Die Europäische Südsternwarte (ESO) hat Materie beobachtet, die in das gigantische schwarze Loch im Zentrum unserer Milchstraße fällt. Die Beobachtung war so detailliert wie nie zuvor und das, was man beobachtet hatte, konnte in dieser Form noch nie beobachtet werden. Diese wissenschaftliche Forschung ist es absolut wert, darüber berichtet zu werden. Und das haben auch sehr viele Medien getan. Und überall wurde auch ein Bild veröffentlicht, das den Fall der Materie in das schwarze Loch zeigt. Stellvertretend sei hier der Artikel auf futurezone.at (WebCite) genannt, der aufgeregt mit “Schwarzes Loch? Südsternwarte zeigt unfassbare Aufnahme” anfängt und mit “Die Europäische Südsternwarte zeigt das detaillierteste Bild von Materie, die um das Schwarze Loch kreist” weitergemacht. Und dazwischen ist dieses Bild zu sehen:

Eine COMPUTERSIMULATION (!!!) der Bewegung von Material in der Nähe eines schwarzen Lochs (Bild: ESO/Gravity Consortium/L. Calçada)

Eine COMPUTERSIMULATION (!!!) der Bewegung von Material in der Nähe eines schwarzen Lochs (Bild: ESO/Gravity Consortium/L. Calçada)

Und wenn ich einen Artikel schon mal so anfange, dann wird den meisten natürlich klar sein, wie es weiter geht. Nein, dieses Bild ist KEINE Aufnahme der Europäischen Südsternwarte. Man “sieht” dort nicht, wie Material in ein schwarzes Loch fällt. Es ist eine Computersimulation, die das Verhalten von Materie in der Nähe eines schwarzen Loches simuliert. Was die ESO auch in ihrer Pressemitteilung genau so sagt. Aber sie sieht zugegebenermaßen viel beeindruckender aus, als die echte Daten der Wissenschaftler:

Ich werde jetzt gar nicht im Detail erklären, was da zu sehen ist; das ist auch nicht so wichtig. Ich erkläre lieber, was die Astronominnen und Astronomen tatsächlich erforscht haben.

Dass im Zentrum jeder Galaxie und damit auch unserer eigenen Milchstraße ein supermassereiches schwarzes Loch mit der millionen- bis milliardenfachen Masse unserer Sonne sitzt, wissen wir schon lange. Und weil schwarze Löcher so interessante Objekte sind, erforschen wir sie natürlich auch. Das ist knifflig, weil schwarze Löcher per Definition nicht zu sehen sind. Aber ihre Umgebung sehr wohl und aus ihrer Beobachtung können wir ableiten, was das schwarze Loch so treibt.

Beim schwarzen Loch im Zentrum unserer Galaxie – das auf den schönen Namen SgrA* hört – ist das vor allem der Stern S2 (über den ich hier mehr erzählt habe). Er umkreist das schwarze Loch und aus seiner Bewegung konnten wir nicht nur bestätigen, dass das schwarze Loch tatsächlich ein schwarzes Loch und nicht irgendwas anderes ist. Sondern auch ein paar interessante Eigenschaften ableiten.

Aber in der Nähe so eines supermassereichen schwarzen Lochs gibt es normalerweise noch mehr Zeug Große Mengen an Gas und Staub zum Beispiel. Das ganze Material wird durch die Gravitationskraft des Lochs beeinflusst: Es bewegt sich rund um das Loch herum und bildet eine große Scheibe, aus der immer wieder mal etwas IN das Loch fällt.

Stern S2 im Zentrum der Milchstraße (Bild: ESO/M. Kornmesser)

Stern S2 im Zentrum der Milchstraße (Bild: ESO/M. Kornmesser)

Genau das wollten die Astronomen der GRAVITY Collaboration beobachten und ihre Ergebnisse haben sie kürzlich veröffentlicht (“Detection of orbital motions near the last stable circular orbit of the massive black hole SgrA*”). GRAVITY ist das virtuelle Teleskop, das sie für ihre Arbeit benutzt haben. Und “virtuell” ist es deswegen, weil es eigentlich nicht existiert. Also natürlich schon, die Wissenschaftler haben es sich nicht einfach nur ausgedacht! Aber GRAVITY ist ein sogenanntes “Interferometer”. Was das ist habe ich früher schon mal erklärt. Kurz gesagt nimmt man mehrere kleine Teleskope und schaltet sie so zusammen, dass sie wie ein viel größeres Teleskop funktionieren. Das ist in der Realität natürlich komplizierter als es klingt und funktioniert nicht in allen Fällen. Bei den Teleskopen der Europäischen Südsternwarte funktioniert es allerdings. Mit so einem Teleskop kann man dann zwar keine “Bilder” im klassischen Sinn mehr machen. Aber man kann wunderbar Daten sammeln und genau das haben die Leute von GRAVITY getan.

Sie haben vor allem nach Strahlung im Infrarotbereich des Lichtspektrums gesucht. Die entsteht in der Umgebung des schwarzen Lochs wenn dort etwa Elektronen sehr schnell beschleunigt werden. Und “schnell” meint hier bis zu 30 Prozent der Lichtgeschwindigkeit. Vereinfacht gesagt: Wenn Zeug im innersten Bereich der großen Scheibe um das schwarze Loch extrem schnell beschleunigt wird, dann gibt es “Flares”, also Helligkeitsausbrüche. Und genau so etwas hat GRAVITY beobachtet und zwar am 27. Mai 2018, dem 22 .Juli 2018 und dem 28. Juli 2018 (Hey – mein Geburtstag!).

Noch eine (andere) COMPUTERSIMULATION (!!!) mit Umlaufbahnen von Sternen um das zentrale schwarze Loch der Milchstraße.  (Bild: ESO/L. Calçada/spaceengine.org)

Noch eine (andere) COMPUTERSIMULATION (!!!) mit Umlaufbahnen von Sternen um das zentrale schwarze Loch der Milchstraße. (Bild: ESO/L. Calçada/spaceengine.org)

Aus den Daten der Flares konnten die Forscher die Bewegung des Materials nachvollziehen, das sie verursacht hat. Und diese Bewegung hat, so zeigt die Analyse, hat ziemlich genau am innersten Rand des Ereignishorizonts stattgefunden. Also genau die Grenze, hinter der sich das befindet, was wir “schwarzes Loch” nennen. Was den Ereignishorizont überschreitet, kann nicht mehr zurück; genau dort fängt all das an, was an den schwarzen Löchern so seltsam ist.

