Neutronensterne und Schwarze Löcher. Gravitationskollaps. Neutronensterne. Schwarze Löcher. Synthese von Schwarzen Löchern

Dieser Beitrag ist eine Zusammenfassung der fünften Lektion des Astrophysik-Kursprogramms für die Oberstufe. Es enthält eine Beschreibung von Supernova-Explosionen, Entstehungsprozessen von Neutronensternen (Pulsaren) und Schwarzen Löchern mit Sternmasse, sowohl einzeln als auch in Sternpaaren. Und ein paar Worte zu Braunen Zwergen.

Zunächst wiederhole ich das Bild, das die Klassifizierung der Sterntypen und ihre Entwicklung in Abhängigkeit von ihrer Masse zeigt:

1. Ausbrüche von Novae und Supernovae.
Das Verbrennen von Helium in den Tiefen der Sterne endet mit der Entstehung Roter Riesen und deren Ausbrüchen neu mit Bildung Weiße Zwerge oder die Bildung roter Überriesen und deren Ausbrüche Supernovae mit Bildung Neutronensterne oder Schwarze Löcher, sowie Nebel aus den von diesen Sternen ausgestoßenen Granaten. Oft übersteigen die Massen der ausgestoßenen Granaten die Massen der „Mumien“ dieser Sterne – Neutronensterne und Schwarze Löcher. Um das Ausmaß dieses Phänomens zu verstehen, werde ich ein Video der Explosion der Supernova 2015F in einer Entfernung von 50 Millionen Lichtjahren von uns bereitstellen. Jahre der Galaxie NGC 2442:

Ein weiteres Beispiel ist die Supernova von 1054 in unserer Galaxie, durch die in einer Entfernung von 6,5 Tausend Lichtjahren von uns der Krebsnebel und ein Neutronenstern entstanden. Jahre. In diesem Fall beträgt die Masse des entstehenden Neutronensterns ~ 2 Sonnenmassen und die Masse der ausgestoßenen Hülle beträgt ~ 5 Sonnenmassen. Zeitgenossen schätzten die Helligkeit dieser Supernova auf etwa das Vier- bis Fünffache der Helligkeit der Venus. Wenn eine solche Supernova tausendmal näher (6,5 Lichtjahre) ausbrechen würde, würde sie an unserem Himmel 4000-mal heller funkeln als der Mond, aber hundertmal schwächer als die Sonne.

2. Neutronensterne.
Sterne großer Massen (Klassen O, B, A) Nach dem Ausbrennen von Wasserstoff zu Helium und während des Ausbrennens von Helium überwiegend in Kohlenstoff treten Sauerstoff und Stickstoff in ein relativ kurzes Stadium ein roter Überriese und nach Abschluss des Helium-Kohlenstoff-Kreislaufs werfen sie auch ihre Hülle ab und flammen auf „Supernovae“. Auch ihre Tiefen werden unter dem Einfluss der Schwerkraft komprimiert. Doch der Druck des entarteten Elektronengases kann diese gravitative Selbstkompression nicht mehr wie bei Weißen Zwergen aufhalten. Daher steigt die Temperatur im Darm dieser Sterne und in ihnen beginnen thermonukleare Reaktionen, wodurch die folgenden Elemente des Periodensystems gebildet werden. Bis zu Drüse.

Warum vor Eisen? Denn bei der Bildung von Kernen mit hoher Ordnungszahl geht es nicht um die Freisetzung von Energie, sondern um deren Aufnahme. Aber es von anderen Kernen zu übernehmen ist nicht so einfach. Natürlich entstehen in den Tiefen dieser Sterne Elemente mit hohen Ordnungszahlen. Allerdings in viel geringeren Mengen als Eisen.

Doch dann spaltet sich die Evolution. Nicht zu massereiche Sterne (Klassen A und teilweise IN) einbiegen in Neutronensterne. Dabei werden Elektronen buchstäblich in Protonen eingeprägt und der größte Teil des Sternkörpers verwandelt sich in einen riesigen Neutronenkern. Bestehend aus gewöhnlichen Neutronen, die sich berühren und sogar ineinander gepresst werden. Die Dichte des Stoffes liegt in der Größenordnung von mehreren Milliarden Tonnen pro Kubikzentimeter. Ein typisches Neutronensterndurchmesser- etwa 10-20 Kilometer. Ein Neutronenstern ist die zweite stabile Art der „Mumie“ eines toten Sterns. Ihre Massen liegen typischerweise zwischen etwa 1,3 und 2,1 Sonnenmassen (Beobachtungsdaten zufolge).

Einzelne Neutronensterne sind aufgrund ihrer extrem geringen Leuchtkraft optisch kaum zu erkennen. Aber einige von ihnen finden sich als Pulsare. Was ist das? Fast alle Sterne drehen sich um ihre eigene Achse und haben ein ziemlich starkes Magnetfeld. Beispielsweise dreht sich unsere Sonne in etwa einem Monat um die eigene Achse.

Stellen Sie sich nun vor, dass sich sein Durchmesser um das Hunderttausendfache verringert. Es ist klar, dass es sich dank des Drehimpulserhaltungssatzes viel schneller drehen wird. Und das Magnetfeld eines solchen Sterns in der Nähe seiner Oberfläche wird um viele Größenordnungen stärker sein als das der Sonne. Die meisten Neutronensterne haben eine Rotationsperiode um ihre Achse von Zehntel- bis Hundertstelsekunden. Aus Beobachtungen ist bekannt, dass der am schnellsten rotierende Pulsar etwas mehr als 700 Umdrehungen um seine Achse pro Sekunde macht und der am langsamsten rotierende eine Umdrehung in mehr als 23 Sekunden macht.

Stellen Sie sich nun vor, dass die magnetische Achse eines solchen Sterns wie die der Erde nicht mit der Rotationsachse zusammenfällt. Die harte Strahlung eines solchen Sterns wird in schmalen Kegeln entlang der magnetischen Achse konzentriert. Und wenn dieser Kegel die Erde mit der Rotationsperiode des Sterns „berührt“, dann sehen wir diesen Stern als pulsierende Strahlungsquelle. Wie eine Taschenlampe, die von unserer Hand gedreht wird.

