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Wenn Schwarze Löcher kugelförmig sind, sollten sie dann nicht Licht aus allen Richtungen absorbieren? Wie würde man den Lichtring erklären. was sieht eher aus wie ein 2D-Ring als eine Kugel?
Man kann den Ereignishorizont nie wirklich sehen, man sieht das Gas, das im Begriff ist, in den Ereignishorizont einzutreten und dabei heiß wird. Aber dieses Gas hat eine Geschichte, es fällt nicht einfach rein. Die Geschichte gibt ihm einen Drehimpuls, wie das Wasser in einer ablaufenden Badewanne. Es dreht sich also spiralförmig hinein und fällt nicht gerade hinein, und dies erzeugt eine Scheibenform, die als Akkretionsscheibe bezeichnet wird. Die Scheibe muss nicht so dünn wie ein Pfannkuchen sein, aber sie ist alles andere als kugelförmig, und das wird durch die starke Schwerkraft (die die Helligkeitsschwankungen und die zentrale dunkle Kugel erzeugt) noch weiter verzerrt.
Die Scheibe hat ein Loch in der Mitte, weil die Bahnen irgendwann instabil werden und schnell unter den Ereignishorizont fallen. Man könnte argumentieren, dass wir nicht wirklich den Ereignishorizont sehen, wo er schwarz wird, wir sehen den Abfall der Gasdichte, wo die Umlaufbahnen nicht mehr stabil sind und die langsame Spirale in einen sehr schnellen Fall übergeht, sondern die Art und Weise, wie sich die starke Schwerkraft krümmt auch die Lichtstrahlen sind immer sehr wichtig.
Die Verzerrung durch die starke Schwerkraft ist es, was die allgemeine Relativitätstheorie auf die Probe stellt, von der alle so begeistert sind. Die starke Schwerkraft erzeugt einen "Schatteneffekt", sodass Sie die Akkretionsscheibe nicht von oben sehen müssen, um eine kugelförmige Schwärze in der Mitte zu erhalten.
Newton, Kepler-Modell und Schwarze Löcher Hol
Egal, ob Sie an eine flache Erde, das heliozentrische Modell glauben oder denken, die Erde sei ein großes, kugelförmiges Dodekaeder mit einem allmächtigen Solenoid, das das Leben selbst diktiert, Neil Degrasse Tysons Worte werden immer auf Sie zutreffen. „Wissenschaftlich gebildet zu sein bedeutet, sich selbst in die Lage zu versetzen, zu wissen, wann jemand anderes voller Bullshit ist“ (Tyson, 2017). Egal, woran Sie glauben, die Wissenschaft wird immer in der Lage sein, ihre Handlungen zu rechtfertigen, es sei denn, es ist gut, "Bullshit". Genau daran glaubte der Physiker Johannes Kepler aus dem 16. Jahrhundert, als er Erde, Mond und das Universum als Ganzes erforschte. Auf diese Weise entwickelte er seine 3 planetarischen Bewegungsgesetze und wurde der erste und wohl „echte“ Astrophysiker der Geschichte (Walding, Rapkins, Rossiter, 1999). Damit konnte Kepler einen der größten Beiträge zur modernen Astrophysik leisten, die jemals geleistet wurden. Seine planetarischen Bewegungsgesetze beantworteten viele der Anomalien, die das heliozentrische Modell aufwarf, aber sie hatten Mühe, genau zu bestimmen, welche Naturkraft von der Sonne ausgeübt wurde (Walding, Rapkins, Rossiter, 1999). Dies blieb eine wichtige Frage innerhalb der Gesellschaft, bis 1687 der unglaublich egoistische, aber talentierte Arzt, bekannt als Isaac Newton, in den Kampf eintrat. Mit Keplers Gesetzen der Planetenbewegung konnte Newton seine Grundgesetze für das Universum ableiten und wie jeder arrogante Mathematiker, der auf die Gesellschaft herabschaute, benannte er sie nach sich selbst (Isaac Newton: The man who discover Gravity, n.d.). Newtons geschaffenes Gesetz hat die von Kepler aufgestellten an sich gerissen, da es unter allen Bedingungen funktionierte und Fragen beantwortete, die Kepler nicht konnte Gesetz der planetaren Bewegung (Isaac Newton: Der Mann, der die Schwerkraft entdeckte, nd).
Anhand der Daten seines verstorbenen Mentors beobachtete Johannes Kepler die natürliche Symmetrie des Universums und stellte fest, dass nicht jeder Planet eine perfekt kugelförmige Umlaufbahn um die Sonne hatte. Dies stellte die damaligen vorgefassten Meinungen in Frage, da die Mehrheit der Gesellschaft glaubte, dass die Umlaufbahnen eines Planeten der perfekten Form folgten – einem Kreis. (National Aeronautics and Space Administration, 2009) Durch das Verständnis dieses Konzepts erkannte Kepler, dass ein Planet einer elliptischen Bahn folgte, im Gegensatz zu einer sphärischen. Dies hat die Astrophysik insgesamt verändert, da ein Kreis einen zentralen Brennpunkt hat, während eine Ellipse zwei zentrale Brennpunkte hat. Dies bedeutete, dass der Abstand zwischen den beiden Brennpunkten bestimmen würde, wie elliptisch die Umlaufbahn eines Planeten ist, im Gegensatz dazu, dass es sich nur um einen perfekten Kreis handelt (High School Physics Explained, 2017). Das Maß der elliptischen Bahn eines Planeten wird als Exzentrizität bezeichnet. Wie in Abbildung 1 gezeigt, hat Merkur eine sphärischere Umlaufbahn als Pluto, was theoretisch bedeutet, dass seine Exzentrizität einen niedrigeren Wert als die von Pluto haben sollte. Dies ist in der Tat richtig, da Pluto eine Exzentrizität von 0,25 hat, die größer ist als die von Merkur 0,21 (High School Physics Explained, 2017). Dies stellte sich als ziemlich verdammende Entdeckung heraus, da sie nicht nur die Sonne im Zentrum des Sonnensystems betrachtete, sondern auch gegen die Überzeugungen traditioneller Physiker argumentierte, jedoch hörte Kepler nicht auf, die Daten zu analysieren, nachdem er ein Gesetz entwickelt hatte der Planetenbewegung stoppte er nach seinem 3. Gesetz. Geben Sie das 2. und 3. Gesetz der Planetenbewegung von Kepler ein.
