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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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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11. Dezember 2009, 09:07

Liebe Leserinnen, liebe Leser
Heute bin ich in eigener Sache unterwegs: Mein erstes Buch ist in den Läden. Es hat den Titel "Schwarze Löcher - Die dunklen Fallen der Raumzeit" und erscheint in der populärwissenschaftlichen Reihe "Astrophysik aktuell" bei Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg. Das Buch richtet sich an Schüler, Lehrer, Studenten, Hobbyastronomen und interessierte Laien. (weiter)

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08. Januar 2009, 22:12

Hühner legen Eier. Aus niedlichen kleinen Küken werden wieder Hühner und trifft dieses einen Hahn, der seinerseits ein Küken war, so werden daraus neue Eier und daraus wieder Hühner usw. Vielleicht staunen Sie, dass der Herr Müller so wunderbar aufgeklärt daherreden kann. Jahaaa. Aber ich hab' da 'mal 'ne gute Frage: War zuerst ein Huhn da, das diese osterhasenfreundliche Kettenreaktion in Gang gebracht hat oder war zuerst ein Ei da? (weiter)

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08. August 2008, 22:48

Wie quetscht man 26.000 Jahre in 10 Minuten? Kein Problem: Lesen.

24.000 vor Christus
Ein namenloser Steinzeitmann blickt an den sternübersäten Nachthimmel. Zur gleichen Zeit, woanders im Kosmos, genauer gesagt tief im Zentrum unserer Heimatgalaxie Milchstraße, macht sich eine Schar Lichtteilchen auf den Weg ins All. Sie haben einen langen Weg vor sich – bis zur Erde.

4000 vor Christus
Die Sumerer siedeln sich im Zweistromland zwischen Euphrat und Tigris, dem heutigen Irak, nieder. Es ist ein Volk der Pioniere der Zahlen und des Sternenhimmels. Die Babylonier übernehmen vieles dieser Kultur und sehen in einer bestimmten Sternenkonstellation einen Löwenkopf mit Flügeln. Ägypter und Inder sehen darin vielmehr einen Reiter oder Bogenschützen.

3340 vor Christus
In den Ötztaler Alpen erliegt ein reicher, kleiner Mann, Mitte 40, seinen Verletzungen. Ein Pfeil verletzte ihn tödlich. Alles sieht nach einem Überfall aus - War Habgier das Motiv?

Um 0
Die Griechen deuten die sumerische Sternenfigur als Zentauren, ein Mischwesen aus Pferdeleib und Männeroberkörper, bewaffnet mit Pfeil und Bogen. Im Lateinischen wurde der Schütze später zum Sternbild Sagittarius (Sgr), dem Schützen.

1783 nach Christus
Das Mittelalter ist schon lange vorüber. Referent John Michell stellt in seiner Rede vor der Royal Society Sterne vor, die durch ihre Gravitation ihr eigenes Sternenlicht einfangen könnten.

1868
In Südfrankreich, nahe dem Ort Cro-Magon, finden Forscher fünf Menschenskelette, darunter unser namenloser Steinzeitmann. Der Teaser-Protagonist ist schon lange tot.

1916
Der Physiker Albert Einstein veröffentlicht eine neue Theorie der Gravitation, in der die Schwerkraft geometrisch als verbogene Raumzeit aufgefasst wird. Der deutsche Astronom Karl Schwarzschild löst als erster Einsteins Gleichungen und findet die verbogene Raumzeit einer Punktmasse. Am Ort der Masse wird die Krümmung der Raumzeit unendlich. Im gleichen Jahr stirbt Schwarzschild.

1932
Der US-amerikanische Radioingenieur Karl Guthe Jansky entdeckt im Sternbild Schützen eine helle Radioquelle, genannt Sgr A*.

1967
Der Relativitätstheoretiker John Wheeler erfindet einen Namen für die Punktmassen, die Schwarzschild berechnet hat. Er greift den Zuruf aus seinem Vortragspublikum auf und nennt diese Gebilde black holes: Schwarze Löcher.