Die Größe und die Eigenschaften des schwarzen Lochs, die man aus den Flares ableiten kann, stimmen in allen drei Fällen überein (und noch dazu mit den bestehenden Daten die wir von S2 haben). Mit den Daten von GRAVITY kann man nun eigentlich ohne jeden Zweifel feststellen: Jawohl, das Ding im Zentrum unserer Milchstraße IST EIN SCHWARZES LOCH! Und wie immer bei ersten Beobachtungen: Bald wird es zweite, dritte und vierte Beobachtungen geben. Wir werden noch mehr Daten sammeln; wir werden immer besser zusehen können, wie Zeug mit relativistischen Geschwindigkeiten um das supermassereiche schwarze Loch im Zentrum der Milchstraße kreist. Und auch wenn das schon beeindruckend genug ist, werden wir dadurch auch das Loch selbst immer besser verstehen.

Kommentare (45)

  1. #1 Novidolski
    6. November 2018

    Frage zu dieser Aussage: Es bewegt sich rund um das Loch herum und bildet eine große Scheibe, aus der immer wieder mal etwas IN das Loch fällt.

    Fällt mehr in das Loch oder entfernt sich mehr vom Schwarzen Loch?

    Schwarze Löcher sind doch nur eine übergroße Ansammlung von Massen, deren Energie sich auch aus der Bewegungsenergie der Massen berechnet.
    Wenn jetzt diese bewegungsenergie der Massen kleiner wird, durch “Gezeitenkräfte”, wie bei Erde und Mond, dann müsste die Energie des Schwarzen Loches auch kleiner werden und die Energie der Massen, die das Loch umkreisen , größer.
    Bei so hohen Geschwindigkeiten, die in einem Schwarzen Loch herrschen spielt ja die relative Masse schon eine Rolle.

  2. #2 Alderamin
    6. November 2018

    @Novidolski

    Fällt mehr in das Loch oder entfernt sich mehr vom Schwarzen Loch?

    Tatsächlich wird deutlich mehr Materie über magnetische Jets von der Scheibe weggeblasen als hinein fällt.

    Schwarze Löcher sind doch nur eine übergroße Ansammlung von Massen, deren Energie sich auch aus der Bewegungsenergie der Massen berechnet.
    Wenn jetzt diese bewegungsenergie der Massen kleiner wird, durch “Gezeitenkräfte”, wie bei Erde und Mond, dann müsste die Energie des Schwarzen Loches auch kleiner werden und die Energie der Massen, die das Loch umkreisen , größer.

    Die Scheibe um das Schwarze Loch ist nicht das Schwarze Loch selbst. Das Schwarze Loch verliert keine Masse (vernachlässigen wir mal das bisschen Hawking-Strahlung). Die Gasscheibe verliert Masse. Damit etwas ins Schwarze Loch fallen kann, muss das Material Bewegungsenergie verlieren. Das geschieht über Reibung, Erhitzung und Abstrahlung von Licht und Wärmestrahlung. Das Drehmoment geht wohl hauptsächlich über die Jets verloren.

    Was schließlich ins Schwarze Loch hinein fällt, gibt diesem zusätzlichen Drehimpuls. Auch von Sternen und Pulsaren kennt man den Effekt, dass auf sie stürzende Materie ihre Drehung beschleunigt. Schwarze Löcher haben auch einen Drehimpuls, eine ihrer wenigen Eigenschaften.

  3. #3 Bullet
    6. November 2018

    @Alderamin:
    Das wirft für mich die Frage auf, wie man diesen Drehimpuls mißt. Man kann ja nicht einfach die Drehgeschwindigkeit des SL messen, selbst wenn man es “sehen” könnte, da der Ereignishorizont ja keine optischen Features hat. Die Geschwindigkeit des orbitenden Materials ist da ja wohl nebensächlich, da die ausschließlich durch die lokale Stärke des Gravitationsfeldes bestimmt wird …

  4. #4 Karl-Heinz
    6. November 2018

    @Bullet

    Im Prinzip lässt sich der Spin von aktiven Schwarzen Löchern abschätzen, indem man das Röntgenlicht aus ihrer unmittelbaren Umgebung analysiert.

  5. #5 Hannes
    Leipzig
    6. November 2018

    Gibt es überhaupt direkte “stürze” von Sternen in Schwarze Löscher oder werden SL hauptsächlich durch langsames abtragen der Sternen Materie wie bei S2 der Fall ist gespeist?

  6. #6 Hannes
    Leipzig
    6. November 2018

    *Löcher

  7. #7 Alderamin
    6. November 2018

    @Bullet

    Die Rotationsrate von Schwarzen Löchern kann man über den Radius des inneren Rands der Akkretionsscheibe messen, der wegen der Frame-Draggings der allgemeinen Relativitätstheorie von der Rotation des Schwarzen Lochs abhängt (das zieht die Raumzeit bei seiner Drehung mit sich im Kreis).

    Wurde auch schon gemacht. Die meisten Schwarzen Löcher drehen sich beinahe mit der größtmöglichen Geschwindigkeit.

  8. #8 Alderamin
    6. November 2018

    @Hannes

    Wenn ein Stern einem Schwarzen Loch hinreichend nahe kommt, zerreißt ihn die Gezeitenkraft (der Kraftunterschied auf die dem Schwarzen Loch nähere bzw. fernere Seite des Sterns), so dass er sich in eine langgezogene Gaswolke verwandelt. Die kann dann durch innere Reibung näher an das Schwarze Loch heran und Teil der Akkretionsscheibe werden.

    Dass ein Stern von einem Schwarzen Loch langsam abgetragen wird, kann sicherlich in einem Binärsystem aus einem Schwarzen Loch und einem Roten Riesen passieren (wie bei Cygnus X-1, dem ersten identifizierten Schwarzen Loch überhaupt), aber bei einem supermassereichen Schwarzen Loch wie Sagittarius A* zerfetzt es den Stern mit ziemlicher Sicherheit komplett.

  9. #9 Herr Senf
    6. November 2018

    Hm “ziemlich genau am innersten Rand des Ereignishorizonts stattgefunden” 14.Z.v.u.
    Muß da nicht hin “innerer Rand der Akkretionsscheibe” hin, geht doch um die letzte stabile Bahn. Wir haben erst 30%LG, am EH bis 100%.

