Alter eines Schwarzen Lochs

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Gibt es eine Möglichkeit, das Alter eines Schwarzen Lochs zu bestimmen? Angenommen in 100 Milliarden Jahren, wenn zwei Schwarze Löcher genau die gleiche Masse haben (sagen wir 30 M☉). Einer von ihnen bildete sich in 10 Milliarden Jahren und der andere in 20 Milliarden Jahren. Können wir bei t = t0 + 100 Milliarden Jahren, wenn wir in die Vergangenheit zurückblicken, vorhersagen, wie alt diese Schwarzen Löcher sind? Ist die Dissipationsrate der Hawking-Strahlung bei ihnen anders?

Allein aus der Betrachtung des Schwarzen Lochs lässt sich sein Alter nicht bestimmen. Der Zustand des Schwarzen Lochs wird vollständig durch einige fundamentale Variablen (Masse, Drehimpuls und elektrische Ladung) bestimmt. Dies ist die Aussage des berühmten Diktums Ein Schwarzes Loch hat keine Haare. Speziell die Hawking-Strahlung hängt nur von diesen Variablen ab.

Möglicherweise können Sie das Alter eines Schwarzen Lochs indirekt bestimmen (z. B. indem Sie sich seine Umgebung ansehen und sehen, wie stark es von Materie gereinigt ist).

Nein, über ihr Alter kann man nichts sagen und ja, ihre Hawking-Strahlung ist anders... nicht, dass man den Unterschied feststellen könnte. Ausführlicher:

Wenn Ihre beiden Schwarzen Löcher mit identischer Masse, aber zu unterschiedlichen Zeiten beginnen, hätte das jüngere Loch durch Hawking-Strahlung weniger Masse verloren als das andere, bei einem Altersunterschied von nur 10 Milliarden Jahren wäre der Massenunterschied (mit heutiger Technologie) nicht messbar. .

Wenn irgendwann in ferner Zukunft zwei BHs mit unterschiedlichen Massen angetroffen werden, kann man im Allgemeinen nicht sagen, ob sie gleichzeitig mit unterschiedlichen Massen oder zu verschiedenen Zeiten mit derselben Masse geboren wurden.

Die Intensität der Hawking-Strahlung hängt von der Temperatur des Schwarzen Lochs ab und wenn ein BH verdampft, erwärmt es sich effektiv, und wenn es sich erwärmt, emittiert es immer mehr Hawking-Strahlung, was zu einem letzten Ausbruch führt, bevor alles am Ende passiert.

Es ist also auch wahr, dass das ältere Schwarze Loch, das mehr Masse verloren hat, eine etwas (aber unmessbar) höhere Temperatur haben wird.

Allerdings habe ich die Temperatur des kosmischen Mikrowellenhintergrunds bisher vernachlässigt. Das sind derzeit etwa 2,7 Kelvin und bis die Expansion des Universums es unter die eines Schwarzen Lochs gesenkt hat, wird das Schwarze Loch tatsächlich mehr Energie von der CMB absorbieren als es durch Hawking-Strahlung emittiert und wird tatsächlich (unermesslich) an Energie zugenommen haben Masse.

Aus diesem Grund wird es in der Größenordnung von 10^100 Jahren dauern, bis alle Schwarzen Löcher verdampfen, im Vergleich dazu ist selbst Ihr nominelles 100-Milliarden-Jahres-Intervall ein Tropfen im (kosmischen) Ozean.

Im vergangenen Dezember entdeckte ein Astronomenteam das am weitesten entfernte Schwarze Loch im Universum, ULAS J1342+0928. Das Schwarze Loch ist ein sternenschluckendes Ungetüm, das etwa das 800 Millionenfache der Sonnenmasse wiegt und sich im Zentrum einer staubigen Galaxie etwa 13,1 Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernt befindet.

Der Blick in den fernen Kosmos ist gleichbedeutend mit einem Blick in die Vergangenheit, daher markiert diese Entdeckung des Schwarzen Lochs auch die älteste bekanntes Schwarzes Loch, bekanntes Sky & Telescope, das nur 690 Millionen Jahre nach dem Urknall zurückreicht. Die Entdeckung des Schwarzen Lochs verspricht uns neue Antworten auf das frühe Alter des Universums. Doch wie so oft in der Wissenschaft kommen die Antworten in Form von neuen Fragen.

Das Buch Die fünf Zeitalter des Universums diskutiert die Geschichte, den gegenwärtigen Zustand und die wahrscheinliche Zukunft des Universums nach dem derzeitigen Verständnis der Kosmologen. Das Buch unterteilt die Zeitleiste des Universums in fünf Epochen: die Urzeit, die Stellifere, die Entartete Ära, die Schwarze-Hole-Ära und die Dunkle Ära.

Neben der Erklärung aktueller kosmologischer Theorien spekulieren die Autoren darüber, welche Arten von Leben in zukünftigen Epochen des Universums existieren könnten. Die Spekulation basiert auf einer Skalierungshypothese, die Freeman Dyson zugeschrieben wird, wobei die Idee darin besteht, dass alle anderen Dinge gleich der Stoffwechselrate – und damit der Bewusstseinsrate – eines Organismus sein sollten, in direktem Verhältnis zu der Temperatur stehen, bei der dieser Organismus gedeiht. Die Autoren stellen sich ganz andere Lebensformen vor als die biochemischen der Erde, beispielsweise basierend auf vernetzten Schwarzen Löchern.

Die in dem Buch behandelten Zeitskalen sind so umfangreich, dass die Autoren es bequem finden, wissenschaftliche Notation zu verwenden. Sie beziehen sich auf das "n-te kosmologische Jahrzehnt", also 10 n Jahre nach dem Urknall. Im Folgenden bezieht sich n auf das kosmologische Jahrzehnt.