1969
Die Astrophysiker Donald Lynden-Bell und Martin Rees etablieren ein Modell, in dem Schwarze Löcher Materie aus ihrer Umgebung aufsammeln. Die dabei auftretenden Leuchtkräfte der Strahlung in der Nähe des Lochs können bei hoher Einfallrate extrem hoch werden. Diese akkretierenden, supermassereichen Schwarzen Löcher können damit die rätselhaften Quasare sehr elegant erklären.

1980
Der Astronom Charles Townes mutmaßt, dass sich bei Sgr A* eine extrem hohe Massenkonzentration befinden könnte.

1991
Deutsche Bergwanderer entdecken eine Gletschermumie  beim Tisenjoch in den Ötztaler Alpen. "Ötzi" hat schlechte Zähne, ist häßlich, tätowiert, tot, aber bald weltberühmt.

1993
US-amerikanische Radioastronomen entdecken im Zentrum der Milchstraße eine Mini-Spirale: eine Struktur turbulenter Gasbewegung – offenbar Material in einigen Parsec Entfernung zur Mitte der Milchstraße, das in das kompakte Zentrum unserer Heimatgalaxie stürzt.

 

1995
Astronomen des Max-Planck-Instituts für extraterrestrische Physik (MPE) in Garching um Reinhard Genzel und Andreas Eckart beobachten mit Infrarotteleskopen die Bewegung von Sternen um das Zentrum der Milchstraße. Indirekt lassen diese Beobachtungen den Schluss zu, dass die kompakte Radioquelle Sgr A* mit einem sehr kompakten, dunklen Objekt von etwa 2.4 Mio. Sonnenmassen assoziiert ist. Dies kann direkt mithilfe des 3. Kepler-Gesetzes gefolgert werden. So viel Masse, auf so wenig Raum? Da kann doch eigentlich nur ein supermassereiches Schwarzes Loch im Herzen unserer Heimatgalaxie lauern, oder?

1998
US-amerikanische Astronomen um Andrea Ghez beginnen ähnliche Studien zum Zentrum der Milchstraße wie die MPE-Gruppe. Die Amerikaner benutzen die Keck-Teleskope auf Hawaii. Ein Wissenswettlauf entbrennt, der bis heute anhält. Insgesamt stimmen die unabhängig gewonnenen Forschungsergebnisse  der beiden konkurrierenden Gruppen überein.

1999
DJ Ötzi landet 1999 mit "Anton aus Tirol" einen Hit. Er hat gute Zähne, ein weißes Mützerl, ist lebendig und bald weltberühmt – zumindest in Deutschland.

2003
Die Infrarotastronomen des MPE Garching beobachten weiterhin das Zentrum der Milchstraße, diesmal allerdings mit dem leistungsfähigen Very Large Telescope (VLT) in Chile. Die Sternbewegungen deuten nun auf ein schwereres Schwarzes Loch von etwa 3 Mio. Sonnenmassen hin. Blitze im Nahinfrarotbereich legen sogar den Verdacht nahe, dass das superschwere Schwarze Loch im Zentrum der Milchstraße rotiert und zwar mit dem halben Wert vom Maximum.

2003
Anstelle eines Schwarzen Loches könnte ein Bosonenball im Zentrum der Milchstraße sitzen. Auch andere Modelle wie der Gravastern oder der Holostern können als Alternative zum klassischen Schwarzen Loch nicht ausgeschlossen werden. Der aktuelle Favorit bei den Astronomen ist das Schwarze Loch, dessen Existenz die Singularitätentheoreme einfordern und das als Relikt von Kollapsrechnungen nach Einsteins Theorie resultiert.

2004
Röntgenastronomen um Bernd Aschenbach am MPE Garching nutzen den europäischen Röntgensatellit XMM-Newton, um das superschwere Schwarze Loch bei Sgr A* zu untersuchen. Das Resultat im hochenergetischen Bereich der Strahlung bestätigt die Masse von etwa 3 Mio. Sonnenmassen, weist aber auf eine deutlich höhere Lochrotation am theoretischen Limit  hin. Diese Interpretation folgt aus der Analyse der Spektren von Röntgenblitzen, die sich in unmittelbarer Nähe zum Loch ereignen. Was da blitzt, ist bislang unklar.

