Schwarze Löcher Sackgassen in der Raumzeit

1. Schwarze LöcherSackgassen in der Raumzeit FranzEmbacher Fakultät für Physikder Universität Wien Vortrag im Rahmen von physics:science@school13/14 Wien, BG & GRG 3, Boerhaavegasse1518. Dezember 2013

2. Wenn ein Stern unter dem Einfluss seiner Schwerkraft kollabiert, so wird er immer mehr zusammengedrückt, • bis er schließlich nur mehr ein einziger Punkt ist, die „Singularität“. • Kommt ein (hypothetischer) „Astronaut“ einem solchen Schwarzen Loch zu nahe, so wird er zunächst auseinandergezogen („spaghettifiziert“) • und schließlich ebenfalls auf die Größe eines Punktes zusammengedrückt. Was sind Schwarze Löcher?

3. Wenn ein Stern unter dem Einfluss seiner Schwerkraft kollabiert, so wird er immer mehr zusammengedrückt, • bis er schließlich nur mehr ein einziger Punkt ist, die „Singularität“. • Kommt ein (hypothetischer) „Astronaut“ einem solchen Schwarzen Loch zu nahe, so wird er zunächst auseinandergezogen („spaghettifiziert“) • und schließlich ebenfalls auf die Größe eines Punktes zusammengedrückt.  Was sind Schwarze Löcher?

4. Wenn ein Stern unter dem Einfluss seiner Schwerkraft kollabiert, so wird er immer mehr zusammengedrückt, • bis er schließlich nur mehr ein einziger Punkt ist, die „Singularität“. • Kommt ein (hypothetischer) „Astronaut“ einem solchen Schwarzen Loch zu nahe, so wird er zunächst auseinandergezogen („spaghettifiziert“) • und schließlich ebenfalls auf die Größe eines Punktes zusammengedrückt.  Was sind Schwarze Löcher?

5. Wenn ein Stern unter dem Einfluss seiner Schwerkraft kollabiert, so wird er immer mehr zusammengedrückt, • bis er schließlich nur mehr ein einziger Punkt ist, die „Singularität“. • Kommt ein (hypothetischer) „Astronaut“ einem solchen Schwarzen Loch zu nahe, so wird er zunächst auseinandergezogen („spaghettifiziert“) • und schließlich ebenfalls auf die Größe eines Punktes zusammengedrückt.  Was sind Schwarze Löcher? 

6. Wenn ein Stern unter dem Einfluss seiner Schwerkraft kollabiert, so wird er immer mehr zusammengedrückt, • bis er schließlich nur mehr ein einziger Punkt ist, die „Singularität“. • Kommt ein (hypothetischer) „Astronaut“ einem solchen Schwarzen Loch zu nahe, so wird er zunächst auseinandergezogen („spaghettifiziert“) • und schließlich ebenfalls auf die Größe eines Punktes zusammengedrückt.  Was sind Schwarze Löcher? 

7. Die Existenz Schwarzer Löcher wurde von Albert Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie vorhergesagt • und schließlich auch durch astronomische Beobachtungen bestätigt. Die Entdeckungsgeschichte 1679: Isaac Newton stellt das Gravitationsgesetz auf. 1783: John Mitchell spekuliert über Sterne, deren Gravitation so stark ist, dass sie das Licht gefangen hält! 1796: Pierre Simon Laplace greift die Idee auf („dunkle Körper“).1905: Albert Einstein veröffentlicht die Spezielle Relativitätstheorie. Sie passt nicht zur Newtonschen Gravitationstheorie.

8. Die Existenz Schwarzer Löcher wurde von Albert Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie vorhergesagt • und schließlich auch durch astronomische Beobachtungen bestätigt. Die Entdeckungsgeschichte 1679: Isaac Newton stellt das Gravitationsgesetz auf. 1783: John Mitchell spekuliert über Sterne, deren Gravitation so stark ist, dass sie das Licht gefangen hält! 1796: Pierre Simon Laplace greift die Idee auf („dunkle Körper“).1905: Albert Einstein veröffentlicht die Spezielle Relativitätstheorie. Sie passt nicht zur Newtonschen Gravitationstheorie. Warum?