Urzeit Bearbeiten

Die Urzeit ist definiert als "–50 < n < 5". In dieser Ära soll der Urknall, die anschließende Inflation und die Urknall-Nukleosynthese stattgefunden haben. Gegen Ende dieses Zeitalters machte die Rekombination von Elektronen mit Kernen das Universum zum ersten Mal transparent. Die Autoren diskutieren die Horizont- und Flachheitsprobleme.

Stelliferous Ära Bearbeiten

Die stellifere Ära ist definiert als "6 < n < 14". Dies ist die aktuelle Ära, in der Materie in Form von Sternen, Galaxien und Galaxienhaufen angeordnet ist und die meiste Energie in Sternen produziert wird. Sterne werden in dieser Ära die dominierenden Objekte des Universums sein. Massereiche Sterne verbrauchen ihren Brennstoff sehr schnell, in nur wenigen Millionen Jahren. Letztendlich werden die einzigen leuchtenden Sterne, die übrig bleiben, weiße Zwergsterne sein. Am Ende dieser Ära werden helle Sterne, wie wir sie kennen, verschwunden sein, ihr Kernbrennstoff erschöpft sein und nur Weiße Zwerge, Braune Zwerge, Neutronensterne und Schwarze Löcher werden übrig bleiben. In diesem Abschnitt wird das Paradox von Olbers diskutiert.

Die entartete Ära Bearbeiten

Die entartete Ära ist definiert als "15 < n < 39". Dies ist die Ära der Braunen Zwerge, Weißen Zwerge, Neutronensterne und Schwarzen Löcher. Weiße Zwerge werden dunkle Materie assimilieren und mit einer nominalen Energieabgabe fortfahren. Im weiteren Verlauf dieser Ära stellen die Autoren die Hypothese auf, dass Protonen zu zerfallen beginnen werden (wodurch die Erhaltung der Baryonenzahl gemäß dem Standardmodell verletzt wird). Wenn der Protonenzerfall stattfindet, werden die einzigen Überlebenden Schwarze Löcher sein. Wenn dies der Fall ist, wird Leben fast unmöglich, da die Planeten zerfallen.

Ära des Schwarzen Lochs Bearbeiten

Die Ära des Schwarzen Lochs ist definiert als "40 < n < 100". In dieser Ära, so das Buch, wird organisierte Materie nur in Form von Schwarzen Löchern übrig bleiben. Schwarze Löcher selbst "verdampfen" langsam die in ihnen enthaltene Materie durch den quantenmechanischen Prozess der Hawking-Strahlung. Am Ende dieser Ära werden nur noch extrem niederenergetische Photonen, Elektronen, Positronen und Neutrinos übrig bleiben.

Dunkle Ära Bearbeiten

Die dunkle Ära wird als "n > 101" definiert. In diesem Zeitalter, in dem nur noch sehr diffuse Materie übrig ist, wird die Aktivität im Universum dramatisch nachgelassen haben, mit sehr niedrigen Energieniveaus und sehr großen Zeitskalen. Elektronen und Positronen, die durch den Raum driften, treffen aufeinander und bilden gelegentlich Positroniumatome. Diese Strukturen sind jedoch instabil und ihre Bestandteile müssen schließlich vernichten. Andere Vernichtungsereignisse auf niedriger Ebene werden ebenfalls stattfinden, wenn auch sehr langsam. Im Wesentlichen wird sich das Universum schließlich in eine Leere des Nichts verwandeln.

Das Buch wurde 1999 veröffentlicht. Ab November 2013 [Update] macht Gregory Laughlin auf seiner Website folgende Aussage: [4]

In der Physik und Astronomie hat sich seit der Abfassung des Buches eine Vielzahl interessanter Entwicklungen vollzogen, und viele dieser Fortschritte haben einen starken Einfluss auf unser Verständnis der Zukunft. Fred und ich arbeiten derzeit an einer Aktualisierung des Materials in The Five Ages.

Zeuge der Geburt eines Schwarzen Lochs, ein Wendepunkt für die Astronomie

Die virtuelle Unmöglichkeit der beobachtenden Astronomie war noch nie so klar. Da Astronomen so viele Ereignisse aufgezeichnet haben und so viele verschiedene Instrumente verwendet haben, um alle möglichen Erkenntnisse aus den wenigen Informationen zu gewinnen, die es irgendwie bis zur Erde schaffen, bietet das einfache Ausrichten von Teleskopen auf Sterne immer weniger Erträge. Um weiter voranzukommen, müssen wir die ungewöhnlichsten und in vielen Fällen gewalttätigen Ereignisse des Universums nutzen, um wirklich neue Daten zu sehen. Es ist nicht nur eine Frage der Geduld, denn die Raumfahrtindustrie kann unmöglich genug Teleskope aufstellen, um überall gleichzeitig zu sehen. Bei so viel Tiefe, durch die man zoomen kann, scheint es eine verlorene Sache zu versuchen, unerwartete, kurzlebige Ereignisse einzufangen.

Und doch ereignete sich diese Woche irgendwo im Universum ein bedeutsames Ereignis, das jetzt GRB 130427A genannt wird, und eine "Armada von Instrumenten" aus der ganzen Welt sah, wie es einen Gammastrahlenausbruch erzeugte, der stärker war, als viele Forscher theoretisch für möglich hielten. Das Ereignis, das heute als Zusammenbruch eines Riesensterns und Geburt eines Schwarzen Lochs gilt, wurde für die Astronomie als „Rosetta-Stein-Moment“ beschrieben. Es hat Informationen versandt, die Astronomen in den kommenden Jahren studieren werden, und obwohl es noch zu früh ist, um wirkliche Schlussfolgerungen zu ziehen, ist die Begeisterung über die reine Neuheit bereits weit verbreitet.