2004
Ein junger Astrophysiker liefert seine Doktorarbeit zum Thema Schwarze Löcher ab. Er möchte jetzt wieder regelmäßig Zähneputzen, wird sich niemals tätowieren lassen, ist total lebendig und wird weltberühmte Forscherkollegen haben, die weder Anton, noch Ötzi heißen.

2005
Infrarotastronomen am MPE beginnen mit der Planung des neuen Instruments GRAVITY. Projektleitung hat Frank Eisenhauer (MPE). GRAVITY soll die räumlichen Strukturen im Zentrum der Milchstraße noch besser auflösen. Die Auflösung soll am Himmel Strukturen von etwa zehn Mikrobogensekunden auflösen – das entspricht in etwa der scheinbaren Größe des Schwarzschildradius eines 3 Mio. Sonnenmassen schweren Loches in einer Entfernung von 26.000 Lichtjahren.

2007
Ein Ü30-Astrophysiker schreibt eine aktuelle Zusammenfassung zum größten Schwarzen Loch in seiner Heimatgalaxie und veröffentlicht sie auf seiner Website.

2008
Die eingangs erwähnte Schar von Lichtteilchen kommt nach 26.000jähriger Reise durch das All im Orionarm der Milchstraße bei der Sonne und schließlich auf der Erde an. Sie erzählen uns eine aufregende Geschichte vom Zentrum unserer Heimatgalaxie – vom Riesenloch in der Milchstraße.

Vielen Dank an KOSMOlogs-Leser Marco für diesen Leserwunsch!

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04. Juni 2008, 22:30

Sind Experimente an modernen Teilchenbeschleunigern gefährlich? Könnte am LHC ein Schwarzes Loch im Mini-Format entstehen? Diese Fragen werden derzeit heiß diskutiert. Der Beitrag "Das Ende der der Welt?" von Astronom Leonard Burtscher ist seit Wochen ein Dauerbrenner und der am meisten kommentierte Beitrag in den KOSMOlogs. Offensichtlich gibt es ein großes Interesse der Öffentlichkeit an diesem Thema. In den KOSMOlogs versuchen viele Physiker die Sorgen der kritischen Öffentlichkeit aufzufangen und durch eine sachliche Argumentation zu entkräften. (weiter)

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28. Mai 2008, 00:10

Diese provokative Behauptung soll zum Nachdenken anregen. Gibt es klassische Schwarze Löcher, die Lösungen der Einsteinschen Feldgleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie sind, tatsächlich in der Natur? Tausende Doktorarbeiten wurden über "Black Holes" geschrieben (u.a. meine eigene) - ist das alles Makulatur? Nachdem es in den letzten Jahren bahnbrechende Erfolge in der Erforschung Schwarzer Löcher gab; nachdem ich mich seit zehn Jahren intensiv mit der Forschung auf dem Gebiet Schwarzer Löcher beschäftigt habe, bleibt eine gute Portion Skepsis, ob die klassischen Schwarzen Löcher der Relativitätstheorie (einer immerhin unquantisierten Gravitationstheorie) in der Natur existieren. Ich möchte in diesem Beitrag kurz vorstellen, weshalb Skepsis gerechtfertigt ist. 

Einsteins Feldgleichungen
Die Feldgleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie (ART) lauten vereinfacht G = T, wobei G der Einstein-Tensor und T der Energie-Impuls-Tensor sind. Diese Gleichung bedeutet, dass Masse und Energie (rechte Seite) die Raumzeit krümmen (linke Seite). Gravitation ist nach Einstein nichts anderes als eine geometrische Krümmung der Raumzeit. Körper fallen im Schwerefeld, weil sie der Raumkrümmung folgen müssen und zwar entlang von Geodäten. Die Feldgleichung ist nur scheinbar einfach; tatsächlich handelt es sich in voller Schönheit ausgeschrieben um einen Satz von zehn partiellen, nicht-linearen, gekoppelten Differentialgleichungen. Mathematiker können für solch ein Ungetüm keine geschlossen vollständige Lösung hinschreiben (das unterscheidet sie von gewöhnlichen Differentialgleichungen). Es bleibt den Relativisten nichts anderes übrig, als Speziallösungen zu entdecken. Diese Speziallösungen sind gekrümmte Raumzeiten, in denen die Gravitation eine spezielle Gestalt und u.U. spezielle Symmetrien annimmt.