Ein solcher Pulsar (Neutronenstern) entstand nach einer Supernova-Explosion im Jahr 1054, die gerade während des Besuchs von Kardinal Humbert in Konstantinopel stattfand. Dadurch kam es zum endgültigen Bruch zwischen der katholischen und der orthodoxen Kirche. Dieser Pulsar selbst macht 30 Umdrehungen pro Sekunde. Und die Hülle, die es mit einer Masse von ~ 5 Sonnenmassen ausschleuderte, sieht so aus Krebsnebel:

3. Schwarze Löcher (Sternmassen).
Schließlich gibt es ziemlich massereiche Sterne (Klassen UM und teilweise IN) beenden ihre Lebensreise mit der dritten Art von „Mumie“ – schwarzes Loch. Ein solches Objekt entsteht, wenn die Masse eines Sternüberrests so groß ist, dass der Druck der kontaktierenden Neutronen (der Druck eines entarteten Neutronengases) in den Tiefen dieses Überrests seiner gravitativen Selbstkompression nicht widerstehen kann. Beobachtungen zeigen, dass die Massengrenze zwischen Neutronensternen und Schwarzen Löchern in der Nähe von ~2,1 Sonnenmassen liegt.

Es ist unmöglich, ein einzelnes Schwarzes Loch direkt zu beobachten. Denn kein Teilchen kann seiner Oberfläche entkommen (sofern es sie gibt). Sogar ein Lichtteilchen ist ein Photon.

4. Neutronensterne und Schwarze Löcher in Doppelsternsystemen.
Einzelne Neutronensterne und Schwarze Löcher mit Sternmasse sind praktisch nicht beobachtbar. Aber in Fällen, in denen es sich um einen von zwei oder mehr Sternen in nahegelegenen Sternensystemen handelt, sind solche Beobachtungen möglich. Denn mit ihrer Schwerkraft können sie die äußeren Hüllen ihrer Nachbarn, die immer noch normale Sterne bleiben, „aussaugen“.

Mit diesem „Sog“ um einen Neutronenstern oder ein Schwarzes Loch, a Akkretionsscheibe, dessen Materie teilweise auf einen Neutronenstern oder ein Schwarzes Loch „gleitet“ und teilweise in zwei Teile von diesem weggeschleudert wird Jets. Dieser Vorgang kann aufgezeichnet werden. Ein Beispiel ist das Doppelsternsystem in SS433, dessen Bestandteil entweder ein Neutronenstern oder ein Schwarzes Loch ist. Und der zweite ist immer noch ein gewöhnlicher Star:

5. Braune Zwerge.
Sterne mit Massen deutlich kleiner als die Sonnenmasse und bis zu ~0,08 Sonnenmassen sind Rote Zwerge der Klasse M. Sie funktionieren länger als das Alter des Universums im Wasserstoff-Helium-Zyklus. Bei Objekten mit Massen unterhalb dieser Grenze ist eine stationäre, lang andauernde thermonukleare Fusion aus verschiedenen Gründen nicht möglich. Solche Sterne werden Braune Zwerge genannt. Ihre Oberflächentemperatur ist so niedrig, dass sie in der Optik nahezu unsichtbar sind. Sie leuchten aber im Infrarotbereich. Aus der Kombination dieser Gründe werden sie oft aufgerufen Untersterne.

Der Massenbereich Brauner Zwerge liegt zwischen 0,012 und 0,08 Sonnenmassen. Objekte mit einer Masse von weniger als 0,012 Sonnenmassen (~12 Jupitermassen) können nur Planeten sein. Gasriesen. Aufgrund der langsamen gravitativen Selbstkompression strahlen sie deutlich mehr Energie ab, als sie von ihren Muttersternen erhalten. Somit strahlt Jupiter, gemessen an der Summe aller Reichweiten, etwa doppelt so viel Energie aus, wie er von der Sonne erhält.

Theoretisch kann sich jeder kosmische Körper in ein Schwarzes Loch verwandeln. Beispielsweise müsste ein Planet wie die Erde auf einen Radius von einigen Millimetern schrumpfen, was in der Praxis natürlich unwahrscheinlich ist. In der neuen Ausgabe mit dem „Enlightener“-Award veröffentlicht T&P einen Auszug aus dem Buch des Physikers Emil Akhmedov „On the Birth and Death of Black Holes“, der erklärt, wie sich Himmelskörper in Schwarze Löcher verwandeln und ob man sie im Schwarzen Loch sehen kann sternenklarer Himmel.

Wie entstehen Schwarze Löcher?

*Wenn eine Kraft einen Himmelskörper auf den seiner Masse entsprechenden Schwarzschildradius komprimiert, dann krümmt er die Raumzeit so stark, dass nicht einmal Licht ihn verlassen kann. Das bedeutet, dass der Körper zu einem Schwarzen Loch wird.

Für einen Stern mit der Masse der Sonne beträgt der Schwarzschildradius beispielsweise etwa drei Kilometer. Vergleichen Sie diesen Wert mit der tatsächlichen Größe der Sonne – 700.000 Kilometer. Gleichzeitig beträgt der Schwarzschild-Radius für einen Planeten mit der Masse der Erde mehrere Millimeter.

[…]Nur die Gravitationskraft ist in der Lage, einen Himmelskörper auf so kleine Größen wie seinen Schwarzschildradius* zu komprimieren, da nur die Gravitationswechselwirkung ausschließlich zur Anziehung führt und mit zunehmender Masse tatsächlich unbegrenzt zunimmt. Die elektromagnetische Wechselwirkung zwischen Elementarteilchen ist um viele Größenordnungen stärker als die gravitative Wechselwirkung. Es stellt sich jedoch heraus, dass jede elektrische Ladung in der Regel durch eine Ladung mit entgegengesetztem Vorzeichen kompensiert wird. Nichts kann die Gravitationsladung – die Masse – abschirmen.

Ein Planet wie die Erde schrumpft unter seinem eigenen Gewicht nicht auf die entsprechenden Schwarzschild-Dimensionen, weil seine Masse nicht ausreicht, um die elektromagnetische Abstoßung der Kerne, Atome und Moleküle, aus denen er besteht, zu überwinden. Und ein Stern wie die Sonne, der ein viel massereicheres Objekt ist, zieht sich aufgrund des starken gasdynamischen Drucks aufgrund der hohen Temperatur in seinen Tiefen nicht zusammen.

Beachten Sie, dass bei sehr massereichen Sternen mit einer Masse von mehr als hundert Sonnen keine Kompression auftritt, hauptsächlich aufgrund des starken Lichtdrucks. Bei Sternen mit einer Masse von mehr als zweihundert Sonnen reichen weder die Gasdynamik noch der Lichtdruck aus, um die katastrophale Kompression (Kollaps) eines solchen Sterns zu einem Schwarzen Loch zu verhindern. Im Folgenden werden wir jedoch die Entwicklung leichterer Sterne diskutieren.

Das Licht und die Wärme von Sternen sind Produkte thermonuklearer Reaktionen. Diese Reaktion findet statt, weil im Inneren von Sternen genügend Wasserstoff vorhanden ist und die Materie unter dem Druck der gesamten Sternmasse stark komprimiert wird. Eine starke Kompression ermöglicht es, die elektromagnetische Abstoßung identischer Ladungen von Wasserstoffkernen zu überwinden, denn eine thermonukleare Reaktion ist die Verschmelzung von Wasserstoffkernen zu einem Heliumkern, begleitet von einer großen Energiefreisetzung.