Durch die Analyse, Berechnung und das Verständnis der Daten von Tycho Brahe konnte Kepler schlussfolgern, dass die Sonne auf einem der Brennpunkte innerhalb einer elliptischen Umlaufbahn eines Planeten lag. (Walding, Rapkins, Rossiter, 1999). Durch diese Analyse konnte er ableiten, dass die Geschwindigkeit eines Planeten nicht konstant ist, sondern je nach Entfernung von der Sonne variiert. Dies bedeutete, dass, wenn eine Linie von der Sonne zum Planeten gezogen wurde, der Planet die Gebiete unabhängig von seiner Entfernung innerhalb derselben Zeit überstreichen würde. Betrachten wir Abbildung 2, die zeigt, dass der sonnennächste Punkt, das Perihel, gleichzeitig mit dem sonnenfernsten Punkt, dem Aphel, durchlaufen wird. Dies wäre nicht möglich, wenn die Umlaufbahn eines Planeten konstant wäre, da die größere Entfernung einer längeren Reisezeit entsprechen würde. Dieses inhärente Gesetz und die weitere Analyse von Tycho Brahes Daten halfen dabei, Keplers drittes und wohl größtes Gesetz aufzubauen, das Gesetz der Harmonien (Kepler’s Three Laws, o. J.).
Im Jahr 1619 hatte Galilei etwas, was man nur als „festes Abrocken“ bezeichnen kann, da er die von Kepler entwickelte Theorie nicht begreifen konnte (Walding, Rapkins, Rossiter, 1999). Keplers 3. Gesetz bildete die Periode eines Planeten im Verhältnis zu seinem Radius ab, indem er feststellte, dass „das Quadrat einer Umlaufperiode proportional zur Kubik der großen Halbachse ist“. (Keplers Drei Gesetze, o. J.). Durch weitere Tests, Analyse und Entwicklung dieses Modells war Kepler in der Lage, eine Formel zu erstellen, die die Proportionen der Idee verwendet, um Orbitalperioden abzubilden und schließlich die folgende Formel abzuleiten:
Dieses Gesetz ist in der Lage, die Periode jedes lokalen Objekts um einen bestimmten Planeten leicht zu bestimmen. Wenn wir zum Beispiel den Radius des Jupiter in Bezug auf die Periode und den Radius der Erde lokalisieren möchten, können wir das dritte Keplersche Gesetz verwenden
Diese drei Gesetze erschütterten zwar die damaligen Überzeugungen, ein Problem hatte Keplers Ideen jedoch geplagt, er konnte seine Erkenntnisse nicht beweisen. Daten, Berechnungen und andere Forschungen hatten gezeigt, dass Keplers Gesetz funktionierte, jedoch konnte kein Physiker erklären, warum es funktionierte oder welche Kraft diese Planeten in einer elliptischen Umlaufbahn hielt, bis Isaac Newton in den Kampf eintrat (High School Physics Explained, 2017).
Durch eine übertriebene Geschichte von missbräuchlichen Äpfeln konnte Newton die Idee der Schwerkraft entwickeln, die Fragen beantwortete, die Keplers Gesetze nicht konnten (Nix, 2015). Durch die Interpretation von Keplers Gesetzen, Daten und Berechnungen war Newton in der Lage, seinen Begriff der Gravitation auf die Planetenbewegung auszudehnen und seine Ideen zu synthetisieren, um Fragen zu beantworten, die Keplers Gesetze somit nicht an seine Erkenntnisse an sich reißen konnten. Wenn wir wirklich verstehen wollen, wie der Drahtzieher von Isaac Newton ist, müssen wir beim Ursprung beginnen. Sein entsprechendes veröffentlichtes Buch.
In seinem Buch von 1687 Philosophiae Naturalis Principia Mathematica, Newton beobachtete die Wechselbeziehungen zwischen der Masse eines Objekts und der von ihm ausgeübten relativen Kraft (National Aeronautics and Space Administration, 2009). Dabei konnte er feststellen, dass die ausgeübte Gravitationskraft umso stärker war, je größer die Masse eines Objekts war. Durch diese Grundlage der Gravitationstheorie war Newton in der Lage, den Mond als Objekt zu behandeln und seine Beschleunigung Objekten auf der Erde gegenüberzustellen. Durch das Verständnis seines ersten Bewegungsgesetzes, dass bewegte Objekte in Bewegung bleiben und ruhende Objekte dazu neigen, in Ruhe zu bleiben, wenn sie nicht von einer äußeren Kraft beeinflusst werden, wusste Newton, dass die Ursache der elliptischen Bahn das Ergebnis einer äußeren Kraft war Bei einem anderen Einwand würde es auf geradem Weg weiterfahren (National Aeronautics and Space Administration, 2009). Er synthetisierte diese Idee dann mit seinem Wissen in der Schwerkraft, um Objekte ihre Bahn aufgrund der Zentripetalkraft der Schwerkraft, die von anderen Objekten auf sie einwirkt, aufrechtzuerhalten (Kepler’s Three Laws, n.d.). Diese kürzlich entwickelte Entwicklung führte zur Bildung eines neuen Modells, bei dem die Schwerkraft eine Konstante war und die Kraft vom Produkt zweier Massen abhängig war, die umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstands zwischen ihnen waren.
Mit dieser abgeleiteten Gleichung konnte Newton die zwischen zwei Massenobjekten wirkende Schwerkraft berechnen. Mit dieser Formel lässt sich beispielsweise die zwischen Erde und Mond wirkende Schwerkraft berechnen.
