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Video: Gibt es schwarze Löcher wirklich?

Von / 30. März 2013 / 14 Kommentare
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Extrasolare Planeten sind enorm faszinierend und deswegen schreibe ich ja gerade eine Serie darüber. Neben den fremden Welten gehören aber wohl die schwarzen Löcher zu den Himmelskörpern im Universum, die die Gedanken der Menschen am meisten anregen. Schwarze Löcher sind seltsam, sie widersprechen all dem, was wir aus unserem Alltag gewohnt sind und sie gehören zu den Himmelskörpern, die am meisten missverstanden werden. Über schwarze Löcher sind jede Menge falsche Vorstellungen im Umlauf (zum Beispiel, dass sie gnadenlos alles ansaugen wie ein Staubsauger). Es lohnt sich also, sich ein bisschen näher mit ihnen zu beschäftigen (was ich hier im Blog ja auch schon oft genug gemacht habe. Wenn ihr während der Osterfeiertage also zu viel freie Zeit habt, dann schaut euch doch einfach diese beiden Videos aus der Reihe “Universum für alle” an.


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Kommentare (14)

  1. #1 Bjoern
    30. März 2013

    Dazu fällt mir mal wieder der Typ aus der “Mondverschwörung” ein, der meinte, was Astronomen für Schwarze Löcher halten, sind in Wirklichkeit unsichtbare, 5 km große Mutterschiffe der Reichtsflugscheiben… 😀

  2. #2 Richard
    30. März 2013

    Danke, schöne Videos. Ich bin jedoch wieder einmal verwirrt. Also die Dichte muss nicht immer extrem groß sein, es kommt auf die Masse des SL an? Heißt das je mehr Masse desto geringere die Dichte? Und wenn das Innere eines SL ein Vakuum ist, wie kann es dann überhaupt etwas anziehn. Es scheint mir so als würde ich mit jedem Video oder Artikel den ich lese weniger und weniger diese schwarzen dinger verstehn.

  3. #3 Bjoern
    30. März 2013

    Zu den beiden Videos: Beim zweiten wird ja versucht, alles schön anschaulich zu machen (aber auch da wird leider nicht durchgängig auf Fachbegriffe verzichtet). Aber das erste verwendet zwar viele schöne Bilder, ist didaktisch aber trotzdem eine mittlere Katastrophe! Herr Camenzind scheint das Vorwissen seiner Zuhörer _etwas_ falsch einzuschätzen…

  4. #4 Bjoern
    30. März 2013

    @Richard:

    Also die Dichte muss nicht immer extrem groß sein, es kommt auf die Masse des SL an?

    Es kommt weder darauf an, dass die Dichte noch dass die Masse extrem groß ist. Wichtig ist die Masse pro “linearer Ausdehnung” (das ist eine der Stellen, wo das zweite Video unnötige Fachsprache verwendet), sprich: Masse pro Radius.

    Man nehme die Masse eines Objekt und teile diese durch seinen Radius (wir beschränken uns der Einfachheit halber mal auf Kugeln, wie im Video). Wenn das Ergebnis einen bestimmten Wert überschreitet, muss das Objekt ein Schwarzes Loch sein.

    (Den Wert weiß ich jetzt nicht auswendig… mal nachschauen… ah ja, c^2/(2G), wobei c die Lichtgeschwindigkeit und G die Gravitationskonstante ist; das ergibt etwa 6,73 * 10^26 kg/m.)

    Die Dichte ist dagegen die Masse durch das Volumen, also die Masse geteilt durch 4 pi/3 Radius^3.

    Heißt das je mehr Masse desto geringere die Dichte?

    Ja, das ist richtig. “Stellare” schwarze Löcher (solche, die aus Sternen entstanden sind) haben Massen von einigen Sonnenmassen und sehr hohe Dichten. Die riesigen Schwarzen Löcher in den Zentren von Galaxien haben Millionen bis Milliarden Sonnenmassen und geringe Dichte (kleiner als die von Wasser!).

    Und wenn das Innere eines SL ein Vakuum ist, wie kann es dann überhaupt etwas anziehn.

    Anschaulich kannst du es dir so vorstellen, dass im Zentrum des Schwarzen Lochs die ganze Masse in einem Punkt konzentriert ist, überall außenrum ist nur Vakuum.