Früher oder später wird die Menge an thermonuklearem Brennstoff (Wasserstoff) stark reduziert, der Lichtdruck wird schwächer und die Temperatur wird sinken. Wenn die Masse des Sterns klein genug ist, wie die der Sonne, durchläuft er die Phase des Roten Riesen und wird zu einem Weißen Zwerg.

Wenn seine Masse groß ist, beginnt der Stern unter seinem eigenen Gewicht zu schrumpfen. Es wird einen Kollaps geben, den wir als Supernova-Explosion betrachten können. Dies ist ein sehr komplexer Prozess, der aus vielen Phasen besteht und dessen Details den Wissenschaftlern noch nicht klar sind, aber vieles ist bereits klar. Es ist beispielsweise bekannt, dass das weitere Schicksal eines Sterns von seiner Masse im Moment vor dem Kollaps abhängt. Das Ergebnis einer solchen Kompression kann entweder ein Neutronenstern oder ein Schwarzes Loch oder eine Kombination mehrerer solcher Objekte und Weißer Zwerge sein.

„Schwarze Löcher sind das Ergebnis des Zusammenbruchs der schwersten Sterne“

Neutronensterne und Weiße Zwerge kollabieren nicht zu Schwarzen Löchern, weil sie nicht genug Masse haben, um den Druck des Neutronen- bzw. Elektronengases zu überwinden. Diese Drücke sind auf Quanteneffekte zurückzuführen, die nach sehr starker Kompression wirksam werden. Die Diskussion des Letzteren steht nicht in direktem Zusammenhang mit der Physik Schwarzer Löcher und würde den Rahmen dieses Buches sprengen.

Befindet sich jedoch beispielsweise ein Neutronenstern in einem Doppelsternsystem, kann er Materie von einem Begleitstern anziehen. In diesem Fall wächst seine Masse und wenn sie einen bestimmten kritischen Wert überschreitet, kommt es erneut zum Kollaps, diesmal unter Bildung eines Schwarzen Lochs. Die kritische Masse wird aus der Bedingung bestimmt, dass das Neutronengas nicht genügend Druck erzeugt, um eine weitere Kompression zu verhindern.

*Dies ist eine Schätzung. Der genaue Wert des Grenzwerts ist noch nicht bekannt. - Ca. Autor.

Schwarze Löcher sind also das Ergebnis des Zusammenbruchs der schwersten Sterne. Nach modernem Verständnis sollte die Masse des Sternkerns nach dem Ausbrennen des thermonuklearen Brennstoffs mindestens zweieinhalb Sonnenmassen betragen*. Kein uns bekannter Materiezustand ist in der Lage, einen solchen Druck zu erzeugen, der verhindern würde, dass eine so große Masse zu einem Schwarzen Loch komprimiert wird, wenn der gesamte thermonukleare Brennstoff verbrannt wäre. Wir werden die Fakten, die die erwähnte Beschränkung der Masse eines Sterns für die Bildung eines Schwarzen Lochs experimentell bestätigen, etwas später besprechen, wenn wir darüber sprechen, wie Astronomen Schwarze Löcher entdecken. […]

Reis. 7. Missverständnis des Zusammenbruchs aus der Sicht eines externen Beobachters als langsamer ewiger Fall statt als Bildung eines Schwarzen-Loch-Horizonts

Im Zusammenhang mit unserer Diskussion wird es aufschlussreich sein, anhand eines Beispiels an die Verknüpfung verschiedener Ideen und Konzepte in der Wissenschaft zu erinnern. Diese Geschichte kann dem Leser einen Eindruck von der potenziellen Tiefe des diskutierten Themas vermitteln.

Es ist bekannt, dass Galileo als Reaktion auf die Kritik am kopernikanischen System das sogenannte Newtonsche Gesetz der Trägheitsbezugssysteme entwickelte. Die Kritik lautete, dass sich die Erde nicht um die Sonne drehen könne, weil wir sonst nicht auf ihrer Oberfläche bleiben könnten.

Als Antwort argumentierte Galileo, dass sich die Erde durch Trägheit um die Sonne dreht. Aber wir können Trägheitsbewegung nicht von Ruhe unterscheiden, genauso wie wir die Trägheitsbewegung beispielsweise eines Schiffes nicht spüren. Gleichzeitig glaubte er nicht an die Gravitationskräfte zwischen Planeten und Sternen, da er nicht an Fernwirkungen glaubte und er nicht einmal etwas über die Existenz von Feldern wissen konnte. Und eine so abstrakte Erklärung hätte ich damals nicht akzeptiert.

Galileo glaubte, dass Trägheitsbewegungen nur entlang einer idealen Kurve erfolgen können, das heißt, die Erde kann sich nur in einem Kreis oder in einem Kreis bewegen, dessen Mittelpunkt sich wiederum kreisförmig um die Sonne dreht. Das heißt, es kann zu einer Überlappung verschiedener Trägheitsbewegungen kommen. Diese letzte Bewegungsart kann komplexer gestaltet werden, indem der Komposition noch mehr Kreise hinzugefügt werden. Eine solche Drehung wird als Bewegung entlang von Epizykeln bezeichnet. Es wurde erfunden, um das ptolemäische System mit den beobachteten Positionen der Planeten in Einklang zu bringen.

Übrigens beschrieb das kopernikanische System zum Zeitpunkt seiner Entstehung die beobachteten Phänomene viel schlechter als das ptolemäische System. Da auch Kopernikus nur an die Bewegung in perfekten Kreisen glaubte, stellte sich heraus, dass die Umlaufzentren einiger Planeten außerhalb der Sonne lagen. (Letzteres war einer der Gründe für die Verzögerung von Kopernikus bei der Veröffentlichung seiner Werke. Schließlich glaubte er aus ästhetischen Erwägungen an sein System, und das Vorhandensein seltsamer Verschiebungen von Umlaufzentren jenseits der Sonne passte nicht in diese Überlegungen.)

Es ist aufschlussreich, dass das System des Ptolemäus die beobachteten Daten im Prinzip mit jeder vorgegebenen Genauigkeit beschreiben konnte – es war lediglich erforderlich, die erforderliche Anzahl von Epizykeln hinzuzufügen. Trotz aller logischen Widersprüche in den ursprünglichen Ideen seiner Schöpfer konnte jedoch nur das kopernikanische System zu einer konzeptionellen Revolution in unserer Sicht auf die Natur führen – zum Gesetz der universellen Gravitation, das sowohl die Bewegung der Planeten als auch den Fall beschreibt ein Apfel auf Newtons Kopf und später zum Konzept des Feldes.