Der Vorschlag von Kepler, dass die Sonne Planeten bewegte, indem sie „Strahlen wie Radspeichen“ freisetzte, die die Planeten in ihren Bahnen hielten, war ein interessantes Konzept, aber es hatte wenig bis gar keine wissenschaftliche Unterstützung, was viele Astronomen neugierig machte, wie dies funktionierte (Walding, Rapkins, Rossiter .). , 1999). Indem er erkannte, dass jeder Planet seine eigene Schwerkraft ausübte, die von seiner Masse abhängig war, entwickelte Newton Keplers Ideen und usurpierte ihn schließlich, indem er herausfand, dass es tatsächlich die von der Sonne ausgeübte Zentripetalkraft war, die Planeten dazu brachte, im Inneren zu bleiben ihre Bahnen (Kepler's Three Laws, nd). Dies bedeutete, dass die Gleichung weiter abgeleitet werden konnte, um das Keplersche Gesetz nicht nur zu beweisen, sondern es zu erweitern. Die folgende Gleichung wurde dann von Newton abgeleitet
Durch die Ableitung dieser Formel und das Verständnis, dass eine Zentripetalkraft der Schwerkraft auf Planeten einwirkt, baute Isaac Newton nicht nur auf den von Kepler gelegten Grundlagen auf, sondern bemächtigte sich seiner Erkenntnisse, um zu beweisen, dass sein Gesetz funktionierte. Dies half den Physikern beim Verständnis seines Gesetzes, da es nun einen Grund dafür gab, wie Planeten in der Umlaufbahn blieben, und einen endgültigen Beweis für die Funktionsfähigkeit seines Gesetzes.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Kepler ein herausragender Physiker war und für jemanden, der in einer Zeit lebte, in der die Erde der Mittelpunkt des Universums war, können seine Erkenntnisse, Gedankengänge und Entdeckungen nur als revolutionär bezeichnet werden. Seine drei Gesetze der Planetenbewegung beantworteten viele Anomalien des heliozentrischen Modells und revolutionierten die Astrophysik als Ganzes, ließen jedoch einige Fragen unbeantwortet. Durch das Ableiten, Analysieren und Verstehen von Keplers Gesetzen und Daten konnte Newton schlussfolgern, dass die Schwerkraft eine entscheidende Rolle in der Astrophysik spielt, und konnte gleichzeitig Keplers drittes Gesetz der Planetenbewegung beweisen. Dies baute auf Keplers Ideen und Erkenntnissen auf, beantwortete jedoch die beiden Anomalien, die Kepler nicht konnte, wodurch seine Erkenntnisse an sich gerissen und die Astrophysik insgesamt verbessert wurde. Neil Degrasse Tyson hat einmal gesagt: „Wissenschaftlich gebildet zu sein bedeutet, sich selbst zu ermächtigen, zu wissen, wann jemand anderes voller Bullshit ist“ (Tyson, 2017). Diese Idee mag auf den alltäglichen Plattboden zutreffen, aber wenn es darum geht zu verstehen, wie, wann oder wo Newton Kepler an sich gerissen hat, kann man es nicht als „Bullshit“ bezeichnen.
Der Staubsauger aus dem All
Der Begriff „Schwarz und Weiß“ bezieht sich auf etwas, das klar und geradlinig ist. Etwas wie Brot essen ist „schwarz und weiß“, Zähneputzen ist „schwarz und weiß“, aber die Physik hinter einem schwarzen Loch zu verstehen, passt nicht zur Definition von „schwarz und weiß“. Bis heute streiten Physiker über die Eigenschaften eines Schwarzen Lochs und um auch nur die Grundlagen zu erfassen, müssen wir genau wissen, was es „schwarz“ macht, wie es entsteht und wie sich Licht dabei verändert changes nähert sich einem schwarzen Loch. Somit versteht man von Natur aus die Grundlagen der nicht ganz so „Schwarz-Weiß-Physik“ von Schwarzen Löchern.
Schwarze Löcher sind ziemlich komplexe Objekte, die von Geheimnissen umgeben sind, aber eine der wenigen Fakten, die wir mit Sicherheit wissen, betrifft ihre Entstehung. Schwarze Löcher entstehen, wenn ein Stern in unserem Universum zusammenbricht. In einem Standardstern gleicht die Kraft, die durch die Kernfusion in seinem Kern ausgeübt wird, mit der auf ihn einwirkenden äußeren Schwerkraft aus. Dieses Gleichgewicht hält ihn jedoch stabil, aber wenn ein Stern stirbt, wird dieses Gleichgewicht gestört, wodurch die äußere Schwerkraft begünstigt wird. Dadurch implodiert er und innerhalb von Sekundenbruchteilen gibt der Stern große Energiemengen ab, während er seine Masse zu einem viel kleineren Objekt verdichtet (Kurzgesagt – In a Nutshell, 2015). Die Masse des kondensierten Objekts, des Reststerns, ist eine Variable, da sie von der Masse des Muttersterns abhängt. Es gibt jedoch viele Sterne, die sich aus einem Reststern bilden können, wie Rote Riesen, Weiße Zwerge usw. Aber eines sind diese Sterne haben gemeinsam, dass die nach außen gerichtete Gravitation und die ausgeübte innere Kraft im Gleichgewicht sind und so eine weitere Verdichtung der Masse verhindert (Khan, nd). Dieses Szenario bleibt wahr, bis das Thema Schwarze Löcher erreicht ist. Schwarze Löcher entstehen, wenn ein Stern mit einer Masse von mehr als dem Dreifachen der Sonnenmasse kollabiert. Wenn dies geschieht, ist die nach außen gerichtete Gravitation viel stärker als die Widerstandskraft und keine Kraft kann verhindern, dass die Masse des Sterns in sich zusammenfällt (Kurzgesagt – In a Nutshell, 2015). Dieses Schwarze Loch, oder mit anderen Worten, der tote Stern, hat einen ziemlich düsteren Anfang, aber was noch schlimmer ist, sind die Missverständnisse, die diese schwarzen Löcher umgeben.