  10. #10 Bullet
    6. November 2018

    @Hr. Senf:
    Am EH ist die Fluchtgeschwindigkeit =c, nicht die Bahngeschwindigkeit des um das SL rotierenden Objektes.
    Denk an die ISS: deren Bahngeschwindigkeit ist auch geringer als die dort senkrecht zur Erdoberfläche benötigte Fluchtgeschwindigkeit.

  11. #11 Bullet
    6. November 2018

    Wiki hilft auch hier:

    Die Fluchtgeschwindigkeit ist also um den Faktor √2 größer als die erste kosmische Geschwindigkeit.

  12. #12 Herr Senf
    6. November 2018

    @Bullet, hier hülft aber die ART: sowohl als auch 😉 √2 ist Newton
    Maximalspin eines SL a=0,99… , Rotation EH mit fast LG=c, zieht die Raumzeit mit.
    Praktisch sind alle SL Kerr-Löcher mit hohem Spin, keine Schwarzschild-Löcher.

  13. #13 Bullet
    6. November 2018

    Oha … das mit dem Spin an der Kante des Limits war mir nicht bewußt (gilt auch als Antwort an Alderamin :) )

  14. #14 1337S
    Bremen
    6. November 2018

    Milchstraße besteht aus zwei Galaxien, die Masse der singularität hat eine sehr hohe Masse da ist noch Luft nach Oben, die Andromeda Galaxis steuert auf uns zu, daraus bildet sich eine Neue Galaxy Strukturen dass mehr Material für die singularität bedeutet. Dass werden wir nicht mitbekommen.

  15. #15 Karl-Heinz
    6. November 2018

    @1337S

    Milchstraße besteht aus zwei Galaxien

    Nö, die Milchstraße, auch Galaxis, ist die Galaxie, in der sich das Sonnensystem mit der Erde befindet. Natürlich hat unsere Galaxie auch Begleitergalaxien.

  16. #16 PDP10
    7. November 2018

    @Karl-Heinz:

    Ich glaube, @1337S meint das hier:

    https://www.welt.de/wissenschaft/article183392124/Milchstrasse-verschmolz-einst-mit-anderer-Galaxie.html

    … hat aber nicht verstanden, worum es geht.

  17. #17 Karl-Heinz
    7. November 2018

    Oh danke für die Info. Hatte noch nicht gewusst, dass die Milchstraße eine andere Galaxie vor langer Zeit verschluckt hat. Die nächste Mahlzeit (Andromedagalaxie) ist noch 2,5 ⋅ 10^6 Lj entfernt. Morgen werde ich nachgucken, wer wen frisst. 😉

  18. #18 Alderamin
    7. November 2018

    @PDP10

    Verrat’ nicht alles, da wollte ich was zu schreiben…

  19. #19 Captain E.
    7. November 2018

    @Karl-Heinz:

    Bei den angenommen Größen “frisst” Andromeda eher die Milchstraße als umgekehrt. Andererseits gibt es auch Überlegungen, dass die Milchstraße etwas größer sei als bislang angenommen. Es ist halt ein bisschen schwierig, sie von außen zu betrachten.

  20. #20 Captain E.
    7. November 2018

    @Alderamin:

    Die Rotationsrate von Schwarzen Löchern kann man über den Radius des inneren Rands der Akkretionsscheibe messen, der wegen der Frame-Draggings der allgemeinen Relativitätstheorie von der Rotation des Schwarzen Lochs abhängt (das zieht die Raumzeit bei seiner Drehung mit sich im Kreis).

    Wurde auch schon gemacht. Die meisten Schwarzen Löcher drehen sich beinahe mit der größtmöglichen Geschwindigkeit.

    Und die wäre dann was genau? Und wie sieht das mit den Ausnahmen aus – wie schnell sind die? Ich vermute, die Modelle für nicht-rotierende Schwarze Löcher hat man aber bislang im Regal liegen lassen können, soweit es die Realität betrifft, oder?

  21. #21 Alderamin
    7. November 2018

    @Captain E.

    Und die wäre dann was genau?

    Normalerweise lautet die Angabe in den Medien immer “dreht sich mit 99% der maximal möglichen Geschwindigkeit”. Definitiv ist c eine Obergrenze für den Ereignishorizont, aber es scheint wohl ein weiteres Limit zu geben: ein rotierender Ereignishorizont schrumpft und ein rotierendes Schwarzes Loch hat eine Ringsingularität, d.h. bei knapp c würde der Ereignishorizont die Singularität freilegen, und das ist (wahrscheinlich) nicht erlaubt. Ich muss mich da erst schlau machen (und dann kann ich einen Artikel dazu schreiben). Ich nehme an, die maximal mögliche Rotationsgeschwindigkeit hängt von der Masse ab.

    Hier ein Artikel aus Universe Today, der für ein bestimmtes Schwarzes Loch eine maximale Rotationsgeschwindigkeit von 84% c angibt. Und ein Nature-Artikel, der einige gemessene Geschwindigkeiten plottet, die nahe an c heran kommen (daher meine derzeitige Unsicherheit).

    Und wie sieht das mit den Ausnahmen aus – wie schnell sind die?

    Soviel ich weiß wurden bisher nur supermassereiche Schwarze Löcher gemessen und die drehten sich alle sehr schnell, siehe Nature Artikel. Wenn Neutronensterne sich mit 2/3 c drehen, dann werden stellare Schwarze Löcher sich nicht langsamer drehen.

    Ich vermute, die Modelle für nicht-rotierende Schwarze Löcher hat man aber bislang im Regal liegen lassen können, soweit es die Realität betrifft, oder?

    Interessanterweise reden ja immer alle von der Schwarzschildlösung, aber in der Tat dürfte die in der Realität wohl niemals vorkommen, sondern nur die Kerr-Lösung. Es gibt keinen Himmelskörper, der sich absolut nicht dreht, und wenn ein drehendes Objekt massiv schrumpft, dreht es sich schneller. Und Schwarze Löcher sind halt millionenmal kleiner als die Sterne, aus denen sie entstanden.