Daher verneinte Galileo die keplersche Bewegung von Planeten entlang von Ellipsen. Er und Kepler tauschten Briefe aus, die in einem ziemlich gereizten Ton verfasst waren*. Dies trotz ihrer vollen Unterstützung desselben Planetensystems.

Galileo glaubte also, dass sich die Erde durch Trägheit um die Sonne bewegt. Aus Sicht der Newtonschen Mechanik ist dies ein klarer Fehler, da auf der Erde die Gravitationskraft wirkt. Aus Sicht der Allgemeinen Relativitätstheorie muss Galilei jedoch Recht haben: Aufgrund dieser Theorie bewegen sich Körper in einem Gravitationsfeld durch Trägheit, zumindest wenn ihre eigene Schwerkraft vernachlässigt werden kann. Diese Bewegung erfolgt entlang der sogenannten geodätischen Kurve. Im flachen Raum ist dies einfach eine gerade Weltlinie, aber im Fall eines Planeten im Sonnensystem ist es eine geodätische Weltlinie, die einer elliptischen Flugbahn und nicht unbedingt einer kreisförmigen entspricht. Leider konnte Galileo dies nicht wissen.

Aus der Allgemeinen Relativitätstheorie ist jedoch bekannt, dass Bewegung entlang einer Geodäten nur dann erfolgt, wenn man die Krümmung des Raums durch den sich bewegenden Körper selbst (den Planeten) vernachlässigen und annehmen kann, dass er ausschließlich durch das Gravitationszentrum (die Sonne) gekrümmt wird. . Es stellt sich natürlich die Frage: Hatte Galileo Recht mit der Trägheitsbewegung der Erde um die Sonne? Und obwohl dies keine so wichtige Frage ist, da wir jetzt den Grund kennen, warum Menschen nicht von der Erde fliegen, könnte es etwas mit der geometrischen Beschreibung der Schwerkraft zu tun haben.

Wie kann man ein Schwarzes Loch „sehen“?

[…] Kommen wir nun zu einer Diskussion darüber, wie Schwarze Löcher am Sternenhimmel beobachtet werden. Wenn ein Schwarzes Loch die gesamte Materie, die es umgibt, verzehrt hat, kann es nur noch durch die Verzerrung der Lichtstrahlen entfernter Sterne gesehen werden. Das heißt, wenn es in der Nähe von uns ein Schwarzes Loch in so reiner Form gäbe, dann würden wir ungefähr das sehen, was auf dem Cover abgebildet ist. Aber selbst wenn man auf ein solches Phänomen gestoßen ist, kann man nicht sicher sein, dass es sich um ein Schwarzes Loch handelt und nicht nur um einen massiven, nicht leuchtenden Körper. Es erfordert einige Arbeit, das eine vom anderen zu unterscheiden.

In Wirklichkeit sind Schwarze Löcher jedoch von Wolken umgeben, die Elementarteilchen, Staub, Gase, Meteoriten, Planeten und sogar Sterne enthalten. Daher beobachten Astronomen etwas wie das in Abb. 9. Aber wie kommen sie zu dem Schluss, dass es sich um ein Schwarzes Loch und nicht um eine Art Stern handelt?

Reis. 9. Die Realität ist viel prosaischer und wir müssen Schwarze Löcher beobachten, die von verschiedenen Himmelskörpern, Gasen und Staubwolken umgeben sind

Wählen Sie zunächst einen Bereich einer bestimmten Größe am Sternenhimmel aus, normalerweise in einem Doppelsternsystem oder in einem aktiven galaktischen Kern. Die von ihm ausgehenden Strahlungsspektren bestimmen die Masse und das Verhalten der darin enthaltenen Substanz. Als nächstes wird aufgezeichnet, dass Strahlung von dem betreffenden Objekt ausgeht, etwa von Partikeln, die in ein Gravitationsfeld fallen, und nicht nur von thermonuklearen Reaktionen, die im Inneren von Sternen ablaufen. Die Strahlung, die insbesondere das Ergebnis der gegenseitigen Reibung der auf einen Himmelskörper fallenden Materie ist, enthält viel energiereichere Gammastrahlung als das Ergebnis einer thermonuklearen Reaktion.

„Schwarze Löcher sind von Wolken umgeben, die Elementarteilchen, Staub, Gase, Meteoriten, Planeten und sogar Sterne enthalten.“

Wenn die beobachtete Region klein genug ist, kein Pulsar ist und eine große Masse darin konzentriert ist, kann daraus geschlossen werden, dass es sich um ein Schwarzes Loch handelt. Erstens wird theoretisch vorhergesagt, dass es nach dem Ausbrennen des Fusionsbrennstoffs keinen Aggregatzustand gibt, der einen Druck erzeugen könnte, der den Kollaps so großer Masse in einem so kleinen Bereich verhindern könnte.

Zweitens dürfte es sich, wie gerade betont, bei den Objekten nicht um Pulsare handeln. Ein Pulsar ist ein Neutronenstern, der im Gegensatz zu einem Schwarzen Loch eine Oberfläche hat und sich wie ein großer Magnet verhält, was zu den subtileren Eigenschaften des elektromagnetischen Feldes gehört als die Ladung. Neutronensterne sind das Ergebnis einer sehr starken Kompression der ursprünglich rotierenden Sterne und rotieren noch schneller, da der Drehimpuls erhalten bleiben muss. Dies führt dazu, dass solche Sterne Magnetfelder erzeugen, die sich im Laufe der Zeit ändern. Letztere sind maßgeblich an der Entstehung der charakteristischen pulsierenden Strahlung beteiligt.

Alles gefunden auf dieser Moment Pulsare haben eine Masse von weniger als zweieinhalb Sonnenmassen. Quellen charakteristischer energiereicher Gammastrahlung, deren Masse diesen Grenzwert überschreitet, sind keine Pulsare. Wie man sieht, deckt sich diese Massengrenze mit theoretischen Vorhersagen, die auf den uns bekannten Materiezuständen basieren.

All dies ist zwar keine direkte Beobachtung, aber ein ziemlich überzeugendes Argument dafür, dass Astronomen Schwarze Löcher sehen und nicht etwas anderes. Allerdings ist es eine große Frage, was als direkte Beobachtung angesehen werden kann und was nicht. Schließlich sehen Sie als Leser nicht das Buch selbst, sondern nur das von ihm gestreute Licht. Und erst die Kombination aus taktilen und visuellen Empfindungen überzeugt Sie von der Realität seiner Existenz. Auf die gleiche Weise ziehen Wissenschaftler auf der Grundlage der Gesamtheit der von ihnen beobachteten Daten eine Schlussfolgerung über die Realität der Existenz dieses oder jenes Objekts.