Und doch hielt GRB 130427A nur etwa 80 Sekunden bei beobachtbaren Intensitäten mit so viel leerem Raum zum Schleppen, wie haben Astronomen es geschafft, das Ereignis überhaupt zu bemerken, geschweige denn so gründlich zu dokumentieren? Die Antwort liegt in New Mexico, in den Los Alamos National Laboratories, in Form von sechs Roboterkameras, die zusammen als RAPTOR oder RAPid Telescopes for Optical Response bezeichnet werden. Die RAPTOR-Teleskope sind miteinander vernetzt und gehorchen alle einem zentralen Computergehirn zwischen ihrer dedizierten Computerhardware und Roboter-Schwenkhalterungen, sie können sich in weniger als drei Sekunden drehen, um jeden Punkt am Himmel zu sehen.

Als die weltweit schnellsten “optischen Response”-Geräte haben RAPTOR’s-Teleskope eine große Aufgabe: sicherzustellen, dass wir die großen Dinge nicht verpassen, wenn es passiert, denn in der Astronomie gibt es keine zweite Chance. Dieser Gammastrahlenausbruch gilt als der hellste seit Jahrzehnten, vielleicht in einem Jahrhundert, und wenn Astronomen ihn verpasst hätten, wäre es wahrscheinlich, dass heute niemand mehr die Chance gehabt hätte, einen erneut einzufangen.

Sie erreichen ihr Ziel, indem sie extrem diffuse Weitwinkelaufnahmen des Himmels durchführen, um Hinweise darauf zu erhalten, wo und wann ein Großereignis stattfindet. Wenn eines der Teleskope einen Hinweis auf etwas Gutes sieht, richten es und die anderen schnell neu aus und zoomen, um es in allen Details einzufangen. Die Teleskope haben unterschiedliche Spezialisierungen — zum Beispiel RAPTOR-T, das alle Ereignisse durch vier ausgerichtete Linsen mit vier verschiedenen Farbfiltern betrachtet. Durch die Betrachtung der Unterschiede in der Farbverteilung in der Probe kann RAPTOR-T Informationen über die Entfernung zu einem Ereignis oder über einige Elemente seiner Umgebung liefern.

Das Ereignis wurde jedoch auch von einer Reihe anderer Instrumente, Gammastrahlendetektoren und Röntgenteleskopen beobachtet, die viel träger sind als RAPTOR. Die Fermi-, NuSTAR- und Swift-Satelliten der NASA konnten einen Teil des Ereignisses sehen, während es sich entfaltete, aber die meisten Teleskope machten mit, um das sogenannte Nachglühen des Ereignisses zu sehen. Dies war ein unglaublich gewalttätiges Ereignis, und es schleuderte mehrere Stunden lang Trümmer und Schäden über einen weiten Radius, dieser Radius leuchtete und Astronomen sahen zu, wie er verblasste.

Die Intensität der hochenergetischen Gammastrahlen in diesem Nachglühen verblasste zusammen mit den konventionellen Lichtemissionen. Das ist die erste derartige Verbindung, die Astronomen zwischen Gammastrahlen und optischen Phänomenen gefunden haben. Das ist nur eine Möglichkeit, wie es die neueste Rosetta-Stone-Beobachtung der Astronomie sein könnte. Freuen Sie sich auf eine Reihe aufregender Updates in den nächsten Monaten, während Astronomen die Auswirkungen der Geburt einer beispiellosen Singularität durchgehen.

Schwarzes Loch Spin

Künstlerische Illustration von Cygnus X-1, dem ersten Schwarzen Loch, das 1972 entdeckt wurde. Wir haben kürzlich seine Entfernung (1,86 kpc) mit dem VLBA und seine Masse (14,8 Sonnenmassen) mit umfangreichen optischen Daten mit einer Genauigkeit von 6 Prozent gemessen. Chandra-Daten zeigen, dass das kompakte Objekt ein fast extremes Kerr-Loch mit einem Spin a/M > 0,95 ist. Bildnachweis: Optisch: DSS Abbildung: NASA/CXC/M.Weiss

Forschungsbeschreibung

Die Kenntnis des Spins von Schwarzen Löchern ist unerlässlich, um empirische Fragen zu verstehen, z. B. wie Gammastrahlenausbrüche angetrieben werden und wie Schwarze Löcher Jets und andere Ausflüsse starten, die Energie in das umgebende Medium injizieren und die Strukturbildung auf der Skala von Galaxien und sogar Galaxienhaufen beeinflussen affect . In den letzten Jahren haben wir eine genaue Methode zur Messung der Spins von Schwarzen Löchern stellarer Masse in Röntgen-Binärsystemen entwickelt. Das hat uns ermöglicht vollständig beschreiben ein Dutzend dieser Schwarzen Löcher, indem sie sowohl ihre Spins als auch ihre Massen messen.

Gleichzeitig befinden wir uns mit unserem tiefen Wissen über das Verhalten dieser speziellen Schwarzen Löcher an einem spannenden Sprungbrett. Im vergangenen Jahr haben wir beispielsweise die ersten direkten Beweise für einen Zusammenhang zwischen der Strahlkraft und dem Spin des Schwarzen Lochs veröffentlicht. Über die Astrophysik hinaus ist es unser Bestreben, sichere Messungen des Spins von Schwarzen Löchern als Grundlage für einen überzeugenden experimentellen Test des No-Hair-Theorems zu verwenden.

Riesiges Schwarzes Loch im kosmischen Morgengrauen

Künstlerisches Konzept von J1342+0928, jetzt der am weitesten entfernte bekannte Quasar, der das am weitesten entfernte, aber dennoch supermassereiche Schwarze Loch enthält. Illustration über Robin Dienel/ Carnegie Institution.

Mehrere astronomische Institutionen geben heute (6. Dezember 2017) den am weitesten entfernten und dennoch leuchtendsten Quasar bekannt, der das am weitesten entfernte und dennoch supermassereiche Schwarze Loch enthält. Vermutlich treibt das Schwarze Loch den Quasar an, dessen Rotverschiebung 7,54 beträgt, was einer Zeit entspricht, in der das Universum nur 690 Millionen Jahre nach dem Urknall nur 5 Prozent seines heutigen Alters hatte. Eduardo Bañados von der Carnegie Institution for Science in Washington, DC leitete das Astronomenteam, das diese Entdeckung mit Carnegies Magellan-Teleskopen in Chile machte.