Das klassische Loch
Ein klassisches Schwarzes Loch ist gerade eine spezielle Form einer Raumzeit, die die obige Einsteinsche Feldgleichung löst. Die wesentlichen Schwarze Löcher in der Astrophysik werden durch die Schwarzschild-Lösung (statisch und kugelsymmetrisch) und die Kerr-Lösung (rotierend und achsensymmetrisch) beschrieben. Es handelt sich dabei sogar um Lösungen der vereinfachten Feldgleichung G = 0, der so genannten Vakuumfeldgleichung. Hier verschwindet der Energie-Impuls-Tensor T auf der rechten Seite, weil es keine Quellen der Gravitation geben soll. T = 0 bedeutet in Worten, dass es ein (relativistisches) Vakuum gibt. Das muss in der ganzen Raumzeit gelten! Physiker sagen, dass es eine globale Eigenschaft sei.
Das Schwarzschild-Loch ist nichts anderes als eine Punktmasse mit nur einer einzigen Eigenschaft: der Masse M. Das Kerr-Loch ist ein Ringstrom, aber dennoch punktförmig und hat zwei Eigenschaften: Masse M und Drehimpuls J. Drehimpuls besagt gerade, dass das Loch rotiert.
Untersucht man nun die Eigenschaften der klassischen Löcher à la Schwarzschild und Kerr, so findet man zwei Strukturen, die beiden gemein ist: Sie haben (mindestens) einen Ereignishorizont und eine Krümmungssingularität im Zentrum. Der Ereignishorizont markiert eine kugelförmige Zone um das Loch, ab der es kein Entrinnen mehr gibt und Körper in das Loch hineinfallen müssen. Die Krümmungssingularität zeichnet sich dadurch aus, dass hier die Krümmung der Raumzeit unendlich wird. Dies folgt aus der Diskussion von mathematischen Krümmungsgrößen in der Einsteinschen Theorie, die Krümmungsinvarianten (Riemannsche Invarianten und Weylsche Invarianten) genannt werden.

Bedeutung des Vakuums
Mir kommt es hier besonders auf folgenden Umstand an: Schwarzschild- und Kerr-Raumzeit sind Vakuumraumzeiten, d.h. es gilt global T = 0. Wesentlich ist das Attribut global, das uns sagt, dass selbst in der Singularität gilt: G = 0 und T = 0. In der zentralen Singularität herrscht ebenso Vakuum, genauso wie überall in der Raumzeit. Global.
Wie passt nun die unendliche Krümmung in der Singularität zur Gleichung G = 0? G ist ein Tensor 2. Stufe, der sich aus einer Differenz des Ricci-Tensors 2. Stufe und des metrischen Tensors 2. Stufe zusammensetzt. Das komplizierteste Gebilde der Einsteinschen ART ist der Riemannsche Krümmungstensor 4. Stufe. Er enthält alle Informationen über die Krümmungseigenschaften der Raumzeit, auch die unendliche Krümmung in den Singularitäten. Nun ist es aber so, dass der Ricci-Tensor 2. Stufe aus dem Riemannschen Tensor 4. Stufe hervorgeht, wenn der Riemann-Tensor mit dem metrischen Tensor multipliziert wird. Relativisten nennen dieses Produkt eine "Verjüngung". Damit geht auch ein "Informationsverlust" über die Krümmungseigenschaften einher, weil der Ricci-Tensor 2. Stufe viel weniger Komponenten hat, als der Riemann-Tensor 4. Stufe. Vor allem geht die Information über die unendliche Krümmung verloren, so dass die linke Seite der Feldgleichung G = 0 ist, also regulär ist.  