Weiße Zwerge, Neutronensterne und Schwarze Löcher sind verschiedene Formen der Endphase der Sternentwicklung. Junge Sterne beziehen ihre Energie aus thermonuklearen Reaktionen, die im Inneren des Sterns ablaufen; Bei diesen Reaktionen wird Wasserstoff in Helium umgewandelt. Nachdem ein bestimmter Anteil an Wasserstoff verbraucht ist, beginnt der resultierende Heliumkern zu schrumpfen. Die weitere Entwicklung eines Sterns hängt von seiner Masse ab, genauer gesagt davon, wie sie sich auf einen bestimmten kritischen Wert bezieht, der als Chandrasekhar-Grenze bezeichnet wird. Wenn die Masse des Sterns unter diesem Wert liegt, stoppt der Druck des entarteten Elektronengases die Kompression (Kollaps) des Heliumkerns, bevor seine Temperatur einen so hohen Wert erreicht, wenn thermonukleare Reaktionen beginnen, bei denen Helium in Kohlenstoff umgewandelt wird . Unterdessen werden die äußeren Schichten des sich entwickelnden Sterns relativ schnell abgeworfen. (Es wird angenommen, dass auf diese Weise planetarische Nebel entstehen.) Ein Weißer Zwerg ist ein Heliumkern, der von einer mehr oder weniger ausgedehnten Wasserstoffhülle umgeben ist.

Bei massereicheren Sternen zieht sich der Heliumkern weiter zusammen, bis das Helium „ausbrennt“. Die bei der Umwandlung von Helium in Kohlenstoff freigesetzte Energie verhindert, dass der Kern weiter kollabiert – allerdings nicht für lange. Nachdem das Helium vollständig verbraucht ist, setzt sich die Kompression des Kerns fort. Die Temperatur steigt wieder an, weitere Kernreaktionen beginnen, die so lange ablaufen, bis die in den Atomkernen gespeicherte Energie erschöpft ist. Zu diesem Zeitpunkt besteht der Kern des Sterns bereits aus reinem Eisen, das die Rolle der nuklearen „Asche“ spielt. Jetzt kann nichts mehr den weiteren Kollaps des Sterns verhindern – er geht weiter, bis die Dichte seiner Materie die Dichte von Atomkernen erreicht. Die starke Kompression der Materie in den zentralen Regionen des Sterns erzeugt eine Explosion von enormer Kraft, wodurch die äußeren Schichten des Sterns mit enormer Geschwindigkeit auseinanderfliegen. Es sind diese Explosionen, die Astronomen mit dem Phänomen der Supernovae assoziieren.

Das Schicksal eines kollabierenden Sternrestes hängt von seiner Masse ab. Wenn die Masse weniger als etwa 2,5 M 0 (die Masse der Sonne) beträgt, ist der Druck aufgrund der „Null“-Bewegung von Neutronen und Protonen groß genug, um eine weitere gravitative Kompression des Sterns zu verhindern. Objekte, deren Materiedichte gleich der Dichte von Atomkernen ist (oder diese sogar übersteigt), werden Neutronensterne genannt. Ihre Eigenschaften wurden erstmals in den 30er Jahren von R. Oppenheimer und G. Volkov untersucht.

Nach Newtons Theorie verringert sich der Radius eines kollabierenden Sterns in endlicher Zeit auf Null, während das Gravitationspotential auf unbestimmte Zeit zunimmt. Einsteins Theorie zeichnet ein anderes Szenario. Die Geschwindigkeit des Photons nimmt ab, wenn es sich dem Zentrum des Schwarzen Lochs nähert, und wird gleich Null. Das bedeutet, dass ein Photon, das in ein Schwarzes Loch fällt, aus der Sicht eines externen Beobachters niemals dessen Zentrum erreichen wird. Da sich Materieteilchen nicht schneller als ein Photon bewegen können, wird der Radius eines Schwarzen Lochs in unendlicher Zeit seinen Grenzwert erreichen. Darüber hinaus erfahren die von der Oberfläche des Schwarzen Lochs emittierten Photonen während des Kollaps eine zunehmende Rotverschiebung. Aus der Sicht eines externen Beobachters zieht sich das Objekt, aus dem das Schwarze Loch entsteht, zunächst immer schneller zusammen; dann beginnt sein Radius immer langsamer abzunehmen.

Ohne interne Energiequellen kühlen Neutronensterne und Schwarze Löcher schnell ab. Und da ihre Oberfläche sehr klein ist – nur wenige Dutzend Quadratkilometer – muss man damit rechnen, dass die Helligkeit dieser Objekte äußerst gering ist. Tatsächlich wurde bisher keine Wärmestrahlung von der Oberfläche von Neutronensternen oder Schwarzen Löchern beobachtet. Einige Neutronensterne sind jedoch starke Quellen nichtthermischer Strahlung. Die Rede ist von den sogenannten Pulsaren, die 1967 von Jocelyn Bell, einer Doktorandin an der Universität Cambridge, entdeckt wurden. Bell untersuchte Radiosignale, die mit Geräten aufgezeichnet wurden, die Anthony Hewish entwickelt hatte, um die Strahlung oszillierender Radioquellen zu untersuchen. Unter den vielen Aufnahmen chaotisch flackernder Quellen fiel ihr eine auf, bei der sich die Ausbrüche mit deutlicher Periodizität wiederholten, obwohl sie in ihrer Intensität variierten. Detailliertere Beobachtungen bestätigten die exakt periodische Natur der Impulse, und bei der Untersuchung anderer Aufzeichnungen wurden zwei weitere Quellen mit denselben Eigenschaften entdeckt. Beobachtungen und theoretische Analysen deuten darauf hin, dass Pulsare schnell rotierende Neutronensterne mit ungewöhnlich starken Magnetfeldern sind. Die pulsierende Natur der Strahlung wird durch einen Strahlenstrahl verursacht, der von „Hot Spots“ auf (oder in der Nähe) der Oberfläche eines rotierenden Neutronensterns austritt. Der detaillierte Mechanismus dieser Strahlung bleibt für Wissenschaftler immer noch ein Rätsel.

