage geben, die einem Studi ein Hawking-Strahlerlächeln ins Gesicht zaubern. Solche Tage werden im Sommer 2010 am PI verlebt werden können.
PI – das  steht nicht etwa für eine transzendente Kreiszahl, sondern für einen hochpotenten Kreißsaal, in dem neue Ideen der theoretischen Physik geboren werden. Das PI ist das renommierte Perimeter-Institut für Theoretische Physik in Waterloo im Staat Ontario, Kanada. (weiter)

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31. Januar 2010, 19:21

Nach der gängigen Lehrmeinung kollabieren massereiche Sterne am Ende ihres Sternenlebens zu einem Schwarzen Loch. Könnten Quanteneffekte diesen Prozess verhindern?

Klassische Schwarze Löcher sind Gebilde der Allgemeinen Relativitätstheorie, einer Gravitationstheorie, die Quanteneffekte nicht berücksichtigt. Die Relativitätstheorie sagt die Existenz Schwarzer Löcher voraus. Wir wollen nun der spannenden Frage nachgehen, ob der Kollaps auf ein Schwarzes Loch aufgehalten werden kann, wenn man Quanteneffekte berücksichtigt.

Die Theoretiker diskutieren eine Vielzahl von alternativen Modellen zum klassischen Schwarzen Loch. Dazu gehören Bosonensterne, Fermionensterne, Fusselbälle, Holosterne, Gravasterne und neuerdings Schwarze Sterne (engl. black stars, gelegentlich auch "Dunkle Sterne" nach engl. dark stars). Letztere sind Gegenstand der Titelgeschichte der aktuellen Ausgabe von "Spektrum der Wissenschaft" [1].

Eine Gegenüberstellung
Klassische Schwarze Löcher haben im Innern eine unendliche Dichte in der Singularität, und sie haben einen Ereignishorizont.
Schwarze Sterne haben im Innern keine unendliche Dichte, und sie haben keinen Ereignishorizont. Der Raum selbst verhindert den Kollaps auf die Singularität. Schwarze Sterne sind vielmehr normalen Sternen vergleichbar. So haben sie eine feste Oberfläche – das macht sie zugegebenermaßen sympathisch. Sie sind sehr dunkel durch die Gravitationsrotverschiebung, aber eben nicht absolut schwarz wie klassische Schwarze Löcher, von denen am Horizont tatsächlich null Emission ausgeht.

Ansatz aus der Theorie
Die drei Theoretiker Carlos Barcelo (IAA Spanien), Matt Visser (Univ. Wellington, Neuseeland), Stefano Liberati (SISSA Italien) und Sebastiano Sonego (Univ. Udine, Italien) bedienten sich der sog. semiklassischen Quantengravitation [2,3], einer Methode, die bereits Stephen Hawking in den 1970er Jahren zur Ableitung der berühmten Hawking-Strahlung benutzte. In diesem Regime wird die Gravitation behandelt wie in der Allgemeinen Relativitätstheorie, d.h. als gekrümmte Raumzeit ohne Quantisierung, hinzu kommen allerdings Teilchen, die wie Quantenfelder beschrieben werden.

Rolle des Vakuums
Die Schlüsselrolle spielt nun das Vakuum. In den Feldgleichungen der semiklassischen Quantengravitation tritt das Vakuum auf der rechten Seite im Energie-Impuls-Tensor auf. In einem normalen Stern spielt dieser Term (mit der Gestalt <0|T|0>, eine Vakuumpolarisation) keine Rolle. Doch im Kollaps wird die Sternmaterie so stark verdichtet, dass dieser Anteil wichtig werden kann.  Er kann sogar antigravitativ wirken und so den Kollaps bremsen.

Quanteneigenschaften retten Sterne
Es wäre nicht das erste Mal, dass Quanteneffekte im Kollaps eine Rolle spielen würden. Schon bei den Weißen Zwergen und den Neutronensternen sind es Quanteneffekte – das Pauli-Prinzip der Quantenmechanik – die einen neuen Entartungsdruck hervorrufen und die Weiße Zwerge bzw. Neutronensterne stabilisieren und vor dem Kollaps auf ein Schwarzes Loch retten.

Aufbau eines Schwarzen Sterns
Gemäß dem Modell haben Schwarze Sterne einen endlichen Radius und nehmen die höchste Temperatur im Zentrum an. Die Autoren machen leider keine Angaben zur Zustandsgleichung eines Schwarzen Sterns, der offenbar auch nur durch die Eigenschaft Masse charakterisiert wird.
Auch Schwarze Sterne emittieren eine Art Hawking-Strahlung - auch ohne Ereignishorizont. Somit strahlen sie Information ab und würden damit das Informationsparadoxon klassischer Schwarzer Löcher lösen. (Wir erinnern uns: Wegen der Frage, ob Schwarze Löcher Information vernichten oder nicht, verlor Hawking 2004 eine Wette.)

Mein Gesamteindruck
Problematisch ist, dass Schwarze Sterne in der Praxis kaum von Schwarzen Löchern zu unterscheiden sind. Unterschiede treten erst bei Abständen auf, wo der Ereignishorizont klassischer Schwarzer Löcher beginnt. Und so nahe kommen die Astronomen noch nicht an die beobachteten Kandidaten für Schwarze Löcher heran.
Das Hauptproblem wird leider im SdW-Artikel nicht erwähnt: Rotation ist wichtig. Die Autoren beschreiben nicht einen rotierenden Schwarzen Stern. Sie behaupten zwar in [2], dass alle Schlussfolgerungen auf andere (insbesondere rotierende) Lösungen übertragen werden können, aber sie bleiben den Beweis schuldig. Die Rotation der kosmischen Kandidaten für Schwarze Löcher ist jedoch wichtig, denn sie wird in vielen Fällen gemessen (sowohl bei Kandidaten für stellare, als auch für solche von supermassereichen Schwarzen Löchern). Außerdem gibt es in der Astrophysik Vorgänge, die unbedingt schnell rotierende Loch-Raumzeiten erfordern, so die Erzeugung von relativistischen Jets [4].
Bei mir bleibt ein Rest von Unbehagen bei diesem neuen Vorschlag, der viele Grundfragen der theoretischen Physik unbeantwortet lässt und nicht wirklich verträglich ist mit astronomischen Beobachtungen.

Literatur
[1] Barcelo et al. SdW Ausgabe 02/2010
[2] Barcelo et al., Phys. Rev. D 2008. Preprint
[3] Visser et al., General Relativity and String Theory 2008. Preprint
[4] Müller Andreas, Sachbuch "Schwarze Löcher – Die dunklen Fallen der Raumzeit", Spektrum Akademischer Verlag 2009. Weblink zum Buch.

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