Die Masse dieses Schwarzen Lochs ist etwa 800 Millionen Mal so groß wie die unserer Sonne, im Gegensatz zu dem 4 Millionen schweren Schwarzen Loch, von dem angenommen wird, dass es im Zentrum unserer eigenen Milchstraße liegt. Diese Ergebnisse werden heute in der von Experten begutachteten Zeitschrift veröffentlicht Natur.

Diese Astronomen sagten, dass zwischen 20 und 100 Quasare, die so hell und so weit entfernt sind wie der von Bañados und seinem Team entdeckte Quasar, über den ganzen Himmel verteilt sein werden. Dies ist also eine wichtige Entdeckung, die sie sagten:

… wird grundlegende Informationen über das junge Universum liefern, als es nur 5 Prozent seines heutigen Alters war.

Wie so oft in der Astronomie hat diese neue Entdeckung die Astronomen verblüfft. Sie sind erstaunt, ein so massereiches Schwarzes Loch so früh in der kosmischen Geschichte zu entdecken, das unser Verständnis des frühen Wachstums supermassereicher Schwarzer Löcher und ihrer Wirtsgalaxien in Frage stellt. Co-Autor Xiaohui Fan von der University of Arizona bemerkte:

Der neue Quasar ist selbst eine der ersten Galaxien, und doch beherbergt er bereits ein riesiges Schwarzes Loch, das so massereich ist wie andere im heutigen Universum!

Fan spekulierte, dass der neue Quasar:

… wahrscheinlich nur ein Frühblüher. Befindet es sich in einem überdurchschnittlich dichteren Teil des Universums, könnte es früher ins Leben starten und schneller wachsen.

Er sagte, er vermute, dass J1342+0928 trotz seiner frühreifen Jugend schließlich in einem gemesseneren Tempo zum Leben erwachte und zu einem typischeren supermassiven Schwarzen Loch im Zentrum einer großen elliptischen Galaxie wurde.

Das neue supermassive Schwarze Loch J1342+0928 (gelber Stern), das sich in einem weitgehend neutralen Universum am Rande der kosmischen Morgendämmerung befindet, ist weiter entfernt als jedes andere bisher gefundene (gelbe Punkte). Bild über Jinyi Yang, University of Arizona Reidar Hahn, Fermilab M. Newhouse NOAO/AURA/NSF.

Interessant ist auch der Bañados-Quasar, denn er stammt aus der Zeit, die als Epoche der Reionisation bekannt ist, als das Universum aus seinen dunklen Zeiten hervorging. Die Aussage von Carnegie erklärte:

Der Urknall begann das Universum als heiße, trübe Suppe aus extrem energiegeladenen Teilchen, die sich schnell ausdehnte. Als es sich ausdehnte, kühlte es ab. Ungefähr 400.000 Jahre später (sehr schnell im kosmischen Maßstab) kühlten diese Teilchen ab und verschmolzen zu neutralem Wasserstoffgas. Das Universum blieb dunkel, ohne jegliche Lichtquellen, bis die Schwerkraft Materie zu den ersten Sternen und Galaxien verdichtete. Die Energie, die von diesen alten Galaxien freigesetzt wurde, führte dazu, dass der im ganzen Universum verstreute neutrale Wasserstoff angeregt und ionisiert wurde oder ein Elektron abgab, ein Zustand, in dem das Gas seit dieser Zeit geblieben ist. Sobald das Universum reionisiert war, konnten sich Photonen frei im Weltraum bewegen, wodurch das Universum für Licht transparent wurde.

Die Analyse des neu gefundenen Quasars zeigt, dass ein großer Teil des Wasserstoffs in seiner unmittelbaren Umgebung neutral ist, was darauf hindeutet, dass die Astronomen eine Quelle in der Epoche der Reionisation identifiziert haben, bevor sich genügend der ersten Sterne und Galaxien vollständig wieder eingeschaltet haben. das Universum ionisieren.

Es war der letzte große Übergang des Universums und eine der aktuellen Grenzen der Astrophysik.

Daniel Stern vom Jet Propulsion Laboratory der NASA in Pasadena kommentierte:

Dies ist eine sehr aufregende Entdeckung, die bei der Durchsuchung der neuen Generation weiträumiger, empfindlicher Durchmusterungen gefunden wurde, die Astronomen mit dem Wide-field Infrared Survey Explorer der NASA in Orbit- und bodengestützten Teleskopen in Chile und Hawaii durchführen. Da derzeit mehrere noch sensiblere Anlagen der nächsten Generation gebaut werden, können wir in den kommenden Jahren viele aufregende Entdeckungen im sehr frühen Universum erwarten.

Künstlerisches Konzept des Quasars und seines schwarzen Lochs im Weltraum. Nicht maßstabsgetreu! Der Quasar ist von neutralem Wasserstoff umgeben, was darauf hindeutet, dass er aus der Zeit stammt, die als Epoche der Reionisation bezeichnet wird, als die ersten Lichtquellen des Universums eingeschaltet wurden. Illustration über Robin Dienel/ Carnegie Institution.

Fazit: J1342+0928 ist jetzt der am weitesten entfernte bisher bekannte Quasar und enthält das bisher am weitesten entfernte supermassive Schwarze Loch. Beide existieren zu einem Zeitpunkt nur 690 Millionen Jahre nach dem Urknall.

Alles, was Sie über die Geschichte der Schwarzen Löcher wissen müssen

BIOGRAFIE DES SCHWARZEN LOCHS Die Geschichte, wie Schwarze Löcher (ein illustriertes) in den wissenschaftlichen Kanon aufgenommen wurden, ist eine Geschichte, die es wert ist, erzählt zu werden.

VCHAL/ISTOCK/GETTY IMAGES PLUS

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Schwarze Löcher waren von Anfang an betörend.