Es wird allgemein angenommen, dass Schwarze Löcher den Monstern ähneln, die wir in unseren Haushalten halten – dem sagenumwobenen Staubsauger (Crash Course, 2015). Diese Annahme ist von Natur aus lächerlich, denn bei einem Staubsauger sind die Physik und der Zusammenhang schwarz und weiß, bei Schwarzen Löchern jedoch nicht so sehr. Wir glauben, dass diese Annahme wahr ist, da Schwarze Löcher große, starke Gravitationsfelder haben, die wir als etwas wahrnehmen, das alle Materie in sich aufsaugen würde, ähnlich wie ein Staubsauger (Crash Course, 2015). Diese Idee ist von Natur aus fehlerhaft, denn wenn ein Schwarzes Loch entsteht, folgt es den Prinzipien der Gravitation, wodurch seine Stärke mit zunehmender Entfernung schwächer wird (Walding, Rapkins, Rossiter, 1999). Dies gilt in einem solchen Maße, dass es keine drastischen Veränderungen für die Erde geben würde, wenn die Sonne in unserem eigenen Sonnensystem durch ein Schwarzes Loch ersetzt würde, vorausgesetzt, wir finden eine andere Quelle, die Wärme erzeugt (Crash Course, 2015). Die Schwerkraft hängt auch davon ab, wo Sie sich entlang des Schwarzen Lochs befinden. Betrachten Sie Abbildung 3, sie zeigt die drei Hauptregionen eines Schwarzen Lochs, den Ereignishorizont, den Schwarzschild-Radius und die Singularität (Walding, Rapkins, Rossiter, 1999). In jedem dieser Bereiche ändert sich die Kraft, die aufgrund des Schwarzen Lochs auf das Objekt einwirkt, d. h. wenn sich ein Objekt einem Schwarzen Loch nähert, nimmt die auf es wirkende Kraft zu, wenn sich seine Entfernung von der Singularität verringert
(Walding, Rapkins, Rossiter, 1999). Dies bedeutet, dass, wenn sich ein Objekt dem Singularitätspunkt innerhalb des Schwarzen Lochs nähert, die Schwerkraft, die aufgrund des Schwarzen Lochs auf dieses Objekt einwirkt, zunimmt, wodurch seine Fluchtgeschwindigkeit erhöht und die Wissenschaft in Bezug auf seine Existenz erschwert wird (Walding, Rapkins, Rossiter, 1999 ).
Der Ereignishorizont markiert das düstere Ende jedes Objekts, das sich einem Schwarzen Loch nähert. Es definiert die Grenze der Raumregion, die das Schwarze Loch umgibt. Es ist bekannt, dass außerhalb des Schwarzen Lochs, wo vEsc stellt die Fluchtgeschwindigkeit dar und c repräsentiert die Lichtgeschwindigkeit (Event Horizon, n.d.). Wenn sich das Objekt dem Ereignishorizont nähert, nimmt die Fluchtgeschwindigkeit zu, d. h. es wächst immer näher an die Lichtgeschwindigkeit heran, bis es den Ereignishorizont erreicht. An diesem Punkt entspricht die Fluchtgeschwindigkeit der Lichtgeschwindigkeit, was bedeutet, dass das einzige Objekt, das noch entkommen kann, das Licht selbst ist. Sobald ein Objekt diesen Punkt passiert hat, wird es unmöglich, zu entkommen, wenn es in den Schwarzschild-Radius eintritt (Walding, Rapkins, Rossiter, 1999).
Der Schwarzschildradius ist der Abstand zwischen der Singularität und dem Ereignishorizont. Einmal eingetreten, zieht die Schwerkraft ein Objekt so stark an, dass es physisch unmöglich wird, zu entkommen. Betrachten Sie das Schwarze Loch, GU-Muscae. Es hat eine Masse, die dem 7-fachen der Sonnenmasse entspricht und einen Radius von 21.000 Metern (Black Hole Encyclopedia, n.d.). Berechnen Sie die Fluchtgeschwindigkeit, sobald der Ereignishorizont durchbrochen wurde:
Da die Fluchtgeschwindigkeit größer ist als die des Lichts, wenn sich das Objekt der Singularität nähert, kann das menschliche Auge – oder jedes andere Auge im Allgemeinen – nichts wahrnehmen. Dies liegt daran, dass Licht selbst einem Schwarzen Loch nicht entkommt, was bedeutet, dass es nie in unsere Augen reflektiert wird (Crash Course, 2015). Dies erzeugt die Illusion, dass sie schwarz sind, wir können sie nicht sehen. Dies macht ein Schwarzes Loch im Wesentlichen schwarz und die Physik eines Schwarzen Lochs nicht „schwarz und weiß“, aber eine weitere Sache muss berücksichtigt werden, um das Wesen des Schwarzen Lochs vollständig zu verstehen. Ihre unglaublich große Masse.
Schwarze Löcher haben eine so große Masse, dass sie nicht nur Licht absorbieren, sondern auch die Raumzeit selbst verzerren (Crash Course, 2015). Einsteins allgemeine Theorie der Relativität zeigt, dass ein Objekt mit einer großen Masse, ähnlich einem Schwarzen Loch, den Raum verzerrt, es auch die Zeit verzerrt. Durch die Verkrümmung der Raumzeit allein aufgrund ihrer schieren Masse können Schwarze Löcher eine sogenannte Gravitationsverschiebung erzeugen. Früher wurde festgestellt, dass ein Objekt, wenn es sich dem Ereignishorizont nähert, eine Fluchtgeschwindigkeit nahe, wenn nicht sogar Lichtgeschwindigkeit haben muss, um zu entkommen. Dies lag daran, dass die Gravitationskraft mit abnehmender Entfernung stärker wurde. Dies hängt inhärent mit dem zweiten Newtonschen Bewegungsgesetz zusammen, das besagt, dass die Beschleunigung eines Objekts direkt proportional zur Größe der Nettokraft ist, oder mit anderen Worten, F = ma (National Aeronautics and Space Administration, 2009). Dies bedeutet, dass mit zunehmender Kraft, die auf das Objekt einwirkt, seine Beschleunigung proportional zunehmen würde, dh es würde schneller werden. Dies bedeutet offensichtlich, dass aus der Perspektive des Objekts mit zunehmender Annäherung an den Singularitätspunkt eine gravitative Blauverschiebung mit zunehmender Beschleunigung auftritt, dies ist jedoch aus der Außenperspektive anders (Crash Course, 2015). Wenn Sie beobachten würden, wie ein Objekt in ein Schwarzes Loch fällt, würden Sie meinen, es würde sofort fallen, aber aus Ihrer Perspektive würde dies viel Zeit in Anspruch nehmen. Dies liegt an etwas, das als Gravitationsrotverschiebung bekannt ist. Wenn das Licht dem Singularitätspunkt immer näher kommt, verliert es Energie an die Anziehungskraft des Schwarzen Lochs. Dies dehnt von Natur aus die Wellenlänge des Lichts aus und da die Energie des Lichts an seine Wellenlänge gebunden ist, hat Licht mit einer längeren Wellenlänge weniger Energie. Dieser langgestreckte Fall eines Objekts würde abrupt enden, sobald es den Ereignishorizont passiert, da das Licht physikalisch nicht davon reflektiert würde, d.h. es würde nicht in Ihre Augen eindringen und es in der wahrsten Form schwarz machen (Walding, Rapkins, Rossiter, 1999) (Crash Kurs, 2015).