9. Albert Einstein denkt und rechnet 10 Jahre lang… • es stellt zunächst (1907) das Äquivalenzprinzip auf und schließlich die Allgemeine Relativitätstheorie, die moderne Theorie der Gravitation. Die Entdeckungsgeschichte 1915: Albert Einstein veröffentlicht die Allgemeine Relativitätstheorie.  Einsteinsche Feldgleichungen 1916: Karl Schwarzschild will mit der neuen Theorie das Gravitationsfeld einer Punktmasse bestimmen. Er findet eine Formel dafür. Es ist aber zunächst nicht klar, was sie bedeutet!  Schwarzschild-Metrik

10. 1916 – 1950er Jahre: Aufklärung, was es mit der von Karl Schwarzschild gefundenen Lösung auf sich hat!1964: Der Begriff „Schwarzes Loch“ erscheint zu ersten Mal in einem Bericht über ein Symposium zu den möglichen Endstadien der Sterne. 1971: Entdeckung des ersten Kandidaten für ein „stellares Schwarzes Loch“ (Cygnus X-1, ein Röntgendoppelstern, etwa 6000 Lichtjahre entfernt).1974: Stephen Hawking stellt die Hypothese auf, dass Schwarze Löcher strahlen. Seither Versuche, Schwarze Löcher auch im Rahmen einer Quantentheorie zu beschreiben. Die Entdeckungsgeschichte

11. 1984: Entdeckung des ersten supermassiven Schwarzen Lochs (in M32, einer Zwerggalaxie, die die Andromeda -Galaxie begleitet, 2.3 Millionen Lichtjahre entfernt, Masse: 4 Millionen Sonnenmassen) 1988: Supermassives Schwarzes Loch in unserer Nachbargalaxie! (M31, Andromeda-Galaxie, 2.5 Millionen Lichtjahre entfernt, Masse: 40 Millionen Sonnenmassen) Um 2000: Supermassives Schwarzes Loch im Zentrum unserer eigenen Galaxie, der Milchstraße! (Sagittarius A*, 26 000 Lichtjahre entfernt, Masse: 4 Millionen Sonnenmassen) Die meisten Galaxien beherbergen in ihrem Zentrum ein solches Objekt! Die Entdeckungsgeschichte

12. Raum und Zeit werden gemeinsam als Raum-Zeit-Kontinuum („Raumzeit“) beschrieben. • Die Einsteinschen Feldgleichungen besagen vereinfacht: Massen krümmen die Raumzeit! • Bewegte Körper „spüren“ die Krümmung der Raumzeit. Auch ihre Bahnen sind gekrümmt. Auf diese Weise wird die Gravitationswechselwirkung beschrieben. • Und: die Allgemeine Relativitätstheorie erbt eine besondere Eigenschaft der Speziellen Relativitätstheorie: Kein Körper und kein Signal bewegt sich schneller ist das Licht! Allgemeine Relativitätstheorie

13. Im Rahmen der Speziellen Relativitätstheorie kann man sich die Raumzeit (auf eine Zeit- und eine Raumdimension reduziert) so vorstellen: Geometrische Ansicht der Raumzeit

14. Beispiel für ein raumzeitliches Modell: Geometrische Ansicht der Raumzeit

15. Lichtkegel: Geometrische Ansicht der Raumzeit

16. Kausalstruktur: Geometrische Ansicht der Raumzeit

17. Lichtkegelstruktur: Geometrische Ansicht der Raumzeit

18. Im Rahmen der Allgemeinen Relativitätstheorie kann man sich die Krümmung der Raumzeit als „verbogene Lichtkegelstruktur“ vorstellen: Die gekrümmte Raumzeit

19. Ein konkretes Beispiel: Die von Karl Schwarzschild gefundene Lösung der Einsteinschen Feldgleichungen: Die Schwarzschild-Raumzeit

20. Was ist denn nun ein Schwarzes Loch? Ausgerüstet mit dem Konzept der „verbogenen Lichtkegelstruktur“ und der konkreten Form der Schwarzschild-Raumzeit können wir uns nun selbst auf eine (theoretische) Entdeckungsreise begeben!

21. Bewegung eines Körpers („Astronauten“): Schwarzes Loch

22. Ereignishorizont: Schwarzes Loch

23. Warum heißt ein Schwarzes Loch „schwarz“? Schwarzes Loch Schwarzes Loch Nichts kann aus dem Bereich innerhalb des Horizonts entweichen!