  22. #22 Bullet
    7. November 2018

    @Alderamin:

    Wenn Neutronensterne sich mit 2/3 c drehen

    Naja, aber das machen die doch nicht lange. Zumindest die Neutronensterne, die ihre Rotationfrequenz in unsere Richtung blöken (also die Pulsare), verraten ja ihre Bremsung. Die ist, wie Wiki sagt, zwar nicht mit einem Bremsklotz zu vergleichen
    (“Die Rotationsdauer erhöht sich pro Sekunde um etwa 10−15 Sekunden (d. h., er wird im Laufe der Zeit langsamer) und begrenzt die Lebensdauer auf etwa zehn Millionen Jahre“),
    aber doch meßbar. D.h., ein Schwarzes Loch, das das Pech hat, in eine materiearme Region des Raumes zu trudeln, könnte schneller Drehimpuls verlieren, als es durch Akkretion wieder gewinnt. Oder?

  23. #23 Bullet
    7. November 2018

    Oh, das Zitat ist kind of kaputt: Die Rotationsdauer erhöht sich pro Sekunde um (10 hoch minus 15) Sekunden, also ein Billardstel pro Umdrehung.

  24. #24 Alderamin
    7. November 2018

    @Bullet

    Neutronensterne haben starke Magnetfelder und können damit ihre Rotationsenergie als Radiostrahlung los werden. Schwarze Löcher haben das nicht. Ich wüsste nicht, wie ein Schwarzes Loch seine Rotation verlangsamen könnte (wenn’s unwuchtig wäre, durch Gravitationswellen, aber das sind sie ja nicht).

    Und im Gegenteil, einfallendes Material wird ihnen zusätzlichen Drehimpuls mitgeben.

    Es sei denn, die Akkretionsscheibe drehte sich genau anders herum als das Schwarze Loch. Dann gäbe es vielleicht ein langsamer rotierendes, das evtl. so gar kurzzeitig zum Stillstand käme.

  25. #25 Captain E.
    7. November 2018

    @Alderamin:

    Normalerweise lautet die Angabe in den Medien immer “dreht sich mit 99% der maximal möglichen Geschwindigkeit”. Definitiv ist c eine Obergrenze für den Ereignishorizont, aber es scheint wohl ein weiteres Limit zu geben: ein rotierender Ereignishorizont schrumpft und ein rotierendes Schwarzes Loch hat eine Ringsingularität, d.h. bei knapp c würde der Ereignishorizont die Singularität freilegen, und das ist (wahrscheinlich) nicht erlaubt. Ich muss mich da erst schlau machen (und dann kann ich einen Artikel dazu schreiben). Ich nehme an, die maximal mögliche Rotationsgeschwindigkeit hängt von der Masse ab.

    Hier ein Artikel aus Universe Today, der für ein bestimmtes Schwarzes Loch eine maximale Rotationsgeschwindigkeit von 84% c angibt. Und ein Nature-Artikel, der einige gemessene Geschwindigkeiten plottet, die nahe an c heran kommen (daher meine derzeitige Unsicherheit).

    Ein Artikel zu dem Thema – das hört sich doch gut an. :-)

    Das Problem ist aber natürlich auch, dass man bei rotierenden Körpern von Winkelgeschwindigkeit spricht, also wieviel Grad pro Zeiteinheit zurückgelegt werden. Wie will man dazu die Lichtgeschwindigkeit als höchstmögliche Geschwindigkeit in Relation setzen? Und eine punktförmige Masse, wie es ein schwarzes Loch sein könnte, hätte einen Umfang und eine Oberfläche mit dem Wert 0 und könnte von daher beliebig schnell rotieren. Oder anders gesagt: Wenn da irgendetwas beim Rotieren sich höchstens mit x% der Lichtgeschwindigkeit bewegen sollte, was wäre das dann eigentlich?

    Soviel ich weiß wurden bisher nur supermassereiche Schwarze Löcher gemessen und die drehten sich alle sehr schnell, siehe Nature Artikel. Wenn Neutronensterne sich mit 2/3 c drehen, dann werden stellare Schwarze Löcher sich nicht langsamer drehen.

    Vermutlich nicht, nur was dreht sich schneller? Ein stellares oder ein supermassives Schwarzes Loch?

    Interessanterweise reden ja immer alle von der Schwarzschildlösung, aber in der Tat dürfte die in der Realität wohl niemals vorkommen, sondern nur die Kerr-Lösung. Es gibt keinen Himmelskörper, der sich absolut nicht dreht, und wenn ein drehendes Objekt massiv schrumpft, dreht es sich schneller. Und Schwarze Löcher sind halt millionenmal kleiner als die Sterne, aus denen sie entstanden.

    Ach ja, man macht es sich (wie so oft) einfach. Aber klar, wie soll das gehen, dass etwas im Universum nicht rotiert? Und wie Harald Lesch mal in einer alpha Centauri-Folge erzählt hat, könnte ein Schwarzes Loch, insbesondere ein Aktiver Galaktischer Kern, gar nicht die beobachteten Leuchtkräfte entwickeln ohne Eigenrotation. Nur so kann die Materie dicht genug an den Ereignishorizont heranrücken und sich dadurch lange und stark genug aufheizen, um ausreichend hell zu strahlen.

  26. #26 Captain E.
    7. November 2018

    @Alderamin:

    Neutronensterne haben starke Magnetfelder und können damit ihre Rotationsenergie als Radiostrahlung los werden. Schwarze Löcher haben das nicht. Ich wüsste nicht, wie ein Schwarzes Loch seine Rotation verlangsamen könnte (wenn’s unwuchtig wäre, durch Gravitationswellen, aber das sind sie ja nicht).

    Und im Gegenteil, einfallendes Material wird ihnen zusätzlichen Drehimpuls mitgeben.

    Es sei denn, die Akkretionsscheibe drehte sich genau anders herum als das Schwarze Loch. Dann gäbe es vielleicht ein langsamer rotierendes, das evtl. so gar kurzzeitig zum Stillstand käme.

    Wie soll dass hinhauen? (So rein hypothetisch natürlich?) Dazu müsste sich doch eine Masse in der Größenordnung des Schwarzen Lochs selber auf dieses zubewegen und das mit entgegengesetzem Drehsinn.

  27. #27 Alderamin
    7. November 2018

    @Captain E.

    Oder anders gesagt: Wenn da irgendetwas beim Rotieren sich höchstens mit x% der Lichtgeschwindigkeit bewegen sollte, was wäre das dann eigentlich?