Bereits in den 1780er Jahren angedeutet und von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie vorhergesagt, erhielten sie erst in den 1960er Jahren den Namen, den wir heute kennen. Als bizarre Bestien, die Materieklumpen in unendlich dichte Abgründe quetschen, galten Schwarze Löcher einst nur als mathematische Kuriosität.

Aber Astronomen sammelten nach und nach Beweise für die Existenz von Schwarzen Löchern und rätselten, wo diese Giganten leben, wie sie Materie verschlingen und was ihre Existenz für andere physikalische Theorien bedeutet.

Seit mehr als einem Jahrzehnt beschäftigt sich ein Forscherteam mit ehrgeizigen Bemühungen, zum ersten Mal ein Bild von einem Schwarzen Loch zu machen. Und jetzt haben sie es geschafft. Gibt es einen besseren Zeitpunkt, um an die Ursprünge der Schwarzen Löcher und die bisherige Reise zurückzudenken?

Fragen oder Anmerkungen zu diesem Artikel? Senden Sie uns eine E-Mail an [email protected]

Anmerkung der Redaktion:

Diese Zeitachse wurde am 10. April aktualisiert, um ein Bild des falschen John Michell zu entfernen.

Astronomie-Bild des Tages

Entdecke den Kosmos! Jeden Tag zeigen wir ein anderes Bild oder Foto unseres faszinierenden Universums zusammen mit einer kurzen Erklärung eines professionellen Astronomen.

27. November 1995

Zu nah an einem Schwarzen Loch
Kredit und Urheberrecht: Robert Nemiroff, (GMU, NASA/GSFC)

Erläuterung: Was würden Sie sehen, wenn Sie direkt zu einem schwarzen Loch gehen würden? Oben sind zwei computergenerierte Bilder, die hervorheben, wie seltsam die Dinge aussehen würden. Auf der linken Seite befindet sich ein normales Sternenfeld, das das Sternbild Orion enthält. Beachten Sie die drei Sterne von fast gleicher Helligkeit, die den Gürtel des Orion bilden. Rechts ist das gleiche Sternenfeld zu sehen, diesmal jedoch mit einem schwarzen Loch, das in der Mitte des Rahmens überlagert ist. Das Schwarze Loch hat eine so starke Gravitation, dass Licht merklich darauf gerichtet wird - was zu sehr ungewöhnlichen visuellen Verzerrungen führt. Im verzerrten Bild hat jeder Stern im normalen Bild mindestens zwei helle Bilder – eines auf jeder Seite des Schwarzen Lochs. Tatsächlich können Sie in der Nähe des Schwarzen Lochs den ganzen Himmel sehen - Licht aus allen Richtungen wird umgelenkt und kommt zu Ihnen zurück. Schwarze Löcher gelten als der dichteste Zustand der Materie, und es gibt indirekte Beweise für ihre Anwesenheit in stellaren Doppelsystemen und den Zentren von Kugelsternhaufen, Galaxien und Quasaren.

Das Bild von morgen: Schatten am Mondsüdpol

Autoren & Herausgeber: Robert Nemiroff (GMU) & Jerry Bonnell (USRA).
Technischer Vertreter der NASA: Sherri Calvo. Es gelten besondere Rechte.
Ein Dienst von: LHEA bei NASA/GSFC

Ein unerwartetes Schwarzes Loch

Das Schwarze Loch mit 85 Sonnenmassen ist so ein Rätsel, weil Wissenschaftler glauben, dass massereiche Sterne sterben.

Bei all ihrer nuklearen Wut sind Sterne Objekte im Gleichgewicht: Die Schwerkraft drückt die Sterne nach innen, aber wenn das Licht den Kern verlässt, drückt sie den Stern wieder nach außen. Aber massereiche Sterne können in ihren Kernen manchmal so heiß brennen, dass dieser Balanceakt aus dem Gleichgewicht geraten kann. Einzelne Lichtteilchen, die Photonen genannt werden, nehmen genug Energie auf, um sich in Paare von Elektronen und Positronen, den Antimaterie-Äquivalenten von Elektronen, zu verwandeln. Diese Änderung senkt vorübergehend den Druck im Kern der Sonne, was dann dazu führt, dass sich der Stern zusammendrückt und aufheizt.

Die aktuelle Theorie sagt voraus, dass, wenn ein solcher Stern etwa 60- bis 130-mal massereicher ist als unsere Sonne, die Kompression und Erwärmung zu einer außer Kontrolle geratenen Explosion führt, die als Paarinstabilitäts-Supernova bezeichnet wird. Ein solches Ereignis zerstört den Stern so vollständig, dass die ausgestoßenen Trümmer nicht in ein Schwarzes Loch kollabieren können.

Seltsamerweise ist das größere Schwarze Loch in dem Paar, das GW190521 geschaffen hat, „smack-bang in dem Bereich, den man von Paarinstabilität erwarten würde“, sagt Berry. Im Wesentlichen sollte es nicht möglich sein, dass ein Stern ein solches Schwarzes Loch erzeugt.

„Wenn Sie ein Schwarzes Loch mit einer Masse zwischen 52 und 133 Sonnenmassen gefunden hätten, hätte es nicht als einzelne, einmalige Leiche eines Sterns synthetisiert werden können“, erklärt die theoretische Astrophysikerin Priyamvada Natarajan von der Yale University, eine Expertin für Schwarze Löcher nicht an der Studie beteiligt. „Die Natur sagt uns, dass es viele Möglichkeiten gibt, diese Schwarzen-Loch-Massen zu erreichen.“

Geburt eines Schwarzen Lochs

Zu verstehen, wie ein Schwarzes Loch entsteht, was zu extremer Schwerkraft führt und dass etwas in das Schwarze Loch gefallen ist, kann es nicht mehr entkommen.