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Physik eines Schwarzen Lochs nicht so „schwarz und weiß“ ist wie das Essen von Toast am Morgen oder das tägliche Joggen. Die grundlegendsten Konzepte wie die Geburt eines Schwarzen Lochs, wie Licht um das hohe Gravitationsfeld interagiert und was es letztendlich „schwarz“ macht, ist einer der wenigen Bereiche des Feldes, die nicht stark diskutiert werden (Khan, nd). Größtenteils ist die Natur von Schwarzen Löchern für uns eine Anomalie, sie sind mit bloßem Auge nicht zu beobachten und sie bringen unser Verständnis der Physik an ihre Grenzen Verständnis der „nicht so schwarz-weißen“ Physik Schwarzer Löcher.
Rapkins, G., Rossiter, D. & Walding, R. (1999). New Century Senior Physics: Konzepte im Kontext. Oxford, Melbourne
Nationale Luft- und Raumfahrtbehörde. (2009). Die Wissenschaft: Orbitalmechanik. Abgerufen von https://earthobservatory.nasa.gov/features/OrbitsHistory/page2.php
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Nix, E. (2015). Ist Isaac Newton wirklich ein Apfel auf den Kopf gefallen? Abgerufen von https://www.history.com/news/did-an-apple-really-fall-on-isaac-newtons-head
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Khan, S. (o. J.). Newtons Law of Gravitation Review. Abgerufen von https://www.khanacademy.org/science/ap-physics-1/ap-centripetal-force-and-gravitation/newtons-law-of-gravitation-ap/a/newtons-law-of-gravitation- ap1
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Tyson, D. N. (2017, 27. Mai). Niel deGrasse Tyson [Tweet]. Abgerufen von https://twitter.com/neiltyson/status/868497205308657665?lang=en
Kurzgesagt – Kurz gesagt. (2015, 15. Dezember). Schwarze Löcher erklärt – Von der Geburt bis zum Tod [Videodatei]. Abgerufen von https://www.youtube.com/watch?v=e-P5IFTqB98&t=176s
Crash-Kurs. (2015, 15. September). Schwarze Löcher: Crashkurs Astronomie #33 [Videodatei]. Abgerufen von https://www.youtube.com/watch?v=qZWPBKULkdQ
Schwarzschildradius. (o.D.). Abgerufen von http://astronomy.swin.edu.au/cosmos/S/Schwarzschild+Radius
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Autor: William Anderson (Schoolworkhelper-Redaktion)
Tutor und freiberuflicher Autor. Lehrer für Naturwissenschaften und Liebhaber von Essays. Zuletzt überprüfter Artikel: 2020 | St. Rosmarin Institution © 2010-2021 | Creative Commons 4.0
Ist ein Schwarzes Loch kugelförmig oder flach wie eine Scheibe?
Ich habe in Büchern und in Videos gesehen, dass Schwarze Löcher manchmal als Kugel oder flache Scheibe dargestellt werden, erstens warum es zwei verschiedene Arten gibt, sie zu illustrieren und zweitens, welche Darstellung der richtige Weg wäre, um zu beschreiben, was ein Schwarzes Loch wirklich ist? sieht aus wie?
Die Scheibe, die oft bei der Diskussion über Schwarze Löcher gezeigt wird, wird Akkretionsscheibe genannt. Es ist eine Scheibe des gesamten Materials, das das Schwarze Loch umkreist. Ein Teil dieses Materials akkretiert auf dem Schwarzen Loch, was ihm mehr Masse verleiht und es "größer" macht.
Bei nicht rotierenden Schwarzen Löchern ist der Ereignishorizont (der Punkt, an dem Licht, das versucht, dem Schwarzen Loch zu entkommen, nicht möglich) kugelförmig. Bei rotierenden Schwarzen Löchern ist es ungefähr kugelförmig.
Welche Form das Schwarze Loch selbst annimmt, ist unbekannt, da dem Ereignishorizont keine Information entgeht.
Die Bedeutung des Schwarzloch-Bildes relativieren [geschlossen]
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Die jüngste erstaunliche Leistung, ein tatsächliches Bild eines Schwarzen Lochs zu erhalten, resultierte aus einer massiven Zusammenarbeit mit 8 verschiedenen Teleskopen und den ebenso gleichwertigen Bemühungen bei der Entwicklung der Bildgebungstechnik und der Datenanalysealgorithmen, die hauptsächlich von den Arbeiten von Katie Bouman angetrieben wurden um alle gesammelten Daten zu synchronisieren und zu korrigieren und in ein einheitliches Bild zu verwandeln.
Soweit ich weiß, konnten die Teleskope die EM-Strahlung einfangen, die von der Reibung von Materie emittiert wird, die um das Schwarze Loch (in Richtung) kreist, was aufgrund seiner Zugkraft zu sehr starken Reibungskräften führt, die zu einer sehr hellen Strahlung führen.