    Es geht um die Rotationsgeschwindigkeit an der Oberfläche von Neutronensternen und am Ereignishorizont eines Schwarzen Lochs (letzteres soweit ich das verstanden habe; wo aber sonst?)

    was dreht sich schneller? Ein stellares oder ein supermassives Schwarzes Loch?

    Weiß ich (noch) nicht, aber wenn der Plot in dem Nature-Artikel eine Tendenz zeigt, dann wohl eher ein stellares. Klingt logisch, denn die Dichte eines supermassereichen Schwarzen Lochs ist kleiner als die eines stellaren (Schwarzschildradius wächst proportional zum M, Volumen proportional zu 1/M³).

    Wie soll dass hinhauen? (So rein hypothetisch natürlich?) Dazu müsste sich doch eine Masse in der Größenordnung des Schwarzen Lochs selber auf dieses zubewegen und das mit entgegengesetzem Drehsinn.

    Zumindest scheint retrograde Akkretion vorzukommen.
    Bis zum Stillstand muss halt genug Gas einfallen, z.B. von außerhalb der Galaxie, oder bei einer Kollision.

    Bei stellaren Schwarzen Löchern sollte es kein Problem sein, dass ein benachbarter Roter Überriese genug Masse transferiert.

    Der Stillstand wäre dann aber nur ein kurzfristiger Zwischenzustand auf dem Weg zu prograder Rotation.

  28. #28 Captain E.
    7. November 2018

    @Alderamin:

    Es geht um die Rotationsgeschwindigkeit an der Oberfläche von Neutronensternen und am Ereignishorizont eines Schwarzen Lochs (letzteres soweit ich das verstanden habe; wo aber sonst?)

    Das ist genau die Frage. Ein Neutronenstern hat eine Oberfläche, und da bewegt sich die Materie durch die Eigenrotation extrem schnell, aber bestimmt nicht schneller als mit Lichtgeschwindigkeit, in der Realität sicherlich deutlich darunter. Der Ereignishorizont eines Schwarzen Lochs ist aber nur ein mathematisch zu berechnendes (hohles) Rotationsellipsoid. Nichts kann sich schneller als mit Lichtgeschwindigkeit bewegen, aber genau das ist dort: Nichts.

    Und bevor man mich abenteuerlicher linguistischer Klimmzüge beschuldigt, erinnere ich daran, dass zwei Punkte im Raum sich mit Überlichtgeschwindigkeit voneinander entfernen können, wenn es nur genügend Raum zwischen ihen gibt, und zwar aufgrund der Expansion des Raumes. Ein Punkt im Raum sollte also durchaus in der Lage sein, mit Überlichtgeschwindigkeit um einen Mittelpunkt zu rotieren.

    Rein logisch betrachtet sollte das Frame-Dragging nur dadurch geschehen könnne, dass weiter zum Zentrum hin irgendetwas noch schneller rotiert. Aber was ist dort? Die Physik kann nur spekulieren.

    Weiß ich (noch) nicht, aber wenn der Plot in dem Nature-Artikel eine Tendenz zeigt, dann wohl eher ein stellares. Klingt logisch, denn die Dichte eines supermassereichen Schwarzen Lochs ist kleiner als die eines stellaren (Schwarzschildradius wächst proportional zum M, Volumen proportional zu 1/M³).

    Bedeutet das auch, dass ein wachsendes Schwarzes Loch sich tendenziell eher immer langsamer dreht?

    Zumindest scheint retrograde Akkretion vorzukommen.
    Bis zum Stillstand muss halt genug Gas einfallen, z.B. von außerhalb der Galaxie, oder bei einer Kollision.

    Bei stellaren Schwarzen Löchern sollte es kein Problem sein, dass ein benachbarter Roter Überriese genug Masse transferiert.

    Der Stillstand wäre dann aber nur ein kurzfristiger Zwischenzustand auf dem Weg zu prograder Rotation.

    Nichtrotation ist wider die Natur, wie? 😉

  29. #29 Alderamin
    7. November 2018

    @Captain E.

    Der Ereignishorizont eines Schwarzen Lochs ist aber nur ein mathematisch zu berechnendes (hohles) Rotationsellipsoid. Nichts kann sich schneller als mit Lichtgeschwindigkeit bewegen, aber genau das ist dort: Nichts.

    Ja, aber es findet ja auch dieses Frame-Dragging durch den Lense-Thirring-Effekt statt, das begrenzt die Geschwindigkeit auf c. Man kann das aus der Kerr-Lösung ableiten, hier ist eine solche Ableitung.

    Rein logisch betrachtet sollte das Frame-Dragging nur dadurch geschehen könnne, dass weiter zum Zentrum hin irgendetwas noch schneller rotiert. Aber was ist dort? Die Physik kann nur spekulieren.

    Eine Ringsingularität. Ein Ring ohne Querschnitt und Höhe, aber mit einem Radius. Aber die ganze Rotationsenergie steckt im Raum außerhalb des Schwarzschildradius, innerhalb der Ergosphäre. Sagt jedenfalls dieser Vortrag.

    Bedeutet das auch, dass ein wachsendes Schwarzes Loch sich tendenziell eher immer langsamer dreht?

    Also, nach dem Studium der obigen Links ist die maximale Tangentialgeschwindigkeit am Ereignishorizont immer c, egal wie groß das Schwarze Loch ist. Solange das Schwarze Loch Zufuhr von Drehimpuls durch einfallende Masse erhält, wird es sich nicht langsamer drehen (nur die Frequenz der Rotation wird abnehmen, weil es wächst und die Geschwindigkeit am wachsenden Ereignishorizont kleiner als c bleiben muss.

    Die Werte in dem Nature-Paper sind einfach Messwerte bestimmter Schwarzer Löcher, die sich so schnell drehen wie sie es eben tun. Wenn da ein masseabhängiger Trend ist, liegt er sicher nicht an der Physik, sondern eher daran, wie Schwarze Löcher entstanden und gewachsen sind.

    Wie gesagt, ich kenne mich da auch nicht aus, da müsste ich erst mal ein Weilchen lesen.

  30. #30 Captain E.
    8. November 2018

    @Alderamin:

    […]

    Wie gesagt, ich kenne mich da auch nicht aus, da müsste ich erst mal ein Weilchen lesen.