Kandidaten für Schwarze Löcher im Kosmos
Widmen wir uns nach so viel relativistischer Mathematik - sind Sie noch da? - nun der Astronomie. In Einsteins Kosmos wimmelt es offenbar von Schwarzen Löchern. Ehrlicherweise sollten wir sagen, dass es von Kandidaten für klassische Schwarze Löcher wimmelt. Astronomen messen hohe Massenkonzentrationen auf kleinstem Raum, z.B. in Röntgendoppelsternen und in Zentren von Galaxien. Sind das wirklich klassische Schwarze Löcher? Haben diese kosmischen Gebilde wirklich einen Ereignishorizont und eine zentrale Krümmungssingularität? Astronomische Beobachtungen werden so zur Bewährungsprobe des klassischen Lochs. Fakt ist, dass bislang weder Ereignishorizont, noch Singularität experimentell verifiziert wurden! Wie können wir dann sicher sein, dass es wirklich ein klassisches Loch ist? Wir können nicht sicher sein! Aber auf der anderen Seite muss man zugestehen, dass rotierende Schwarze Löcher, beschrieben durch die Kerr-Metrik, viele beobachtete kosmische Phänomene und viele theoretische Mechanismen exzellent beschreiben. Kerr-Löcher sind derzeit das beste Modell in der Astrophysik, das wir für Schwarze Löcher haben. Eine (z.B. quantisierte) Alternative zum Kerr-Loch muss erstmal ebenbürtige Leistungen vollbringen. Eine solche Alternative ist nicht in Sicht.
Ein zweiter Aspekt: Passt das globale Vakuum zur kosmischen Wirklichkeit? Hier darf Kritik angemeldet werden, weil in der Natur ein solches Vakuum sicher nicht realisiert ist. In der Umgebung von kosmischen Kandidaten für Schwarze Löcher gibt einfallende Materie, die ihrerseits die Raumzeit verbiegt, z.B. wenn ein massereicher Torus (eine Art Materiering) um das Loch kreist. In der ART gibt es keine selbstkonsistente Lösung der Gleichung G = T mit einem Schwarzen Loch im Zentrum und einer massereichen Materiescheibe in der Umgebung.
 
Singularitätentheoreme fordern Existenz klassischer Löcher
Sie mögen einwenden, dass Stephen Hawking und Roger Penrose Mitte der 1960er Jahre doch mit den Singularitätentheoremen gezeigt haben, dass Schwarze Löcher existieren müssen. Es handelt sich dabei um mathematische Sätze, die unter einigen Voraussetzungen auf die notwendige Existenz von Singularitäten hinauslaufen. Aber die Voraussetzungen der Singularitätentheoreme müssen vielleicht nochmals für ein mikroskopisches Regime geprüft werden. Gelten die Singularitätentheoreme auch in der Quantenwelt?

Warum ist Gravitation nicht quantisiert?
Ein anderer Besorgnis erregender Befund ist, dass es bislang nicht gelungen ist, die Gravitation zu quantisieren. Für alle anderen Naturkräfte gibt es eine Quantenfeldtheorie - nur nicht für die Schwerkraft. Müssen wir das hinnehmen? Oder sind wir gerade dabei den Quantencharakter der Schwerkraft bei der Entwicklung der Loop-Quantengravitation und der Stringtheorien zu verstehen? Klassische Schwarze Löcher sind jedenfalls Objekte einer unquantisierten Gravitation und damit eventuell nicht der Weisheit letzter Schluss.

Ausweg Gravitationwellenforschung
Mittels elektromagnetischen Wellen bzw. Photonen wird es den Astronomen niemals gelingen Ereignishorizont und Singularität nachzuweisen. Die Singularität ist nun einmal hinter dem Schleier des Ereignishorizonts verborgen und daher prinzipiell unsichtbar (Raum-Zeit-Diagramme zeigen: "Singularitäten liegen in der Zukunft des Beobachters."). Der Ereignishorizont ist eine Zone mit exakt null elektromagnetischer Emission. Dadurch dass es bei Helligkeitsmessungen immer einen messtechnischen bedingten Fehlerbalken gibt, wird man eine exakt verschwindende Emission niemals nachweisen können, selbst mit dem besten Auflösungsvermögen von Teleskopen. Ich sehe derzeit nur die Möglichkeit, dass die genauen Eigenschaften der Raumzeit mittels Gravitationswellen möglich ist. Ihre Wellenform erlaubt es, die "Haare des Lochs" (Masse, Drehimpuls, auch elektrische Ladung) zu messen. Leider ist der direkte Nachweis von Gravitationswellen bislang nicht gelungen. Das sollte jedoch innerhalb der nächsten Jahre passieren. Messungen an vielen Gravitationswellendetektoren (LIGO, Geo 600 etc.) laufen ja bereits.