    Alternativ: Laut E = mc^2 hat Energie schon Masse; es genügt also schon, wenn ein Schwarzes Loch nur Energie enthält, Materie ist gar nicht nötig für die Anziehung.

  5. #5 Florian Freistetter
    30. März 2013

    @Bjoern: ” Aber das erste verwendet zwar viele schöne Bilder, ist didaktisch aber trotzdem eine mittlere Katastrophe! Herr Camenzind scheint das Vorwissen seiner Zuhörer _etwas_ falsch einzuschätzen…”

    Ja, ist mir leider auch aufgefallen. Aber die Auswahl an deutschsprachigen Videos zum Thema ist leider nicht sehr groß und ich dachte, es findet sich vielleicht doch der eine oder die andere, die was damit anfangen können.

  6. #6 Richard
    30. März 2013

    OK. Danke.

  7. #7 Alderamin
    30. März 2013

    @Bjoern

    Anschaulich kannst du es dir so vorstellen, dass im Zentrum des Schwarzen Lochs die ganze Masse in einem Punkt konzentriert ist, überall außenrum ist nur Vakuum.

    Da die meisten Schwarzen Löcher offenbar einen Drehimpuls haben, ist die Masse in diesem Fall anscheinend in einem Ring konzentriert. Jedenfalls wirkt es von außen so. Ein Punkt kann jedenfalls keinen Drehimpuls haben.

  8. #8 R.M.
    Berlin
    30. März 2013

    Zu dem Thema Dichte frage ich mich folgendes:

    Unterhalb des Schwarzschildradius gibt es keine stabile Kepler-Bahn. D.h. alles was sich dort befindet muss egal wie schnell es sich um das Massezentrum bewegt früher oder später dorthin stürzen. (Die darin existierende Masse kann ja auch nicht einfach so vor sich hinlungern.)

    Wenn jedoch die Massen in das Zentrum stürzen müsste dort eine Situation vorherrschen bei der die Kräfte, die die Atome auf Abstand halten und selbst die, die die Kerne auf Abstand halten aufhebt.

    Die Aussage “im Inneren kann eine Dichte von Wasser sein” ist nur eine theoretische. Praktisch dürfte es vollkommen anders sein.

  9. #9 Florian Freistetter
    30. März 2013

    @RM “Wenn jedoch die Massen in das Zentrum stürzen müsste dort eine Situation vorherrschen bei der die Kräfte, die die Atome auf Abstand halten und selbst die, die die Kerne auf Abstand halten aufhebt. “

    Innerhalb eines schwarzen Lochs ist vieles möglich: https://scienceblogs.de/astrodicticum-simplex/2011/04/18/gibt-es-leben-in-schwarzen-lochern/

  10. #10 Bjoern
    31. März 2013

    @R.M.: Es geht um die _mittlere_ Dichte innerhalb des Lochs.

  11. #11 Bjoern
    31. März 2013

    @Alderamin: Ja, bei einem rotierenden SL ist die Singularität ringförmig.

    (Ob auch ein Punkt einen Drehimpuls haben kann, darüber kann man sich streiten… Elektronen, Quarks etc. sind nach heutigem Wissen punktförmig und haben dennoch einen Spin. Das ist zwar nicht ganz dasselbe wie ein Drehimpuls, verhält sich in vieler Hinsicht aber genauso.)

  12. #12 Alderamin
    31. März 2013

    @Bjoern

    Hmm, guter Punkt mit den Elektronen, habe ich so noch nicht drüber nachgedacht.

  13. #13 Bjoern
    2. April 2013

    @Alderamin: Außerdem reden wir ja vom Drehimpuls des SL als Ganzem, nicht vom Drehimpuls der Singularität. Ist zwar schwer vorstellbar, aber ich denke, die ganze Raumzeit (also alles innerhalb des Ereignishorizonts) trägt da den Drehimpuls.

    Ist hier irgend jemand anwesend, der sich wirklich gut mit der Allgemeinen Relativitätstheorie auskennt? (Niels?)

  14. #14 Niels
    3. April 2013

    Nehmen wir einmal an, die Erde wäre eine homogene, ungeladene und nicht rotierende Kugel.
    Wenn man die Einsteinschen Feldgleichungen löst, ist das Ergebnis eine sogenannte Metrik, die die Raumzeit beschreibt.
    In diesem Beispiel erhält man die Schwarzschild-Metrik.