Die Schüler erklären, wie beim Kollaps eines massereichen Sterns ein Bereich mit starker Gravitation entsteht, der zu einem Schwarzen Loch führt.
Wenn die Schüler die verschiedenen Schwarzen Löcher in der richtigen Reihenfolge der Entstehung und Entwicklung des Schwarzen Lochs anordnen, werden die Schüler erkennen, dass Schwarze Löcher eine enorme Masse haben und nach ihrer Masse kategorisiert werden.
Die Schüler üben logisches Denken, indem sie die Reihenfolge der Ereignisse basierend auf den gegebenen Informationen ableiten.
Die Schüler üben, Argumente zu geben, um die eigene Idee oder Arbeit zu erklären.

Bitten Sie die Schüler in Teil 3 der Aktivität zu erklären, wie Schwarze Löcher, die beim Kollaps von Sternen entstehen, eine so extreme Schwerkraft haben. Die Schüler sollten ihre Antworten mit der Beobachtung in Verbindung bringen, dass die kleine dichte Murmel, die ein schwarzes Loch darstellt, die dehnbare Platte stärker krümmt (dh im lokalen Bereich eine stärkere Schwerkraft darstellt), verglichen mit der Aluminiumfolienkugel mit ähnlichem Gewicht wie die Murmel, aber weniger dicht den .
Hören Sie sich während der Diskussion in Teil 4 die Erklärungen der Schüler an. Prüfen Sie, ob die Schüler die Massen der verschiedenen Arten von Schwarzen Löchern als Information verwenden, um die Schwarzen Löcher in der richtigen Reihenfolge anzuordnen, in der sie entstehen und sich entwickeln.
Bewerten Sie in Teil 4 der Aktivität die Logik und Richtigkeit der Diskussion der Schüler und erklären Sie, wie sie die Reihenfolge der Ereignisse bei der Bildung und Entwicklung von Schwarzen Löchern ableiten. Überprüfen Sie, ob sie ihr Denken auf den ihnen bereitgestellten Informationen basieren (in Schritt 5 von Teil 4).

Runde Waschschüssel (Durchmesser mind. 30cm)
Dehnbares Laken (aus dehnbarem Spannbettlaken geschnitten)
Gummiband (um das Laken an der Waschschüssel zu fixieren)
2 Arten von Murmeln: schwere und leichte Gewichte.
Aluminiumfolien
Ballons
Waagen
PowerPoint-Präsentation (beigefügtes ergänzendes Material)
Computer und Beamer zum Vorführen der Präsentation
Schülerarbeitsblatt (beigefügtes Zusatzmaterial)
Gedruckte Bilder (beigefügtes Zusatzmaterial)

Die Schwerkraft ist eine Kraft, die Gegenstände zusammenzieht und Dinge zusammenbringt. Alles mit Masse hat Schwerkraft. Wir nehmen die Schwerkraft wahr, wenn wir aufspringen und zu Boden gezogen werden. Auch Planeten, Sterne, Monde und andere Objekte im Universum haben Schwerkraft. Deshalb umkreisen sie einander, wie die Erde die Sonne umkreist oder der Mond die Erde umkreist, anstatt zufällig in den Weltraum zu fliegen. Deshalb sehen wir jeden Tag den Mond und die Sonne.

Je mehr Masse etwas hat, desto stärker ist die Schwerkraft, die es erzeugt. Die Schwerkraft der Erde ist stärker als die des Mondes, weil sie massiver ist. Unsere Körper werden also mehr auf die Erde gezogen, als wenn wir auf dem Mond wären. Deshalb können Astronauten auf dem Mond höher und leichter springen als auf der Erde. Unsere Körper üben auch Gravitationskräfte auf andere Objekte aus, aber da unsere eigene Masse so gering ist, beeinflusst die Schwerkraft unseres Körpers Objekte in keiner Weise, die wir leicht sehen können. Auch die Schwerkraft ändert sich mit der Entfernung zu einem Objekt. Die Anziehungskraft zwischen Erde und Mond ist stärker als die zwischen Erde und Jupiter, obwohl Jupiter extrem massereicher ist als der Mond. Dies liegt daran, dass die Erde dem Mond näher ist als dem Jupiter.

Die Schwerkraft wurde zuerst von Newton als Kraft beschrieben. Vor mehr als 300 Jahren beschrieben, wird Newtons Gravitationstheorie noch heute angewendet und sie wurde verwendet, als Wissenschaftler den Kurs zur Landung des Menschen auf dem Mond sowie zum Bau von Brücken über Flüsse planten. Obwohl Newtons Theorie die Stärke der Schwerkraft ziemlich genau beschreibt, wusste er nicht, was die Schwerkraft verursacht oder wie sie funktioniert. Diese Konzepte blieben fast 250 Jahre lang unbekannt, bis Albert Einstein die Schwerkraft als Krümmung des Raums beschrieb. Der Raum hat 3 Dimensionen: oben-unten, links-rechts und vorwärts-rückwärts und kann als Stoff, wie ein dehnbares Laken, visualisiert werden. Jedes Objekt mit Masse verformt den Raum, genau wie eine Murmel, die ein Grübchen auf der Oberfläche der dehnbaren Folie erzeugt. Diese Raumkrümmung führt dazu, dass Objekte miteinander interagieren, oft indem sie sich aufeinander zu bewegen, was als Schwerkraft angesehen wird, eine natürliche Folge des Einflusses einer Masse auf die Raumkrümmung. Je mehr Masse etwas hat, desto stärker ist der Raum gekrümmt und desto höher ist die Schwerkraft.

Leben und Tod eines Sterns

Ein Stern besteht aus vielen Gasschichten. Im Zentrum des Sterns existiert ein brennender Kern, in dem die Kernfusion stattfindet und leichtere Elemente zu schwereren Elementen zusammenfügt. Dieser Prozess erzeugt Wärme, die einen Druck nach außen ausübt, der der Schwerkraft entgegenwirkt, die das Gas zum Zentrum des Sterns zieht. Sterne verbringen die meiste Zeit ihres Lebens mit diesen beiden Kräften im Gleichgewicht und behalten ihre Form und Größe bei. Sie können diesen Vorgang mit einem Heißluftballon visualisieren, der die Flamme benötigt, um den Ballon aufgeblasen und schwebend zu halten. Wenn die Flamme erlischt, kollabiert der Ballon und fällt vom Himmel, da keine heiße Luft mehr vorhanden ist, um den Ballon aufgeblasen zu halten.