    Ich glaube, da spreche ich im Namen vieler: Wir warten gespannt! :-)

  31. #31 Claudia Kreis
    11. November 2018

    Im internet auf so einer komischen seite steht das, das loch das universum verschlucket

  32. #32 Karl-Heinz
    11. November 2018

    @Claudia Kreis

    Hallo Claudia.
    Ich habe mir die einsteinschen Feldgleichungen nochmals angesehen. Also sowohl Schwarze Löcher als auch Sterne werden von derselben Metrik beschrieben. Laut Gleichung, die jetzt net so kompliziert ist, wird das Universum nicht verschluckt. Aber es reicht ja schon, wenn wir unseren Planeten kaputtachen. 😉

  33. #33 Claudia Kreis
    11. November 2018

    Danke für die schnelle Antwort.

  34. #34 Alderamin
    11. November 2018

    @Claudia Kreis

    Oder das, was Karl-Heinz sagt, mit anderen Worten: die Schwerkraft von Schwarzen Löchern ist nicht anders, als die von gewöhnlichen Sternen. Nur wenn man ihnen sehr nahe kommt, gibt es kein Entkommen mehr. Wenn die Sonne zum Schwarzen Loch würde, wäre dieses nur 6 km groß. Näherte sich ihm bis auf 3 km Abstand vom Zentrum, würde man zerrissen und verschluckt. Näherte man sich unserer Sonne auf 700.000 km, würde man aber schon verbrennen. Insofern ist die Sonne viel gefährlicher als ein Schwarzes Loch ihrer Masse. Und unsere Nachbarsterne entsprechend gefährlicher als die viel, viel selteneren Schwarzen Löcher, die in der Milchstraße umher fliegen (die nämlich nur aus sehr seltenen, sehr massiven Sternen entstehen können).

    Es gibt zwar auch Schwarze Löcher mit Millionen und Milliarden Sonnenmassen im Zentrum von Galaxien und auch in der Milchstraße, aber auch denen muss man ziemlich nahe kommen (ein Lichtjahr oder so), damit sie gefährlich werden. Wir sind in sicherer Entfernung zu allen diesen (35000 Lichtjahre zum Zentrum der Milchstraße, 2,5 Millionen Lichtjahre zur nächsten großen Galaxie).

    Im Internet steht leider viel Unsinn, gerade über Schwarze Löcher und Asteroiden.

  35. #35 Claudia Kreis
    11. November 2018

    Ja da ist man immer verwirrt was die alle im Internet schreiben

  36. #36 Karl-Heinz
    11. November 2018

    @Alderamin

    Oh, … Danke für die ausführliche Erklärung. 😉

  37. #37 Niels
    11. November 2018

    @ Captain E. @Alderamin

    Ein Punkt im Raum sollte also durchaus in der Lage sein, mit Überlichtgeschwindigkeit um einen Mittelpunkt zu rotieren.

    Richtig.
    Die ART selbst verbietet das jedenfalls nicht schon automatisch.

    Ja, aber es findet ja auch dieses Frame-Dragging durch den Lense-Thirring-Effekt statt, das begrenzt die Geschwindigkeit auf c.

    Eigentlich nicht.

    Die Kerr-Metrik hat ziemlich komische Eigenschaften.
    Innerhalb des (inneren) Ereignishorizontes gibt es zum Beispiel geschlossene zeitartige Kurven, man könnte also eine Zeitreise in die Vergangenheit machen.
    Darüber hinaus kann mit der Kerr-Lösung etwas machen, dass man mathematisch maximal erweitern nennt.
    Auf einmal hat man bei der Singularität dann ein Wurmloch, das in ein anderes Universum führt.

    Üblicherweise wischt man das alles mit dem Einwand weg, dass uns Phänomene innerhalb des Ereignishorizontes prinzipiell nicht interessieren, weil sie grundsätzlich nicht mit dem Äußeren, also uns, wechselwirken können.

    Jetzt stellt man aber fest, dass die Formeln einen imaginären Wert für den Radius des Ereignishorizonts liefern, sobald der Quotient von Drehmoment und Masse des schwarzen Loches ein bestimmtes Verhältnis überschreitet.
    Der Grenzfall ist genau der, bei dem sich der Ereignishorizont mit c “dreht”.

    Ein imaginärer Wert für einen Abstand ergibt physikalisch keinen Sinn, deswegen interpretiert man dieses Ergebnis so, dass es dann schlicht keinen Ereignishorizont mehr gibt.
    Das nennt man dann nackte Singularität.

    Im Fall einer nackten Singularität können wir die absurden Eigenheiten der Kerr-Lösung in der Nähe der Singularität aber natürlich nicht mehr einfach ignorieren, weil man jetzt eben doch mit diesen Phänomenen interagieren könnte.
    .

    Deswegen postuliert man einfach, dass so etwas schlicht nicht vorkommt.
    Weil nackte Singularitäten in der ART immer physikalisch sehr seltsame Dinge verursachen, postuliert man sogar allgemeiner, dass es grundsätzlich keine nackten Singularitäten geben kann.
    Das nennt sich Cosmic censorship hypothesis.

    Wenn man dieses Postulat akzeptiert, dürfen schwarze Löcher einer bestimmten Masse dann höchstens ein bestimmtes Drehmoment haben, wodurch sich ihr Ereignishorizent dann nie schneller als mit c “drehen” kann.

    Wie gesagt, dass muss aber postuliert werden und kann nicht aus anderen Grundprinzipien der ART gefolgert werden.

    Echte schwarze Löcher folgen natürlich nicht wirklich der idealisierten Kerr-Lösung, sondern irgend einer unglaublich viel komplizierterem Metrik.
    Computer-Simulationen solcher eher der Realität entsprechenden Lösungen deuten darauf hin, dass “überschüssiger” Drehimpuls immer grundsätzlich durch Gravitationswellen abgestrahlt wird, bevor der Grenzwert erreicht werden kann.
    Einen schlüssigen mathematischen Beweis dafür gibt es aber nicht.

  38. #38 Alderamin
    11. November 2018

    @Niels

    Danke!