Zugegeben, es ist für einen Nicht-Beteiligten sehr schwer die Arbeit zu begreifen, aber es wäre unglaublich wertvoll, wenn man kurz und grob konzeptionell die Auswirkungen dieser neuen Erkenntnisse gegenüber dem Bekannten relativieren könnte Vor. Etwas präziser,
Auf welche neue Weise bestätigt das Bild (und die Tatsache, dass es erfasst werden könnte) unser Verständnis von GR? Im Gegensatz zu den bisherigen Bestätigungen von Schwarzen Löchern, nämlich deren Gravitationswirkung auf die Umlaufbahn benachbarter Sterne und Planeten oder den Gravitationswellen, die beim Kollaps zweier Schwarzer Löcher erzeugt werden.
Technisch gesehen muss die eingefangene EM-Strahlung über eine so lange Distanz ($ca. 54$ Millionen Lichtjahre) stark rotverschoben sein, wenn man den Doppler-Effekt, die Expansion des Universums und die Anziehungskraft des Schwarzes Loch und aller Zwischensterne auf der Strahlung, trotzdem war es möglich, das Strahlungsspektrum zu unterscheiden und seine Quelle zu erkennen, ohne es mit einer anderen Quelle oder dem Radiowellenhintergrund zu verwechseln. Bringt die Rotverschiebung keine zusätzliche Herausforderung bei der Identifizierung der Quelle einer Strahlung wie in diesem Fall?
Dies ist lediglich ein Versuch, mehr Input zu erhalten, um einige der wichtigsten Auswirkungen einer erfolgreichen Abbildung eines Schwarzen Lochs auf einer grundlegenden Ebene zu verstehen, da dies alles sehr aufregende Neuigkeiten sind, über die man mehr erfahren kann.
Von xkcd: M87 Black Hole Größenvergleich
Das ist verrückt, ich war fassungslos, als ich las, dass es 100 Milliarden Kilometer breit ist. Für das, was ich verstanden habe, haben schwarze Löcher normalerweise einen Durchmesser von ein paar Meilen.
Es gibt zwei Klassifikationen von Schwarzen Löchern: Supermassive Schwarze Löcher, die typischerweise in den Zentren von Galaxien zu finden sind, sind enorm massereich und können eine Größenordnung von Millionen oder Milliarden von Kilometern haben. Schwarze Löcher mit stellarer Masse, die direkte Ergebnisse eines massiven Sternkollapses sind, sind viel kleiner und haben einen Radius in der Größenordnung von 10 km (wie Sie sagten).
Außerdem ist der Schatten um einiges größer als der Schwartzchild-Radius des BH. Es ist also irgendwie irreführend.
Die Durchmesser von Schwarzen Löchern skalieren überraschend schnell mit der Masse. Wir sind daran gewöhnt, dass kugelförmige Objekte bis zur Kubikwurzel der Masse skalieren, aber Schwarze Löcher skalieren direkt proportional zur Masse. Ein Schwarzes Loch mit Milliarden Sonnenmassen hat die Größe des Sonnensystems, während ein Schwarzes Loch mit der Masse des Universums der Größe des Universums überraschend nahe kommt.
Mein Verständnis ist, dass die Singularität im Inneren immer noch unglaublich klein, aber extrem dicht ist. Die Größe des Ereignishorizonts (Punkt, an dem nicht einmal Licht entweichen kann) ist aufgrund der Schwerkraft der massiven Dichte im Kern des Ganzen so groß.
meinst du 100 tm? (Terameter)
was 0,01057 Lichtjahren entspricht.
Jesus, warum ist der Weltraum so riesig?
Ich glaube, die Größe ist auf das sogenannte 'holographische Prinzip' zurückzuführen. Die maximale Informationsmenge (Masse oder Energie), die in einer Kugel gespeichert werden kann, ist nicht proportional zu ihrem Volumen, sondern zu ihrer Oberfläche. Und natürlich hat ein Schwarzes Loch immer die maximale Masse für seine Größe.
Vor allem, was mit einer so großen Zahl zu tun hat, ist unverständlich. Stellen Sie sich eine Milliarde von allem vor – eine Milliarde Hunde um Sie herum, eine Milliarde Autos, eine Milliarde Sterne, eine Milliarde Kilometer. Deshalb ist es schwer, sich etwas vorzustellen, das 6,5 Milliarden Mal so groß ist wie die Sonne, was bereits 333.000 Mal die Masse der Erde ist. Stellen Sie sich auch vor, dass wir mit unseren Augen zu jeder Zeit nur etwa 5000 Sterne am Himmel sehen können. Stellen Sie sich jetzt eine Milliarde davon vor. Wir können einfach nicht!
Die Frage ist, was war der Quellstern oder wie viel Masse hat dieses schwarze ganze Tuckern auf eine so monströse Größe angewachsen? Weiß jemand, ob es größer als SaggitariusA ist? Wenn ja um wie viel?
Er ist 1700-mal größer als Saggitarius A. Er ist so viel größer, dass er, obwohl er viel weiter entfernt ist als Sag A, am Nachthimmel halb so groß ist wie Sag A.
Wir wissen nicht, wie supermassereiche Schwarze Löcher so massiv wurden. Zwei vorherrschende Theorien sind, dass sie einen Haufen Materie verbraucht haben und die andere ist, dass die Materie im frühen Universum so dicht war, dass sie keinen Stern bildete und direkt in ein Schwarzes Loch kollabierte
Es wird auf das 1000-1500-fache der Masse von Sag A* oder das 4-7-Milliardenfache der Masse unserer eigenen Sonne geschätzt.
Zu Beginn des Universums (vor Galaxien oder Sternen oder ähnlichem) glauben Astrophysiker, dass unter den richtigen Bedingungen massive, massive Wasserstoffwolken (zwei Millionen Sonnenmassen) direkt in supermassive Schwarze Löcher kollabieren konnten. Ich glaube, dass, wenn bestimmte Wolken fast perfekt kugelförmig wären, sie den Kollaps steuern könnten, bevor sie auseinanderbrechen und in einen Haufen Protogalaxien zerfallen könnten. Die Bedingungen mussten wirklich stimmen, sonst kommt es zur Gravitationszersplitterung.