Der erhobene Zeigefinger
Bewahren wir uns daher eine gesunde Skepsis und glauben wir nicht die vollmundigen Behauptungen in Pressemitteilungen à la "Wieder ein Schwarzes Loch entdeckt". Den Begriff "Schwarzes Loch" muss man hier als Platzhalter für ein kompaktes, dunkles Objekt sehen, das vielleicht weder Ereignishorizont, noch Singularität besitzt. Bleiben Sie kritisch - Haken Sie nach - Suchen Sie Alternativen zum Loch. Im Allgemeinen entpuppt sich die Natur als komplizierter, als das vom Menschen gemachte Modell.

 

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20. April 2008, 22:26

Astronomen haben ein aufregendes Doppelsystem aus zwei supermassereichen Schwarzen Löchern in 3,5 Mrd. Lichtjahren Entfernung untersucht [1]. Sie befinden sich im Zentrum einer Galaxie mit der Katalogbezeichnung OJ 287. Die beiden Löcher kreisen um den gemeinsamen Schwerpunkt, ein Tanz bei dem ein Umlauf etwa 12 Jahre dauert. Zum Vergleich: Die Umlaufzeit des Gasriesen Jupiter um unsere Sonne beträgt auch 12 Jahre.
Aus dem Studium der Bewegung der Löcher folgt, dass das zentrale Loch das massenreichere ist und eine Masse von 18 Mrd. Sonnen hat - meines Wissens ist das bislang das schwerste Loch im Kosmos. Das kleinere Loch hat hingegen eine Masse von 100 Mio. Sonnen - auch recht ordentlich; eventuell ist das der Kern einer kleineren Galaxie, die mit QJ 287 zusammenstieß. Das zentrale Schwarze Loch ist verantwortlich für einen aktiven Galaxienkern, der als sog. BL Lac-Objekt klassifiziert wurde.

Räumliche Größe des zentralen Massengiganten
Nehmen wir an, das zentrale Loch rotiere nicht. Der Ereignishorizont hätte dann bei 18 Mrd. Sonnenmassen einen Radius von 54 Mrd. Kilometern oder 360 Astronomischen Einheiten. Das entspricht etwa 9fachen der Distanz Sonne-Pluto. Ein wahrhaft gigantisches Loch!
(Falls das Loch rotiert, wäre es kleiner – Minimum 4,5fache Entfernung Sonne-Pluto)

Das Besondere am Lochpaar
Das massereiche Zentralloch sammelt Materie aus der Umgebung auf. Dabei hat sich eine ausgedehnte Materiescheibe ausgebildet, die leuchtet und astronomisch beobachtbar ist. Trifft nun das umlaufende kleinere Loch auf die Materiescheibe, findet ein bemerkenswerter Helligkeitsausbruch statt, der ebenfalls astronomisch mehrfach beobachtet wurde. Aus diesen regelmäßigen Ausbrüchen folgt die Umlaufzeit anhand der Lichtkurven (Diagrammen mit der Helligkeit über der Zeit). Was mich fasziniert hat: Astronomen beobachten die wechselnde Helligkeit von OJ 287 im Optischen schon seit mehr als hundert Jahren! Die alle 12 Jahre wiederkehrenden zwei Helligkeitsspitzen, assoziiert mit dem Crash des kleinen Loches und der Materiescheibe, sind schon lange bekannt. 