Alle Sterne beginnen damit, Wasserstoff zu Helium zu verschmelzen. Kleine, kühle Sterne werden bald danach aufhören und keine anderen schwereren Elemente mehr verschmelzen. Die sehr heißen und massereicheren Sterne setzen diesen Verschmelzungsprozess fort, um massereichere Elemente zu erzeugen, die nicht nur Wasserstoff und Helium, sondern auch Kohlenstoff, Sauerstoff und Silizium verbrennen. Wenn der Stern das Ende seines Lebens erreicht, bildet die Kernfusion Eisen. Eisen ist ein sehr stabiles Element und verschmilzt nicht so leicht zu schwereren Elementen. Daher benötigt es viel mehr Energie, um zu verschmelzen, als es produzieren kann. Daher verschmilzt der Eisenkern nicht mit weiteren Elementen und der Stern produziert keine Energie mehr. Wenn die Energieproduktion aufhört, kann die Schwerkraft endlich den nach außen gerichteten Schub der durch die Fusion erzeugten Energie überwinden. Infolgedessen werden die schweren äußeren Gasschichten des Sterns nicht unterstützt und der Kern des Sterns kollabiert und in der resultierenden Implosion wird der Rest des Sterns auseinander geblasen. Die Explosion eines Sterns wird Supernova genannt. Alle massereichen Sterne werden am Ende ihres Lebens auf diese Weise enden, aber nur die massereichsten von ihnen werden ein Schwarzes Loch bilden.

Bildung von Schwarzen Löchern

Ein Schwarzes Loch ist eine Region im Weltraum, in der die Schwerkraft so stark ist, dass nichts, nicht einmal Licht, entweichen kann. Aus diesem Grund ist ein Schwarzes Loch unsichtbar. Schwarze Löcher können auf verschiedene Weise gebildet werden. Einige Schwarze Löcher können direkt aus sehr großen Sternen gebildet werden, die mehr als 25- bis 100-mal größer als unsere Sonne sind, wenn diese Sterne am Ende ihres Lebens kollabieren. Nach einem Supernova-Ereignis ist der Kern des massereichen Sterns, der nach der Explosion übrig geblieben ist, immer noch zu massiv, um sich gegen die Schwerkraft zu tragen. Daher kollabiert es weiter, was dazu führt, dass all diese übrig gebliebene Masse auf sehr kleinem Raum komprimiert wird und ein Schwarzes Loch bildet. Diese Schwarzen Löcher haben typischerweise eine Masse von 3 bis 100 Mal der Masse der Sonne und werden als Schwarze Löcher mit stellarer Masse bezeichnet. Es wird angenommen, dass es etwa 100 Millionen Schwarze Löcher mit stellarer Masse gibt, die in unserer eigenen Galaxie kreisen.

Nach ihrer Entstehung können Schwarze Löcher mit stellarer Masse weiter wachsen, da sie mehr Materie aus ihrer Umgebung ansammeln, wie etwa andere Sterne, Gas und andere Schwarze Löcher. Wenn ein Schwarzes Loch genügend Material absorbiert, kann es sogar eine Masse von mehr als einer Million Sonnen erreichen. Diese extrem massereichen Schwarzen Löcher werden als „supermassive Schwarze Löcher“ bezeichnet und sind die größten Schwarzen Löcher. Supermassereiche Schwarze Löcher existieren in den Zentren der meisten Galaxien. Eine existiert sogar im Zentrum der Galaxie, in der wir leben, der Milchstraße. Es wird angenommen, dass es unter den Bedingungen des frühen Universums viele große, kurzlebige Sterne gab, daher könnten viele Schwarze Löcher mit stellarer Masse existiert haben, die dann allmählich Material ansammelten und im Laufe der Zeit miteinander verschmolzen, wodurch massereichere Schwarze Löcher entstanden , die schließlich genug Masse enthält, um ein supermassives Schwarzes Loch zu sein.

Schwarze Löcher mit einer Masse zwischen stellaren und supermassiven Schwarzen Löchern werden als Intermediate-Mass Black Holes (IMBHs) bezeichnet. Theoretisch sollten diese Schwarzen Löcher existieren, aber Wissenschaftler haben noch keines dieser Schwarzen Löcher beobachtet, aber derzeit gibt es nur einen guten Kandidaten namens HLX-1. IMBHs können 100 bis 100.000 Mal massiver sein als unsere Sonne. Es wird vorgeschlagen, dass sich IMBHs durch Nahrungsaufnahme an einem Schwarzen Loch mit stellarer Masse oder durch die Verschmelzung vieler Schwarzer Löcher mit stellarer Masse bilden können.

Theoretisch könnten auch Schwarze Löcher existieren, die weniger massereich sind als Schwarze Löcher mit stellarer Masse. Diese werden als primordiale Schwarze Löcher oder Mini-Schwarze Löcher bezeichnet. Sie sind die kleinsten Schwarzen Löcher. Es wird angenommen, dass sie kurz nach dem Urknall entstanden sein könnten, als die enormen Drücke und Temperaturen vorhanden waren, die für die Bildung eines so kleinen Schwarzen Lochs erforderlich waren. Diese Mini-Schwarzen Löcher müssen jedoch noch beobachtet werden.

Woher kommt die extreme Schwerkraft eines Schwarzen Lochs?