Als Teil enger Doppelsternsysteme wurden mehrere Neutronensterne entdeckt. Es sind diese (und keine anderen) Neutronensterne, die starke Quellen für Röntgenstrahlung sind. Stellen wir uns einen nahen Doppelstern vor, dessen eine Komponente ein Riese oder Überriese und die andere ein kompakter Stern ist. Unter dem Einfluss des Gravitationsfeldes eines kompakten Sterns kann Gas aus der verdünnten Atmosphäre des Riesen strömen: Solche Gasströme in engen Doppelsternsystemen, die seit langem durch Methoden der Spektralanalyse entdeckt wurden, haben eine entsprechende theoretische Interpretation erhalten. Wenn der kompakte Stern in einem Doppelsternsystem ein Neutronenstern oder ein Schwarzes Loch ist, können Gasmoleküle, die aus einer anderen Komponente des Systems austreten, auf sehr hohe Energien beschleunigt werden. Durch Kollisionen zwischen Molekülen wird die kinetische Energie von Gas, das auf einen kompakten Stern fällt, schließlich in Wärme und Strahlung umgewandelt. Wie Schätzungen zeigen, erklärt die dabei freigesetzte Energie vollständig die beobachtete Intensität der Röntgenemission von binären Systemen dieses Typs.

In Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie nehmen Schwarze Löcher denselben Platz ein wie ultrarelativistische Teilchen in seiner speziellen Relativitätstheorie. Aber wenn die Welt der ultrarelativistischen Teilchen – die Hochenergiephysik – voller erstaunlicher Phänomene ist, die in der Experimentalphysik und der beobachtenden Astronomie eine wichtige Rolle spielen, dann sorgen die mit Schwarzen Löchern verbundenen Phänomene immer noch nur für Überraschung. Die Physik Schwarzer Löcher wird irgendwann zu Ergebnissen führen, die für die Kosmologie wichtig sind, doch derzeit ist dieser Wissenschaftszweig größtenteils ein Spielplatz für Theoretiker. Folgt daraus nicht, dass Einsteins Gravitationstheorie uns weniger Informationen über das Universum liefert als Newtons Theorie, obwohl sie dieser theoretisch deutlich überlegen ist? Gar nicht! Im Gegensatz zu Newtons Theorie bildet Einsteins Theorie die Grundlage für ein in sich konsistentes Modell des realen Universums als Ganzes. Diese Theorie enthält viele erstaunliche und überprüfbare Vorhersagen und stellt schließlich einen kausalen Zusammenhang zwischen frei fallenden, nicht rotierenden Referenzen her Rahmen und die Verteilung, sowie die Bewegung der Masse im Kosmosraum.

Berechnungen zeigen, dass bei einer Supernova-Explosion mit M ~ 25 M ein dichter Neutronenkern (Neutronenstern) mit einer Masse von ~ 1,6 M zurückbleibt. Bei Sternen mit einer Restmasse M > 1,4 M, die das Supernova-Stadium noch nicht erreicht haben, kann der Druck des entarteten Elektronengases auch die Gravitationskräfte nicht ausgleichen und der Stern wird auf einen Zustand nuklearer Dichte komprimiert. Der Mechanismus dieses Gravitationskollapses ist der gleiche wie bei einer Supernova-Explosion. Der Druck und die Temperatur im Inneren des Sterns erreichen solche Werte, bei denen Elektronen und Protonen scheinbar ineinander und infolge der Reaktion „gepresst“ werden

Nach der Emission von Neutrinos entstehen Neutronen, die ein viel kleineres Phasenvolumen einnehmen als Elektronen. Es entsteht ein sogenannter Neutronenstern, dessen Dichte 10 14 - 10 15 g/cm 3 erreicht. Die charakteristische Größe eines Neutronensterns beträgt 10 – 15 km. In gewissem Sinne ist ein Neutronenstern ein riesiger Atomkern. Eine weitere Gravitationskompression wird durch den Druck der Kernmaterie verhindert, der durch die Wechselwirkung von Neutronen entsteht. Dies ist auch der Entartungsdruck, wie zuvor im Fall eines Weißen Zwergs, aber es ist der Entartungsdruck eines viel dichteren Neutronengases. Dieser Druck kann Massen bis zu 3,2 M halten.
Im Moment des Kollaps erzeugte Neutrinos kühlen den Neutronenstern ziemlich schnell ab. Theoretischen Schätzungen zufolge sinkt seine Temperatur in einer Zeit von ~ 100 s von 10 11 auf 10 9 K. Darüber hinaus nimmt die Abkühlgeschwindigkeit leicht ab. Allerdings ist sie im astronomischen Maßstab recht hoch. In 100 Jahren kommt es zu einem Temperaturabfall von 10 9 auf 10 8 K und in einer Million Jahren auf 10 6 K. Der Nachweis von Neutronensternen mit optischen Methoden ist aufgrund ihrer geringen Größe und niedrigen Temperatur recht schwierig.
1967 entdeckten Hewish und Bell an der Universität Cambridge kosmische Quellen periodischer elektromagnetischer Strahlung – Pulsare. Die Pulswiederholungsperioden der meisten Pulsare liegen im Bereich von 3,3·10 -2 bis 4,3 s. Nach modernen Vorstellungen sind Pulsare rotierende Neutronensterne mit einer Masse von 1 – 3 M und einem Durchmesser von 10 – 20 km. Nur kompakte Objekte mit den Eigenschaften von Neutronensternen können bei solchen Rotationsgeschwindigkeiten ihre Form beibehalten, ohne zu kollabieren. Die Erhaltung des Drehimpulses und des Magnetfeldes während der Entstehung eines Neutronensterns führt zur Entstehung schnell rotierender Pulsare mit einem starken Magnetfeld B ~ 10 12 G.
Es wird angenommen, dass ein Neutronenstern ein Magnetfeld besitzt, dessen Achse nicht mit der Rotationsachse des Sterns übereinstimmt. In diesem Fall gleitet die Strahlung des Sterns (Radiowellen und sichtbares Licht) wie die Strahlen eines Leuchtturms über die Erde. Wenn der Strahl die Erde kreuzt, wird ein Impuls aufgezeichnet. Die Strahlung eines Neutronensterns selbst entsteht dadurch, dass sich geladene Teilchen von der Oberfläche des Sterns entlang magnetischer Feldlinien nach außen bewegen und dabei elektromagnetische Wellen aussenden. Dieser erstmals von Gold vorgeschlagene Mechanismus der Pulsar-Radioemission ist in Abb. dargestellt. 39.