    Jetzt unterscheidet man zwischen zwei verschiedenen Bereichen:
    1) Das Erdinnere. Es wird durch die sogenannte innere Schwarzschild-Lösung beschrieben.
    2) Das “Außenfeld”. Es wird durch die äußere Schwarzschild-Lösung beschrieben.

    Für die Beschreibung der äußeren Lösung mit Hilfe der Metrik braucht man nur einen Parameter. Er heißt M und beschreibt die Masse der Erde. Dabei ist die Erde aber gerade kein Teil der Raumzeit, der durch die äußere Lösung beschrieben wird. Sie gehört natürlich zur inneren Lösung.
    Die äußere Schwarzschild-Lösung ist eine sogenannte Vakuumlösung der Einsteinschen Feldgleichungen.
    Das bedeutet, dass in diesem Bereich der Energie-Impuls-Tensor überall den Wert Null hat.

    Betrachten wir die Erde etwas genauer als homogene, ungeladene und rotierende Kugel.
    Das Außenfeld wird mit Hilfe der Kerr-Metrik beschrieben. In dieser Metrik stecken zwei Parameter, einmal wieder die Masse M der Erde und einmal der Drehimpuls J der Erde.
    Das ist wieder eine Vakuumlösung, wieder ist überall der Energie-Impuls-Tensor Null. Ein etwaiger Drehimpuls wäre übrigens auch ein Anteil dieses Tensors.
    (Übrigens konnte bisher noch keine innere Kerr-Lösung gefunden werden. Das bedeutet aber nicht, dass man keine innere Lösung finden kann. Man braucht zur Beschreibung dann aber mehr als zwei Parameter. Das ist hier aber eigentlich total unwichtig.)

    Jetzt endlich zu schwarzen Löchern:
    Lösungen für schwarze Löcher sind immer Vakuumlösungen der Feldgleichungen und damit so etwas wie “äußere Lösungen”. Daran ändert sich auch nichts, wenn man den Ereignishorizonts überquert. Die “äußere Lösung” beschreibt hier die komplette Raumzeit, eine “innere Lösung” existiert nicht, sie ist unnötig.

    Außerdem reden wir ja vom Drehimpuls des SL als Ganzem, nicht vom Drehimpuls der Singularität

    Bei SLs beschreibt die Metrik, in der die Parameter Masse, Drehimpuls und Ladung auftauchen, die gesamte Raumzeit. Es gibt kein “Innenfeld”, in dem diese Parameter versteckt sein könnten. Außerdem werden SLs wie gesagt durch Vakuumlösungen beschrieben.
    Als einziger Ort “außerhalb” der Raumzeit bleibt nur noch die Singularität übrig. Deswegen würde ich schon sagen, dass die Singularität die Parameter der Metrik “trägt”.

    Ist zwar schwer vorstellbar, aber ich denke, die ganze Raumzeit (also alles innerhalb des Ereignishorizonts) trägt da den Drehimpuls

    Die Sache mit der Energieerhaltung hatten wir doch gerade erst. 😉
    In der ART verschwindet der Energie-Impuls-Tensor im Vakuum. Das bedeutet aber nicht, dass die Raumzeit keine Energie tragen kann. Sie ist nur nicht lokalisierbar.
    Es ist schon richtig, dass die ganze Raumzeit Drehimpuls trägt. Natürlich aber auch die Raumzeit außerhalb des Ereignishorizontes. Der hat damit nichts zu tun.
    Wenn man vom Drehimpuls eines schwarzen Loches spricht geht es allerdings meiner Ansicht nach um den Parameter, der in der Metrik auftaucht. An diesem ist die Raumzeit nicht beteiligt. In der ART beschreibt die Metrik doch vielmehr die Raumzeit.

    Zum Ring:
    Die “Ringform” beschreibt eigentlich die Tatsache, dass die Kerr-Raumzeit achsensymmetrisch ist und nicht kugelsymmetrisch wie die Schwarzschild-Raumzeit. Daher ein “Ring” und kein “Punkt”.
    Das kann man sich vielleicht als singulären Massenstrom vorstellen, der in einem unendlich dünnen Ring fließt.
    Ich weiß aber nicht, ob man sich bei schwarzen Löchern mit Anschauungen etwas Gutes tut.
    Dieser “Ring” ergibt sich nämlich nur in ganz bestimmten Koordinaten, in anderen Koordinatensystem sieht es wieder anders aus.