Das Besondere an der Entdeckung?
Systeme mit zwei massereichen Schwarzen Löcher (engl. massive binary black holes) wurden bereits entdeckt, so z.B. NGC 6240 [2]. Das Grandiose an der Untersuchung von OJ 287 und die Rechtfertigung für die Publikation im renommierten Fachjournal Nature ist, dass das Doppelsystem Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie bestätigt. Insbesondere passen die Beobachtungsdaten hervorragend zur Erwartung aus der Theorie, dass die beiden Löcher Gravitationswellen abgeben. Derartige Wellen werden von beschleunigten Massen abgegeben. Ihre Amplitude ist umso größer, je größer die beteiligten Massen und die Beschleunigungen sind. Die Abstrahlung der Gravitationswellen beim Tanz zweier solcher Lochtitanen ist enorm. Durch die abgegebenen Gravitationswellen verliert das System Energie. Folglich nähern sich nach langen Zeiträumen die Löcher immer mehr an - in ferner Zukunft werden sie zu einem noch schwereren Loch verschmelzen.
Im Falle von OJ 287 ist der Energieverlust durch Gravitationswellen so groß, dass sich die Periode der Helligkeitsausbrüche beim Treffen des Lochs auf die Materiescheibe merklich verschiebt. Die Forscher errechneten, dass der Ausbruch 20 Tage später stattgefunden hätte als beobachtet, wenn man die Gravitationswellen in der Kalkulation nicht berücksichtigt. So passt der Ausbruchszeitpunkt jedoch bestens zu Einsteins Physik und bestätigt indirekt die Abgabe von Gravitationswellen. Bislang gelang ein indirekter Nachweis der Gravitationswellen nur bei Paaren kompakter Sterne, den sog. Binärpulsaren (Hulse-Taylor-Pulsar, Nobelpreis 1993).

Die Entdecker
Erstautor des Nature-Papiers ist Prof. Dr. Mauri Valtonen, Uni Turku in Finnland. Bitte unbedingt auf die finnische Website über OJ 287 schauen! Von deutscher Seite zeichnet sich der Astronom PD Dr. Jochen Heidt von der Landessternwarte Heidelberg für die Beobachtungen verantwortlich. Die deutschen und finnischen Teams arbeiten im europäischen Projekt ENIGMA zusammen. Das gelüftete Geheimnis um die doppelte Helligkeitsspitze von OJ 287 stellt einen spektakulären und respektablen Erfolg dieser europäischen Kooperation dar. Mich hat es begeistert.

Quellen:
[1] Valtonen et al., Nature, 452, 851, 2008: A massive binary black-hole system in OJ 287 and a test of general relativity (Ausgabe vom letzten Donnerstag)
[2] Komossa et al., ApJ 582, 15, 2003: Discovery of a Binary Active Galactic Nucleus in the Ultraluminous Infrared Galaxy NGC 6240 Using Chandra

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03. April 2008, 03:13

Der Röntgendoppelstern XTE J1650-500 enthält mit 3,8 Sonnenmassen das bislang masseärmste, kosmische Schwarze Loch. Dies gaben Nikolai Shaposhnikov vom Goddard Space Flight Center der NASA und sein Kollege Lev Titarchuk auf der Tagung American Astronomical Society High-Energy Astrophysics Division Meeting am 31.03.08 in Los Angeles bekannt [1].

Zur Beobachtung und Methode
XTE J1650-500 wurde bereits 2001 mit dem NASA-Röntgenteleskop Rossi X-ray Timing Explorer (RXTE) im Sternbild Altar am Südhimmel entdeckt. Shaposhnikovd und Titarchuk konnten mit RXTE die heiße Materie beobachten, die in das Schwarze Loch hineinfällt. Sie sammelt sich aufgrund der Rotation in einer sich drehenden Materiescheibe, der Akkretionsscheibe, an. In dieser Scheibe können charakteristische Schwingungen auftreten, die die Fachwelt quasiperiodische Oszillationen (QPOs) nennt. Solche Schwingungen im Materiefluss übertragen sich in Helligkeitsvariationen der Röntgenstrahlung. Astronomen bestimmen daher aus dem "Röntgenflackern" die Eigenschaften der Akkretionsscheibe. Weil die QPOs auch mit der Lochmasse zusammenhängen, dienen derartige Beobachtungen auch zur Massenmessung der Löcher (natürlich verbunden mit einem gewissen Messfehler).
RXTE eignet sich bestens für Röntgenbeobachtungen, die eine hohe zeitliche Auflösung erfordern. Damit ist RXTE ideal für QPO-Untersuchungen.