Trifft ein Strahlungsstrahl auf einen Beobachter auf der Erde, erkennt das Radioteleskop kurze Radioemissionsimpulse mit einer Periode, die der Rotationsperiode des Neutronensterns entspricht. Die Form des Pulses kann sehr komplex sein, was durch die Geometrie der Magnetosphäre des Neutronensterns bestimmt wird und für jeden Pulsar charakteristisch ist. Die Rotationsperioden von Pulsaren sind streng konstant und die Genauigkeit der Messung dieser Perioden erreicht 14-stellige Werte.
Derzeit wurden Pulsare entdeckt, die Teil binärer Systeme sind. Wenn der Pulsar die zweite Komponente umkreist, sollten aufgrund des Doppler-Effekts Schwankungen in der Pulsarperiode beobachtet werden. Wenn sich der Pulsar dem Beobachter nähert, verringert sich die aufgezeichnete Periode der Radioimpulse aufgrund des Doppler-Effekts, und wenn sich der Pulsar von uns entfernt, erhöht sich seine Periode. Basierend auf diesem Phänomen wurden Pulsare entdeckt, die Teil von Doppelsternen sind. Für den ersten entdeckten Pulsar PSR 1913 + 16, der Teil eines Doppelsternsystems ist, betrug die Umlaufzeit 7 Stunden 45 Minuten. Die natürliche Umlaufzeit des Pulsars PSR 1913 + 16 beträgt 59 ms.
Die Strahlung des Pulsars soll zu einer Verringerung der Rotationsgeschwindigkeit des Neutronensterns führen. Dieser Effekt wurde auch festgestellt. Auch ein Neutronenstern, der Teil eines Doppelsternsystems ist, kann eine Quelle intensiver Röntgenstrahlung sein.
Die Struktur eines Neutronensterns mit einer Masse von 1,4 M und einem Radius von 16 km ist in Abb. dargestellt. 40.

I ist eine dünne äußere Schicht aus dicht gepackten Atomen. In den Regionen II und III sind die Kerne in Form eines kubisch raumzentrierten Gitters angeordnet. Region IV besteht hauptsächlich aus Neutronen. In der Region V kann Materie aus Pionen und Hyperonen bestehen und den hadronischen Kern eines Neutronensterns bilden. Bestimmte Details des Aufbaus eines Neutronensterns werden derzeit geklärt.
Die Entstehung von Neutronensternen ist nicht immer eine Folge einer Supernova-Explosion. Ein weiterer möglicher Mechanismus für die Entstehung von Neutronensternen während der Entwicklung von Weißen Zwergen in nahen Doppelsternsystemen. Der Materiefluss vom Begleitstern zum Weißen Zwerg erhöht allmählich die Masse des Weißen Zwergs und bei Erreichen einer kritischen Masse (Chandrasekhar-Grenze) verwandelt sich der Weiße Zwerg in einen Neutronenstern. Wenn der Materiefluss nach der Entstehung eines Neutronensterns weitergeht, kann seine Masse erheblich zunehmen und er kann sich infolge eines Gravitationskollapses in ein Schwarzes Loch verwandeln. Dies entspricht dem sogenannten „stillen“ Zusammenbruch.
Auch kompakte Doppelsterne können als Quellen für Röntgenstrahlung auftreten. Es entsteht auch durch die Ansammlung von Materie, die von einem „normalen“ Stern zu einem kompakteren Stern fällt. Wenn Materie auf einem Neutronenstern mit B > 10 10 G anlagert, fällt die Materie in den Bereich der Magnetpole. Röntgenstrahlung wird durch ihre Rotation um ihre Achse moduliert. Solche Quellen werden Röntgenpulsare genannt.
Es gibt Röntgenquellen (Burster genannt), bei denen periodisch im Abstand von mehreren Stunden bis zu einem Tag Strahlungsausbrüche auftreten. Die charakteristische Anstiegszeit des Bursts beträgt 1 Sekunde. Die Burst-Dauer beträgt 3 bis 10 Sekunden. Die Intensität im Moment des Ausbruchs kann 2 – 3 Größenordnungen höher sein als die Leuchtkraft im Ruhezustand. Derzeit sind mehrere hundert solcher Quellen bekannt. Es wird angenommen, dass die Strahlungsausbrüche durch thermonukleare Explosionen von Materie entstehen, die sich infolge der Akkretion auf der Oberfläche eines Neutronensterns angesammelt hat.
Es ist bekannt, dass bei kleinen Abständen zwischen Nukleonen (< 0.3·10 -13 см) ядерные силы притяжения сменяются силами оттал-кивания, т. е. противодействие ядерного вещества на малых расстояниях сжимающей силе тяготения увеличивается. Если плотность вещества в центре нейтронной звезды превышает ядерную плотность ρ яд и достигает 10 15 г/см 3 , то в центре звезды наряду с нуклонами и электронами образуются также мезоны, гипероны и другие более массивные частицы. Исследования поведения вещества при плотностях, превышающих ядерную плотность, в настоящее время находятся в начальной стадии и имеется много нерешенных проблем. Расчеты показывают, что при плотностях вещества ρ >ρ vergiften Prozesse wie das Auftreten eines Pionenkondensats, den Übergang einer neutronisierten Substanz in einen festen kristallinen Zustand und die Bildung von Hyperon- und Quark-Gluon-Plasma sind möglich. Die Bildung supraflüssiger und supraleitender Zustände von Neutronenmaterie ist möglich.
In Übereinstimmung mit modernen Vorstellungen über das Verhalten von Materie bei Dichten, die 10 2 bis 10 3 Mal höher als die Kerndichte sind (solche Dichten werden nämlich diskutiert, wenn die innere Struktur eines Neutronensterns diskutiert wird), werden Atomkerne im Inneren des Sterns in der Nähe der Stabilität gebildet Grenze. Ein tieferes Verständnis kann erreicht werden, indem der Zustand der Materie in Abhängigkeit von Dichte, Temperatur und Stabilität der Kernmaterie bei exotischen Verhältnissen der Anzahl der Protonen zur Anzahl der Neutronen im Kern untersucht wird n p / n n , unter Berücksichtigung schwacher Prozesse, an denen Neutrinos beteiligt sind . Derzeit besteht praktisch die einzige Möglichkeit, Materie mit höheren Dichten als der Kerndichte zu untersuchen, in Kernreaktionen zwischen Schwerionen. Allerdings liefern experimentelle Daten zu Kollisionen schwerer Ionen immer noch unzureichende Informationen, da die erreichbaren Werte von n p / n n sowohl für den Zielkern als auch für den einfallenden beschleunigten Kern gering sind (~ 1 – 0,7).
Genaue Messungen der Perioden von Radiopulsaren haben gezeigt, dass sich die Rotationsgeschwindigkeit des Neutronensterns allmählich verlangsamt. Dies ist auf den Übergang der kinetischen Energie der Sternrotation in die Strahlungsenergie des Pulsars und die Emission von Neutrinos zurückzuführen. Kleine abrupte Änderungen in den Perioden von Radiopulsaren werden durch die Anhäufung von Spannungen in der Oberflächenschicht des Neutronensterns erklärt, begleitet von „Rissen“ und „Brüchen“, was zu einer Änderung der Rotationsgeschwindigkeit des Sterns führt. Die beobachteten Zeiteigenschaften von Radiopulsaren enthalten Informationen über die Eigenschaften der „Kruste“ des Neutronensterns, die physikalischen Bedingungen in seinem Inneren und die Supraflüssigkeit der Neutronenmaterie. Kürzlich wurde eine beträchtliche Anzahl von Radiopulsaren mit Perioden von weniger als 10 ms entdeckt. Dies erfordert eine Klärung der Vorstellungen über die in Neutronensternen ablaufenden Prozesse.
Ein weiteres Problem ist die Untersuchung von Neutrinoprozessen in Neutronensternen. Die Neutrino-Emission ist einer der Mechanismen, durch die ein Neutronenstern innerhalb von 10 5 bis 10 6 Jahren nach seiner Entstehung Energie verliert.