24. Raum und Zeit tauschen ihre Rollen! Schwarzes Loch Innerhalb des Horizonts ist t eine Raumkoordinate… und r eine Zeitkoordinate!

25. Singularität – Grenze der Raumzeit! Schwarzes Loch

26. Singularität – Grenze der Raumzeit! Schwarzes Loch Die Singularität ist kein Raumpunkt, sondern ein Zeitpunkt!!!

27. SignalezurErde:

28. SignalezurErde:

29. SignalezurErde:

30. Für entfernte Beobachter vergeht die Zeit in der Nähe des Ereignishorizonts langsamer und bleibt am Horizont selbst stehen! SignalezurErde:

31. Ein Schwarzes Loch ist „schwarz“, weil nichts aus ihm entweichen kann. • Der Grund dafür: Die Außenwelt gehört nicht zur seiner Zukunft! In einer gekrümmten Raumzeit ist das möglich! • Im Inneren befindet sich eine Singularität. Sie ist aber kein „Raumpunkt“, sondern ein „Zeitpunkt“! • Für entfernte Beobachter vergeht die Zeit in der Nähe des Horizonts langsamer und bleibt am Horizont schließlich stehen! • Für einen hineinfallenden Körper vergeht die Zeit aber normal („Vielfingrigkeit der Zeit“)! Eigenschaften Schwarzer Löcher

32. Spaghettifizierung Weitere Effekte

33. Spaghettifizierung • Längen in der Nähe eines Schwarzen Lochs:(so als wäre sein Volumen größer als seine Oberfläche zulässt!) Weitere Effekte

34. Spaghettifizierung • Längen in der Nähe eines Schwarzen Lochs:(so als wäre sein Volumen größer als seine Oberfläche zulässt!) • Hawking-Strahlung • Quanteneffekt • Indem etwas in das Schwarze Loch fällt, wird es leichter! • Zuletzt explodiert („verdampft“) es – wie das genau vor sich geht, wissen wir nicht! Bis es soweit ist, dauert es aber viel länger als das (bisherige) Alter des Universums. Weitere Effekte SL

35. Ein stellares Schwarzes Loch entsteht, wenn ein Stern von etwa > 8 Sonnenmassen „ausgebrannt“ ist und unter dem Einfluss seiner eigenen Schwerkraft kollabiert. Er stößt einen Teil seiner Masse in einer Supernova ab, im Zentrum der Explosion entsteht ein Schwarzes Loch. • Beobachtete Kandidaten für stellare Schwarze Löcher haben Masen zwischen 3 und 20 Sonnenmassen. • Schwarze Löcher sind „gefräßig“ – sie wachsen, weil sie Materie schlucken. • Wie genau und warum die supermassiven Schwarzen Löcher in den Zentren der Galaxien entstanden, ist noch wenig bekannt. Wann entsteht ein Schwarzes Loch?

36. Schwarze Löcher können rotieren und elektrisch geladen sein. • Schwarze Löcher können kollidierenund verschmelzen Aussendung starker Gravitationswellen (noch nicht beobachtet) • Ein Grundlagenproblem: • Die Hawking-Strahlung scheint nicht von der Materie abzuhängen, aus der ein Schwarzes Loch entstanden ist. Und schließlich… (für ein nichtrotierendesungeladenes Schwarzes Loch)

37. Das Ende von Max und Moritz http://www.gutenberg.org/ebooks/17161

38. Das Ende von Max und Moritz

39. Das Ende von Max und Moritz

40. Das Ende von Max und Moritz

41. Das Ende von Max und Moritz

42. Wenn ein Schwarzes Loch die Hawking-Strahlung aussendet und schließlich „verdampft“: • Gehen dabei die Eigenschaften der Materie, aus denen es entstanden ist (außer Masse, Drehimpuls und Ladung) „verloren“? • Ist die Erhaltung der Leptonenzahl und der Baryonenzahl verletzt? Black hole information paradox Unitarityproblem • Das sind offene Fragen der Forschung… Ein Grundlagenproblem

43. Diese Präsentationgibt‘s am Web unterhttp://homepage.univie.ac.at/franz.embacher/Rel/Sackgassen/ Danke für die Aufmerksamkeit!