Größe des Lochs
Die Größe eines Schwarzen Loches hängt mit seiner Masse und seiner Rotationseigenschaft (physikalisch: dem Drehimpuls) zusammen.
Unter der Annahme, dass das Loch nicht rotiere, können wir die Größe des Loches direkt aus der Masse folgern. Dieser Schwarzschildradius 2GM/c² (G: Gravitationskonstante, M: Lochmasse, c: Vakuumlichtgeschwindigkeit) beträgt bei 3,8 Sonnenmassen gerade 11,2 Kilometer, d.h. das Loch durchmisst nur 22 Kilometer - nicht mehr als eine Großstadt.
Frühere Messungen an XTE J1650-500 legen allerdings nahe, dass das Loch auch rotiert [2]. Dann reduziert sich seine Größe bis maximal auf die Hälfte, so dass es durchaus plausibel ist anzunehmen, dass der Durchmesser des Loches nur gut 11 Kilometer beträgt.
Fast alle kosmischen Löcher rotieren sehr schnell. Der Ereignishorizont von rotierenden Löchern (Kerr-Löchern) ist grundsätzlich deutlich kleiner.

Welche Masse erlaubt die Sternentwicklung?
XTE J1650-500 unterbietet den bisherigen Lochwinzling GRO 1655-40 mit einem stellaren Loch von der 6,3fachen Masse der Sonne. Das Schwarze Loch ist ein so genanntes stellares Schwarzes Loch, d.h. das Loch ist aus einem massereichen Stern hervorgegangen (Gravitationskollaps). Stellare Löcher wiegen so viel wie drei bis hundert Sonnen.
Die spannende Frage für Astronomen ist, wie klein kosmische Schwarze Löcher überhaupt werden können. Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie erlaubt beliebig kleine und beliebig große Löcher. Da aber kosmische Löcher aus dem Kollaps von Sternen bestimmter Massen hervorgehen, muss es eine beobachtete Mindestmasse geben. Nun hängt es entscheidend davon ab, wie groß die kollabierende Masse ist. Ist sie groß genug, entsteht ein stellares Schwarzes Loch. Ist sie kleiner, entsteht ein Neutronenstern. Der Übergangsbereich vom Neutronenstern zum Schwarzen Loch liegt irgendwo zwischen 0,7 (Oppenheimer-Volkoff-Grenze) und 3,2 Sonnenmassen. Leider können die Astrophysiker das bisher nicht genauer auf der Grundlage ihrer Modelle sagen.
Deshalb sind Massenbestimmungen von Kandidaten für Schwarze Löcher (und für Neutronensterne natürlich auch) aus der Beobachtung so wichtig.

Beurteilung der Entdeckung
Es ist zu bedenken, dass die Entdeckung derzeit "nur" als Pressemeldung kursiert. Damit wir ihr Gewicht besser einschätzen können, empfiehlt es sich, nach einer wissenschaftlichen Publikation von Shaposhnikovd und Titarchuk in den nächsten Tagen Ausschau zu halten, die die Beobachtung untermauert (ich will u.a. Angaben zum Messfehler sehen!). Eine Recherche nach dem Paper unter arXiv.org ist also noch notwendig.

Geht's noch kleiner?
Sehr wahrscheinlich ja, was die kosmischen Löcher angeht - siehe Übergangsbereich Neutronenstern - Loch. Vielleicht geht es deutlich kleiner, falls die Physiker ein Mini-Loch mit der Masse von etwa tausend Protonen im Teilchenbeschleuniger LHC am CERN in Genf herstellen - siehe die aktuelle Diskussion bei KOSMOlogger Leonhard Burtscher über "Das Ende der Welt?".

Quellen:
[1] Pressemitteilung der NASA (2008)
[2] Pressemitteilung von Chandra (2003)

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