Das hungrigste Schwarze Loch gehört zu den massereichsten im Universum
Dank neuer Forschungen unter der Leitung der Australian National University (ANU) wissen wir jetzt, wie massiv das am schnellsten wachsende Schwarze Loch im Universum tatsächlich ist und wie viel es frisst.
Sie ist 34 Milliarden Mal so groß wie die Masse unserer Sonne und überflutet täglich fast das Äquivalent einer Sonne, so Dr. Christopher Onken und seine Kollegen.
„Die Masse des Schwarzen Lochs ist auch etwa 8000-mal größer als die des Schwarzen Lochs im Zentrum der Milchstraße“, sagte Dr. Onken.
"Wenn das Schwarze Loch der Milchstraße so dick werden wollte, müsste es zwei Drittel aller Sterne in unserer Galaxie verschlingen."
Dieses riesige Schwarze Loch – bekannt als J2157 – wurde 2018 von demselben Forschungsteam entdeckt.
"Wir sehen es zu einer Zeit, als das Universum nur 1,2 Milliarden Jahre alt war, weniger als 10 Prozent seines heutigen Alters", sagte Dr. Onken.
"Es ist das größte Schwarze Loch, das in dieser frühen Periode des Universums gewogen wurde."
Wie die Schwarzen Löcher so früh im Leben des Universums so groß wurden, ist immer noch ein Rätsel, aber das Team sucht jetzt nach weiteren Schwarzen Löchern in der Hoffnung, dass sie einige Hinweise liefern könnten.
"Wir wussten, dass wir uns auf einem sehr massiven Schwarzen Loch befanden, als wir seine schnelle Wachstumsrate erkannten", sagte Teammitglied Dr. Fuyan Bian, Astronom an der Europäischen Südsternwarte (ESO).
„Wie viel Schwarze Löcher schlucken können, hängt davon ab, wie viel Masse sie bereits haben.
"Also, dass dieser Stoff so schnell verschlingt, dachten wir, er könnte ein neuer Rekordhalter werden. Und jetzt wissen wir es."
The team, including researchers from the University of Arizona, used ESO's Very Large Telescope in Chile to accurately measure the black hole's mass.
"With such an enormous black hole, we're also excited to see what we can learn about the galaxy in which it's growing," Dr. Onken said.
"Is this galaxy one of the behemoths of the early Universe, or did the black hole just swallow up an extraordinary amount of its surroundings? We'll have to keep digging to figure that out."
The research is being published in Monatliche Mitteilungen der Royal Astronomical Society.
Project Goals and Methodology
An initial goal of this project is to study the shadows of a recently discovered class of black hole solutions, referred to as Kerr Black Holes with Scalar Hair (KBHsSH) [18, 19] , with a view towards developing templates for use in experiments such as the Event Horizon Telescope. KBHsSH are rotating black hole solutions to GR coupled to a massive, complex, scalar field that satisfies a certain synchronicity condition this framework permits non-trivial, long-lived, configurations of fields around black holes that break black hole uniqueness without invoking higher dimensions or different asymptotics. In such cases the black hole solution will be characterised by additional parameters and one may ask whether, again, through direct observations of the black hole, one can measure its parameters and thereby discern a departure from the Kerr class of solutions.
To address this problem we have developed a GR ray-tracing code, PyHole, that can simulate the motion of light on the curved KBHSH background. Conceptually, we are studying the motion of light rays that are emitted from a distant source and which eventually reach the position of an observer(or camera), perhaps having passed near the black hole along the way. In practice with PyHole light rays are traced backwards in time, starting at the camera, along null geodesics of the black hole metric. Each pixel on the camera image corresponds to a light ray with a different initial momentum vector, which will, as a result, follow a different trajectory some rays will reach a distant light source, and some will not, having fallen instead behind the event horizon. The former will appear as bright pixels on the camera image and the latter as dark pixels. There is also a set of marginal trajectories that enter into null orbits of the black hole and delimit the region of space that appears dark on the image plane, corresponding to the black hole’s shadow. To get a sense of how all this comes together we have set up a visualisation tool.
Together with researchers from the gravitional physics group at the University of Aveiro, we have studied the emergence of chaotic behaviour in the lensing of light by KBHsSH and rotating boson stars [20] .
Potentially something &lsquoabsolutely exceptional&rsquo
&ldquoThis revolutionary and somewhat counterintuitive principle proposes that the behaviour of gravity in a given region of space can alternatively be described in terms of a different system, which lives only along the edge of that region and therefore in a one less dimension,&rdquo wrote Benini and Milan.
&ldquoMore importantly, in this alternative description (called holographic), gravity does not appear explicitly. In other words, the holographic principle allows us to describe gravity using a language that does not contain gravity, thus avoiding friction with quantum mechanics.&rdquo
This theory was then applied to black holes, allowing for their &ldquomysterious thermodynamic properties&rdquo to become more understandable.
&ldquoThey have two dimensions, in which gravity disappears, but they reproduce an object in three dimensions,&rdquo the researchers said.
They expect that this is only the first step towards a deeper understanding of these cosmic bodies and what happens when quantum mechanics crosses with general relativity.
&ldquoIn the near future, we may be able to test our theoretical predictions regarding quantum gravity, such as those made in this study, by observation,&rdquo they added. &ldquoAnd this, from a scientific point of view, would be something absolutely exceptional.&rdquo
Scientists Have Peered into a Black Hole and Taken a Photo of Its Event Horizon for the Very First Time
The first attempt to peer inside a black hole and take an image of its event horizon&mdashthe point of no return&mdashappears to have been a success, with no major problems during the 10-day observation period. The mass of data collected is now being sent to two supercomputers in the US and Germany, and scientists expect to find out if they have the very first picture of a black hole in early 2018.