  39. #39 Captain E.
    13. November 2018

    @Niels:

    Ich frage mich gerade, ob es da nicht immer zu einem Gleichgewicht kommen muss. Irgendetwas dreht sich da rasend schnell, und es dürfte nicht unvernünftig sein, davon auszugehen, dass dieses Etwas sich wesentlich schneller dreht als etwa ein Neutronenstern. Im Ergebnis setzt der Lense-Thirring-Effekt ein, der ein Frame-Dragging bedeutet. Nun haben wir bei anderer Gelegenheit darüber diskutiert, dass Raum (zeit) extrem starr ist. So etwas zu verdrillen, sollte viel Energie erfordern, und die kann dann nur aus der Rotationsenergie stammen. Am Ende pegelt es sich ein.

    Nun ja, aber da ergibt sich wie bei den verschmelzenden schweren Schwarzen Löchern, die man per Gravitationswellendetektoren entdeckt hat, folgende Frage: Wo genau hat die Energie vorher gleich noch einmal drin gesteckt? Zur Erinnerung: Zwei Schwarze Löcher mit einer Gesamtmasse von 65 Sonnenmassen sind zu einem einzigen mit 62 Sonnenmassen geworden. Drei Sonnenmassen wurden als Gravitationswellen abgestrahlt. Jenseits des Ereignishorizonts kann sie nicht gewesen sein, weil sie sonst nicht mehr heraus gekommen wäre. Wo steckt sie aber dann? Und wieviel Prozent der Gesamtmasse eines Schwarzen Lochs befindet sich somit “draußen”?

  40. #40 Karl-Heinz
    13. November 2018

    @Captain E.

    Wo genau hat die Energie vorher gleich noch einmal drin gesteckt?

    Das Stichwort dazu ist … .
    Ich warte noch damit, weil ich neugierig bin, ob jemand drauf kommt. 😉

  41. #41 Captain E.
    13. November 2018

    @Karl-Heinz:

    Tja, und mir ist dein Stichwort entweder bislang immer durchgerutscht oder ich habe es schlichtweg vergessen.

  42. #42 Karl-Heinz
    13. November 2018

    @Captain E.

    Ok, ich verrate es. :-)

    Bindungsenergie muss aufgebracht werden, um ein gebundenes System aus zwei oder mehr Bestandteilen (beispielsweise einen Himmelskörper, ein Molekül, ein Atom, einen Atomkern), die durch Anziehungskräfte zusammengehalten werden, in seine Bestandteile zu zerlegen. Eine ebenso große Energie wird freigesetzt, wenn sich das gebundene System aus den Einzelteilen bildet.
    siehe: https://de.wikipedia.org/wiki/Bindungsenergie

  43. #43 Karl-Heinz
    13. November 2018

    @Captain E.

    Ok, ich verrate es. (Smiley)

    Bindungsenergie muss aufgebracht werden, um ein gebundenes System aus zwei oder mehr Bestandteilen (beispielsweise einen Himmelskörper, ein Molekül, ein Atom, einen Atomkern), die durch Anziehungskräfte zusammengehalten werden, in seine Bestandteile zu zerlegen. Eine ebenso große Energie wird freigesetzt, wenn sich das gebundene System aus den Einzelteilen bildet.
    siehe: https://de.wikipedia.org/wiki/Bindungsenergie

  44. #44 Niels
    15. November 2018

    @Captain E.

    Ich frage mich gerade, ob es da nicht immer zu einem Gleichgewicht kommen muss. Irgendetwas dreht sich da rasend schnell, und es dürfte nicht unvernünftig sein, davon auszugehen, dass dieses Etwas sich wesentlich schneller dreht als etwa ein Neutronenstern. Im Ergebnis setzt der Lense-Thirring-Effekt ein, der ein Frame-Dragging bedeutet. Nun haben wir bei anderer Gelegenheit darüber diskutiert, dass Raum (zeit) extrem starr ist. So etwas zu verdrillen, sollte viel Energie erfordern, und die kann dann nur aus der Rotationsenergie stammen. Am Ende pegelt es sich ein.

    In der ART gibt es grundsätzlich immer Frame-Dragging, sobald sich eine Masse dreht.
    Egel, wo groß diese Masse ist und egal, wie schnell sie sich dreht.
    So wie es auch immer eine Raumzeitkrümmung gibt, sobald man eine Masse hat, egal wie groß diese Masse ist.

    Beides “verbraucht” aber natürlich keine Energie, deswegen kann sich da nichts einpendeln.

    Nun ja, aber da ergibt sich wie bei den verschmelzenden schweren Schwarzen Löchern, die man per Gravitationswellendetektoren entdeckt hat, folgende Frage: Wo genau hat die Energie vorher gleich noch einmal drin gesteckt?
    […]
    Jenseits des Ereignishorizonts kann sie nicht gewesen sein, weil sie sonst nicht mehr heraus gekommen wäre. Wo steckt sie aber dann?

    Die einfachste Antwort ist die von Karl-Heinz gegebene, sie steckt in der gravitativen Bindungsenergie.

    Das ist nur eigentlich eine unzulässige Vereinfachung, weil das Newton-Sprechweise ist und in der ART schlicht keine Bedeutung mehr hat.
    .

    Leider ist die Antwort in ART-Sprechweise viel schwieriger zu verstehen.
    Das liegt zum Beispiel schon daran, dass es gar nicht so einfach zu verstehen ist, welche Bedeutung der Begriff Masse in der ART überhaupt noch hat:
    https://en.wikipedia.org/wiki/Mass_in_general_relativity

    Vereinfacht gesagt, die Masse steckt wohl irgendwie in der Raumzeitkrümmung.
    (Wir wissen tatsächlich schlicht nicht, was das genau bedeutet.)
    .

    Bei schwarzen Löchern geht man stillschweigend von Folgendem aus, wenn man ihre Masse M angibt:
    Man betrachtet eine Raumzeit, die ausschließlich von einer einzigen Masse verursacht wird, die in der Singularität im Zentrum konzentriert ist
    .
    Als Masse M des schwarzen Loches bezeichnet man jetzt die Masse, die ein Beobachter im Unendlichen wahrnehmen würde.

    Ein Beobachter, der 100 Lichtjahre entfernt ist, nimmt eine minimal geringere Masse als dieses M war, ein Beobachter kurz vor dem Ereignishorizont wieder eine andere und ein Beobachter innerhalb des Ereignishorizont ebenfalls eine andere Masse.

    Die Masse M kann also nicht allein in der Singularität oder innerhalb des Ereignishorizonts stecken.
    Und wieviel Prozent der Gesamtmasse eines Schwarzen Lochs befindet sich somit “draußen”?