A black hole is much smaller in size than what would be expected from the enormous mass that it can contain. For example, primordial black holes would be the size of an atom but the mass of a large mountain. Supermassive black holes that have the diameter of our solar system but the mass more than millions Suns. When such enormous mass is compressed into a tiny space, space becomes extremely curved (like a deep well). If another object gets close enough to the concentrated mass, space becomes very curved and, therefore, gravity is extreme. In such extreme gravity, once an object falls into the well it becomes trapped. In contrast, when the same mass is larger in size, gravity isn&rsquot so extreme because the object’s mass is spread out over a larger area, curving space more gradually (like a shallow pit), and the force of gravity is less extreme. Because the enormous mass of black hole is extremely concentrated, it warps space so much that everything, once entered, cannot escape from the gravitational pull or well, not even light. Black holes do not necessarily have more mass than everything else in the Universe but the compression of its mass into a small area creates its extreme gravity.

Tell the students that the inner aluminium foil and the balloon is the core of the star. The outer aluminium foil is a layer of gas. Use the background information to explain that this gas layer is maintained on the surface, holding the star’s shape, because of the burning core. This burning creates a pressure that pushes the gas outward. In this activity, the air in the balloon pushes outward, representing the pressure generated by the burning.

Explain to the students that opposing this outward push is gravity. Gravity causes the gas to be pulled inwards. Students then use their hands to gently squeeze the foil-covered balloons, imitating the effect of gravity, which pulls the gas towards the centre of the star. But the balloon does not collapse. Students try to explain why this is the case this is because of the air in the balloon pushing outward.

Figure 2: Hands compressing aluminum foil balloon

Tell the students that throughout a star’s life, the outward force generated by burning within the star balances the inward force of gravity. Therefore, the star does not collapse due to gravity when burning is occurring. Ask students to record the initial mass of this aluminum covered balloon.

Figure 3: Aluminium foil balloon - Initial weight

Explain that at the end of the star’s life, it runs out of fuel to burn in its core and burning stops. This is like popping the balloon (use a sharp pin). At this step, retain the foil in its original shape around the balloon.

Students then measure the mass of the crumpled aluminum foil (which now represents a black hole) and compare that result with the initial mass (the star) that they recorded. They should realise that the black hole still contains a lot of mass of the star, but has lost some during the process.

Figure 4:Aluminium foil balloon – weight after collapse

Students discuss which one is more dense, the initial star or the black hole. The black hole is smaller but it still contains a lot of the mass of the initial star, so it is more dense because the mass is concentrated in a smaller volume.

Part 2: Gravity (7 min)

Use the background information to explain the concept of gravity as an attractive force and that this attraction can be explained as a result of space being bent by the mass of an object.
Place a stretchy sheet on a large round bowl. Introduce the surface of the sheet as a small portion of space and point out that this is only space in 2 dimensions because space surrounds us everywhere in all directions.
Students then place a heavy marble on the sheet and observe there is a curvature due to the marble. Then they roll a lighter marble on the sheet so that the light marble moves toward the heavier one and circles around it. An object bends space like the marble does to the stretchy sheet, causing objects to move towards each other. This effect is called gravity, which is the curvature of space.

In space, the stars and planets do not generally collide as seen with the marbles in the activity. This is due to friction of the marbles with the fabric, but there is no such fabric in space. Gravity holds planets and stars in orbit to each other.

Figure 5: Gravity – stretchy sheet and marbles

Part 3: How does black hole create enormous gravity? (7 min)

As the students have understood gravity as space curvature, they now investigate how gravity in black holes is so extreme. Ask the students to recap how a black hole is created from the initial star. Answer: it is the concentration of mass into tiny space. Show the students the heavy marble as the black hole and a large ball of the same mass as the marble to represent the initial star (like in activity 1). Have the students confirm the two have similar weights.
If a larger ball is not available, prepare in advance an aluminum foil ball with some weights (e.g. marbles) inside to have the same weight to the black hole marble.
Students place the initial star (large ball) on the stretchy sheet and compare its curvature with the curvature created when replacing it with the black hole marble. The curvature created by the large ball is less steep than that created by the black hole marble.

Figure 6: Comparing curvature created objects different in density

Part 4: Which stars can become a black hole? The evolution of a black hole (10 min)

Use the accompanying slideshow (if possible) to show students the size of the Earth compared to the Sun and that only stars that are massive enough, at least twenty five times more massive than the Sun, can become a black hole when they collapse.
Use the accompanying slideshow (or printed image) and show students that there is a supermassive black hole at the centre of our Milky Way galaxy. Tell students that this black hole has a mass of more than a million suns.

The students should work in groups to solve a puzzle of events to reorder the formation of black holes and evolution to supermassive black holes. Present to the students this blank flow chart. Print out a set of 8 accompanied images for each group for this activity.

Figure 7: Blank flow chart - Black hole formation and evolution events

Have the students discuss in their groups to arrange the flowchart in the correct order. Once finished, have all student groups present their arrangement on the board and explain their flowchart. If there’s a difference between the groups, all groups should discuss together and give arguments to explain their work.

As the star is blown apart when it collapses, it loses some mass and the leftover mass is compressed to become a black hole.

Figure 8: Completed flow chart - Black hole formation and evolution events

Go through the flow chart with the students. Using the background information to explain further about the types of black holes.

The use of stretchy sheet and marbles are based on previous Astroedu activity ‘Model of a black hole’. Activities about gravity and collapse of star to a black hole are inspired by Inside Einstein’s Universe website.
For students to know more how a black hole can be detected, see Activity “Hunting for black holes” (15-18 year-old level).
For students to know what happen when a black hole eats material from its surrounding, see Activity “Feeding black holes and what happen to the Universe?” (15-18 year-old level).
For students to understand how black hole gets extreme gravity and captures anything that come too close, see Activity “What is a black hole?” (15-18 year-old level).

In this activity, students use a balloon and aluminum foil to understand how a massive star can collapse into a black hole and how the created black hole has extreme gravity, such that everything that falls into it cannot escape, even light. Students also learn how different types of black holes are created, but all contain enormous mass and have the capacity to consume even more.