The Event Horizon Telescope is a hugely ambitious project. It links telescopes around the globe to create one Earth-sized telescope &mdash these are connected virtually so it effectively has a diameter of the entire planet. This technique is not new, but this is the first time it has been done on such a large scale. The level of detail it provides is like being able to count the stitches on a baseball from 8,000 miles away.
Black holes are not hard to see. The material they accumulate is extremely hot, so very bright. The problem is the resolution of images returned&mdashright now, they appear like a bright blur. The Event Horizon Telescope should be able to provide a clear image showing the ring surrounding a black hole and its shadow.
Researchers targeted two black holes. The first, Sagittarius A*, is the black hole that sits at the center of the Milky Way. The other, Messier 87, is a supermassive black hole in an elliptical galaxy 53 million light years away.
Vincent Fish, a research scientists at MIT Haystack, Massachusetts who is working on the project, tells Nachrichtenwoche that the image returned should show the flow of material going in and out of the black hole. "What we expect to see is an asymmetric image where you have a circular dark region. That's the black hole shadow. And there might be a bright ring at the edge of that&mdashwhich is the photon ring [a spherical region of space where gravity is so strong photons are forced to travel in orbits]. Then around it you will see one side is bright and the other side is faint, so kind of like a crescent.
"The reason for the crescent is that material near the black hole is moving at a few tenths of the speed of light. Special relativity tells you when particles emit photons&mdashwhen they shine light at you&mdashif the particles are moving towards you, it looks very bright, if they're moving away from you, then it gets very dim. That produces this asymmetry."
Processing the data
Around one petabyte of data has been collected. To put that into perspective, a petabyte of MP3 songs would play continuously for more than 2,000 years without repeating. Scientists are collecting and distributing the data between two research institutes: One at MIT Haystack, the other at the Max Planck Institute for Radio Astronomy in Bonn, Germany.
The data, recorded on hard disks, will be plugged into two correlators (or supercomputers). This will remove any time delays caused by the different global positioning of each telescope. "We plug it into the correlator and we look at each baseline to see if we detected anything. With the array we have, we should have plenty of sensitivity. If things went well, we should have clear detections on most of the baselines at least, but we won't know for certain until the data get back here," Fish says.
Data will come back in two waves. Most will be returned in the coming weeks, but what has been collected at the South Pole telescope will be unavailable for another six months&mdash planes cannot land there because of winter, so at the moment, the data is "stranded," Fish explains.
Without this data, scientists cannot be sure of success. "I don't think we'll have the complete dataset until January next year. We'll have partial datasets in a couple of months and we'll look at the incomplete datasets just so we get a head start on data reduction and calibration so we know what issues there are and how to mitigate them," he says.
"We'll have a pretty good idea of whether it's been a success&mdashhow strongly we've detected sources&mdashbut for imaging the baselines to the South Pole are very important. So I think the imaging part can't really start in earnest until next year."
What does it all mean?
Black holes are effectively laboratories for extreme physics. Gravitational forces are so strong that nothing, not even light, can escape. An event horizon is the point of no return&mdashit will drag in anything passing it. At the center of a black hole is what is known as a singularity: a one dimensional point that is unimaginably small, but contains a huge mass. At the singularity, spacetime curves infinitely and the laws of physics cease to exist.
"If you talk to people who study black holes, general relativity, thermodynamics and quantum mechanics, they will tell you one of these theories has to give at a black hole," Fish explains. An example of this is the information paradox. Put simply, quantum mechanics says information cannot truly be destroyed, so details of anything that is sucked into a black hole must remain in some way or form. General relativity, on the other hand, says nothing can survive a black hole.
"We have these assumptions about how the universe works, these well-tested theories, but at a black hole something is wrong and we don't know what it is," Fish says.
From the initial image returned, scientists should be able to test relativity. "If you know the mass of the black hole&mdashand for Sagittarius A* we know that well&mdashand if you know the distance of the black hole, which again we know well, then relativity predicts you will see that shadow and ring and that the ring will have a certain diameter and it will be near circular. That's a test of relativity. If the shape isn't circular or the wrong size, then relativity has made a prediction that has failed. That's the first thing we'll look at."
In the longer term, astrophysicists will be able to start studying exactly how material is sucked into a black hole and how it gets launched out into a jet. "It'll give us a better understanding of whether general relativity is an accurate description of the spacetime around a black hole," Fish says, adding it will be the first time we are able to test general relativity at the most extreme limits. "For general relativity, we've been assuming it's correct. There have been some tests of relativity in the weak field limit going back to 1919 with [Arthur] Eddington and the solar eclipse. But we haven't really been able to do any tests in the strong field limit. And there's really no stronger field than a black hole."
Astronomy research professor Gopal Narayanan, who led the efforts on the Event Horizon Telescope at the Large Millimeter Telescope in Mexico, said in a statement emailed to Nachrichtenwoche: "[An event horizon] is the best lab we have to study the extreme physics out there. These are the observations that will help us to sort through all the wild theories about black holes. And there are many wild theories. With data from this project, we will understand things about black holes that we have never understood before."
Black holes are often seen as the remnants of giant stars after they go supernova if their iron cores are massive enough, they will collapse to form black holes. Black holes have a black spherical event horizon whose radius is directly proportionate to their mass (doubling a black hole's mass will double the radius), and a singularity of zero volume in the center.
Objects that are pulled towards a black hole by its gravity will be taken within the event horizon - from their own perspective, if they survived, they would seem to simply fall in, but viewed from outside they would stop at the edge and become progressively more red-shifted as their light is stretched out of visibility. Once inside the event horizon - or, for particularly small black holes, starting outside it - they would also be stretched out as the forces pull them apart unevenly in a process known as spaghettification.
Some people believe that some or all black holes are actually wormholes and that each black hole maps to some exit point elsewhere in spacetime, possibly in the form of a white hole (a theoretical object which is the counterpart of a black hole), or in entirely different universes. These wormholes might function as portals, albeit dangerous and non-reprogrammable ones.
Brown dwarf classes: Y · T · L · M
Wolf-Rayet and carbon star classes: S · C · W
Stellar remnant classes: D · Nein · Ω