    Kommt auf das spezielle schwarze Loch und den speziellen Beobachter an.
    Für ein schwarzes Loch mit einer Masse M von 2 Sonnenmassen nimmt ein Beobachter in 5 Lichtjahren Abstand eine andere Masse war als einer in 100 000 Kilometer Abstand, also auch einen anderen Prozentsatz.
    Erhöht man die Masse auf 100 Sonnenmassen und behält die Abstände der Beobachter bei, ergeben sich wieder andere Prozentanteile der Masse M.

  45. #45 Captain E.
    16. November 2018

    @Niels:

    In der ART gibt es grundsätzlich immer Frame-Dragging, sobald sich eine Masse dreht.
    Egel, wo groß diese Masse ist und egal, wie schnell sie sich dreht.
    So wie es auch immer eine Raumzeitkrümmung gibt, sobald man eine Masse hat, egal wie groß diese Masse ist.

    Beides “verbraucht” aber natürlich keine Energie, deswegen kann sich da nichts einpendeln.

    Ja, klar, das Ausmaß des Frame-Draggings ist natürlich nur eine quantitative. Auch ein rotierender Asteroid zieht die Raumzeit mit. Der Effekt ist dann aber vermutlich so unvorstellbar klein, dass ihn heutzutage wohl kein Mensch messen könnte, oder?

    Grundsätzlich dürfte gelten: Je größer die Masse und je schneller deren Rotation, desto größer die Auswirkung des Lense-Thirring-Effekts.

    So, und was das “Einpendeln” angeht, so habe ich wohl nicht gründlich genug nachgedacht. Masse fällt ja nicht einfach so vom Himmel. Sie existiert und rotiert einfach. Aber! Masse kann mit anderer Masse interagieren. Genau über so etwas hatten wir ja gesprochen. Neutronensterne oder Schwarze Löcher umkreisen eineinander und senden dabei Gravitationswellen aus. Selbst die Sonne und der Jupiter strahlen für eine Handvoll Watt pro Jahr Gravitationswellen ab. Das, was ich als “Einpendeln” bezeichnet habe, geschieht also immer dann, wenn zuvor getrennte Massen verschmelzen. Also umkreisen sich etwa Schwarzes Loch Nummer Eins und Nummer Zwei, strahlen dabei Energie ab und rücken immer näher aufeinander zu. Der Prozess beschleunigt sich zum Ende hin dramatisch, und nach dem Ringdown sind innerhalb von Minuten, Mikrosekunden oder welche Zeiteinheit auch immer vor dem “Ende” ein paar Sonnenmassen verschwunden.

    

    Die einfachste Antwort ist die von Karl-Heinz gegebene, sie steckt in der gravitativen Bindungsenergie.

    Das ist nur eigentlich eine unzulässige Vereinfachung, weil das Newton-Sprechweise ist und in der ART schlicht keine Bedeutung mehr hat.
    .

    Leider ist die Antwort in ART-Sprechweise viel schwieriger zu verstehen.
    Das liegt zum Beispiel schon daran, dass es gar nicht so einfach zu verstehen ist, welche Bedeutung der Begriff Masse in der ART überhaupt noch hat:
    https://en.wikipedia.org/wiki/Mass_in_general_relativity

    Vereinfacht gesagt, die Masse steckt wohl irgendwie in der Raumzeitkrümmung.

    Das muss sie wohl, und laut (naiver) Vorstellung sorgen sich verlagernde Massen (relativ zueinander, passend zu den Relativitätstheorien) für Änderungen in der Raumkrümmung, die sich dem Universum dann per Gravitationswellen mitteilen. Tja, und da die dann Energie sind und bekanntlich Energie und Massen äquivalent sind…

    Es ist halt aber doch erstaunlich, wieviel Masse in der Form von Energie in der Raumkrümmung gespeichert sein muss. (Kann man sie als “Raumkrümmungsenergie” bezeichnen?) Und im Gegensatz der nicht nur naiven, sondern eben auch falschen Vorstellung des Schwarzen Lochs als “kosmischer Staubsauger” bleibt diese(s) Energie/Masseäquivalent hübsch draußen und fällt nicht hinein.

    (Wir wissen tatsächlich schlicht nicht, was das genau bedeutet.)

    Das ist in dem Zusammenhang sicherlich der Spruch des Tages! :-)

    Bei schwarzen Löchern geht man stillschweigend von Folgendem aus, wenn man ihre Masse M angibt:
    Man betrachtet eine Raumzeit, die ausschließlich von einer einzigen Masse verursacht wird, die in der Singularität im Zentrum konzentriert ist
    .
    Als Masse M des schwarzen Loches bezeichnet man jetzt die Masse, die ein Beobachter im Unendlichen wahrnehmen würde.

    Ein Beobachter, der 100 Lichtjahre entfernt ist, nimmt eine minimal geringere Masse als dieses M war, ein Beobachter kurz vor dem Ereignishorizont wieder eine andere und ein Beobachter innerhalb des Ereignishorizont ebenfalls eine andere Masse.

    Ja, immer diese netten kleinen Überraschungen von SRT und ART. 😉

    Kommt auf das spezielle schwarze Loch und den speziellen Beobachter an.
    Für ein schwarzes Loch mit einer Masse M von 2 Sonnenmassen nimmt ein Beobachter in 5 Lichtjahren Abstand eine andere Masse war als einer in 100 000 Kilometer Abstand, also auch einen anderen Prozentsatz.
    Erhöht man die Masse auf 100 Sonnenmassen und behält die Abstände der Beobachter bei, ergeben sich wieder andere Prozentanteile der Masse M.

    Das macht die Angelegenheit natürlich schwierig. Wenn man sich vorstellt, wie sich die Energie zwischen den beiden Monstern in Andromeda und der Milchstraße verteilt, und was daraus werden wird, wenn beide Galaxien kollidieren und letztlich ihre supermassiven Schwarzen Löcher miteinander verschmelzen. Da werden bestimmt hunderte oder tausende von Sonnenmassen abgestrahlt werden, und im System der beiden Galaxien steckt diese Energie jetzt im Augenblick ja auch schon irgendwie drin. Erschreckend und faszinierend zugleich!

    Auf jeden Fall mal vielen Dank – das war hochinteressant.