Energie und Lichtblitze aus der Grenzwelt

21.01.2008

Neue Forschungsergebnisse zu Schwarzen Löchern

Schwarze Löcher gehören zu den faszinierendsten Objekten in der Kosmologie: Bei der Beschreibung stoßen Physiker an die Grenzen der Allgemeinen Relativitätstheorie und der Quantenphysik, ihr Verhalten wirkt bizarr und jenseits aller Verständlichkeit. Amerikanische Forschergruppen haben jetzt neue Ergebnisse ihrer Forschung dazu veröffentlicht.

Schwarzes Loch, aufgenommen von Röngtensatelliten Chandra. Bild: NASA

Schwarze Löcher sind Objekte, die sich jeglicher Vorstellung entziehen: Durch ihre hohe Dichte üben sie eine derartig starke Gravitation aus, dass aus ihrer nächsten Umgebung noch nicht einmal elektromagnetische Wellen wie Lichtteilchen entweichen können. Diese Grenze nennt man den Ereignishorizont, der von der Masse des Schwarzen Loches abhängig ist. Damit aus der Erde ein Schwarzes Loch würde, müsste ihre Masse auf eine Kugel mit 9 Millimeter Radius komprimiert werden, bei der Sonne genügt ein Radius von 3 Kilometern.

Obwohl aus dem Ereignishorizont von Schwarzen Löchern selbst keine Energie entweichen kann, strahlt es von seiner Oberfläche Hawking-Strahlung ab und auf einer Zeitskala von 1066 Jahren zerstrahlen sie (Zum Vergleich: Das Universum ist ca. 1010 Jahre alt). Diese Strahlung ist aber nur sehr schwach. Wenn ein Schwarzes Loch jedoch aus seiner Umgebung Materie aufnimmt, so beginnt das Schwarze Loch sich zu drehen. Durch weitere Masseaufnahme rotiert es immer schneller. Nach der Allgemeinen Relativitätstheorie rotiert der Raum um ein drehendes Schwarzes Loch selbst. Durch die Rotation des Raums wird zusammen mit dem sich zum Zentrum hin spiralisierenden Gas ein rotierendes magnetisches Feld erzeugt, das dazu führt, dass ein Teil des Gases als Jets mit sehr hoher Energie senkrecht zur so genannten Akkretionsscheibe nach außen abgestoßen wird.

Röngtensatellit Chandra. Bild: NASA

Im Zentrum aller beobachteten Galaxien finden sich Schwarze Löcher. Man nimmt deshalb an, dass die Entwicklung äußerst massereicher Schwarzer Löcher zusammen mit der sie umgebenden Galaxie verläuft, besonders auch, da die Masse dieser Schwarzen Löcher stark mit der Masse der Galaxie korreliert.

Wissenschaftler der NASA haben jetzt anhand Beobachtungen an neun Riesengalaxien mit dem Röntgensatelliten Chandra nachweisen können, dass sich deren supermassive Schwarzen Löcher an der Grenze der durch die Relativitätstheorie maximal möglichen Rotationsgeschwindigkeit drehen. Dies wurde theoretisch bereits vorhergesagt, jedoch bislang nur indirekt gemessen. Dadurch erhalten die Jets extrem hohe Energien, die im Gegenzug dazu führen, dass das Gas, welches die Schwarzen Löcher umgibt, stark erhitzt wird. Dadurch kühlt dieses nicht ab, was wiederum die Sternentstehung in diesem Bereich verlangsamt.

Drehende Schwarze Löcher und die Drehung der Raumzeit haben noch andere Auswirkungen, wie eine Gruppe theoretischer Physiker der NASA berechnete. In den an sich schon heißen Akkretionsscheiben bilden sich kleine, noch heißere Bereiche, die durch Abstrahlung von Röntgenstrahlung abkühlen. Die Richtung, in der die Strahlung abgestrahlt wird, ist räumlich gleichmäßig verteilt. Diese Ausbrüche können bereits länger beobachtet werden. Durch die starke Gravitation des Schwarzes Lochs erreicht die Strahlung die Erde nicht auf direktem Weg, sondern wandert stattdessen auf verschiedenen Wegen um das Schwarze Loch herum, so dass bei einem Ausbruch Röntgenblitze die Erde erreichen, wobei der Abstand der Blitze von der Lage des heißen Bereichs, des Schwarzen Lochs und der Erde abhängt.

Mittels Berechnungen fanden die Wissenschaftler heraus, dass der Abstand der Blitze nicht mehr von der Lage des heißen Bereichs abhängig ist wenn sich das Schwarze Loch im Zentrum extrem schnell dreht. Etwa drei Viertel der die Erde erreichenden Röntgenstrahlung würde einen Teil des Wegs um das Schwarze Loch herumlaufen und dann die Erde erreichen. Der Großteil des Rests würde denselben Teil umlaufen und zusätzlich eine komplette Umdrehung um das Schwarze Loch machen. Weitere Blitze würden zwei oder drei komplette Umdrehungen vollführen, ehe sie die Erde erreichten.

Misst man jetzt zwei Röntgenstrahlenausbrüche aus einem heißen Bereich der Akkretionsscheibe, so erhält man denselben Abstand zwischen zwei Röntgenblitzen - sozusagen Echos des ersten Blitzes. Die Schwierigkeit besteht im Moment noch darin, die weiteren Blitze messen zu können, da diese wesentlich schwächer sind als der erste und sich kaum vom Hintergrund des gesamten Weltalls abheben. Durch statistische Auswertung ist jedoch möglich, diese Echos zu finden, wenn der Ausbruch stark genug wäre. Für ein Schwarzes Loch mit etwa zehn Sonnenmassen und einer Rotation mit 95% der maximal möglichen Geschwindigkeit würden die Blitze mit einem Abstand von etwa 0,7 Millisekunden auf der Erde ankommen, d. h. ca. 1400 Blitze pro Sekunde. Die Messung dieser Echos würde neben einem weiteren Hinweis auf die Richtigkeit der Allgemeinen Relativitätstheorie auch Aussagen über Eigenschaften des Schwarzen Lochs liefern.

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  • Re (29.01.2008 16:02)
  • Auflösung (24.01.2008 19:52)
  • Re: (23.01.2008 14:24)
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