„Die Überreste des explodierten Kerns werden als Neutronenstern bezeichnet. Neutronensterne drehen sich sehr schnell und senden Licht- und Radiowellen aus, die beim Vorbeiflug an der Erde wie das Licht eines kosmischen Leuchtfeuers erscheinen.

Schwankungen in der Helligkeit dieser Wellen führten dazu, dass Astronomen solche Sterne Pulsare nannten. Die schnellsten Pulsare rotieren mit einer Geschwindigkeit von fast 1000 Umdrehungen pro Sekunde.“ (1)

„Bis heute wurden mehr als zweihundert eröffnet. Durch die Aufzeichnung der Strahlung von Pulsaren bei unterschiedlichen, aber ähnlichen Frequenzen konnte aus der Verzögerung des Signals bei längerer Wellenlänge (unter der Annahme einer bestimmten Plasmadichte im interstellaren Medium) der Abstand zu ihnen bestimmt werden. Es stellte sich heraus, dass sich alle Pulsare in einer Entfernung von 100 bis 25.000 Lichtjahren befinden, also zu unserer Galaxie gehören und sich in der Nähe der Ebene der Milchstraße gruppieren (Abb. 7).“ (2)

Schwarze Löcher

„Wenn ein Stern die doppelte Masse der Sonne hat, kann der Stern gegen Ende seines Lebens als Supernova explodieren, aber wenn die Masse der nach der Explosion verbleibenden Materie immer noch das Doppelte der Sonne übersteigt, dann sollte der Stern zusammenbrechen ein dichter winziger Körper, da die Gravitationskräfte jeglichen Druckwiderstand vollständig unterdrücken. Wissenschaftler glauben, dass in diesem Moment ein katastrophaler Gravitationskollaps zur Entstehung eines Schwarzen Lochs führt. Sie glauben, dass der Stern mit dem Ende der thermonuklearen Reaktionen nicht mehr in einem stabilen Zustand sein kann. Dann bleibt für einen massereichen Stern ein unvermeidlicher Weg: der Weg der allgemeinen und vollständigen Kompression (Kollaps), der ihn in ein unsichtbares Schwarzes Loch verwandelt.

Im Jahr 1939 waren R. Oppenheimer und sein Doktorand Snyder an der University of California (Berkeley) damit beschäftigt, das endgültige Schicksal einer großen Masse kalter Materie aufzuklären. Eine der beeindruckendsten Konsequenzen aus Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie war folgende: Wenn eine große Masse zu kollabieren beginnt, kann dieser Prozess nicht aufgehalten werden und die Masse kollabiert zu einem Schwarzen Loch. Wenn zum Beispiel ein nicht rotierender symmetrischer Stern beginnt, auf eine kritische Größe zu schrumpfen, die als Gravitationsradius oder Schwarzschild-Radius bekannt ist (benannt nach Karl Schwarzschild, der als Erster auf seine Existenz hingewiesen hat). Erreicht ein Stern diesen Radius, kann ihn nichts daran hindern, seinen Kollaps zu vollenden, sich also buchstäblich in sich selbst zu verschließen.

Welche physikalischen Eigenschaften haben „Schwarze Löcher“ und wie wollen Wissenschaftler diese Objekte entdecken? Viele Wissenschaftler haben über diese Fragen nachgedacht; Es sind einige Antworten eingegangen, die bei der Suche nach solchen Objekten hilfreich sein können.

Der Name selbst – Schwarze Löcher – deutet darauf hin, dass es sich um eine Klasse von Objekten handelt, die man nicht sehen kann. Ihr Gravitationsfeld ist so stark, dass es, wenn es irgendwie möglich wäre, sich einem Schwarzen Loch zu nähern und den Strahl des stärksten Suchscheinwerfers von seiner Oberfläche wegzurichten, selbst aus einer Entfernung von nicht mehr als dieser Entfernung unmöglich wäre, diesen Suchscheinwerfer zu sehen von der Erde zur Sonne. Selbst wenn wir das gesamte Licht der Sonne in diesem starken Scheinwerfer konzentrieren könnten, würden wir es nicht sehen, da das Licht nicht in der Lage wäre, den Einfluss des Gravitationsfelds des Schwarzen Lochs auf es zu überwinden und seine Oberfläche zu verlassen. Deshalb wird eine solche Oberfläche als absoluter Ereignishorizont bezeichnet. Es stellt die Grenze eines Schwarzen Lochs dar.

Wissenschaftler stellen fest, dass diese ungewöhnlichen Objekte nicht leicht zu verstehen sind, solange sie im Rahmen des Newtonschen Schwerkraftgesetzes bleiben. Nahe der Oberfläche eines Schwarzen Lochs ist die Schwerkraft so stark, dass die üblichen Newtonschen Gesetze hier keine Anwendung mehr finden. Sie sollten durch die Gesetze der Allgemeinen Relativitätstheorie Einsteins ersetzt werden. Einer der drei Konsequenzen aus Einsteins Theorie zufolge sollte Licht, wenn es einen massereichen Körper verlässt, eine Rotverschiebung erfahren, da es Energie verliert, um das Gravitationsfeld des Sterns zu überwinden. Strahlung, die von einem dichten Stern wie dem Weißen Zwerg-Satelliten Sirius A kommt, ist nur leicht rotverschoben. Je dichter der Stern ist, desto größer ist diese Verschiebung, sodass keine Strahlung im sichtbaren Bereich des Spektrums von einem superdichten Stern kommt. Wenn aber die Gravitationswirkung eines Sterns durch seine Kompression zunimmt, dann sind die Gravitationskräfte so stark, dass Licht den Stern gar nicht verlassen kann. Somit ist für jeden Beobachter die Möglichkeit, das Schwarze Loch zu sehen, völlig ausgeschlossen! Aber dann stellt sich natürlich die Frage: Wenn es nicht sichtbar ist, wie können wir es dann erkennen? Um diese Frage zu beantworten, greifen Wissenschaftler auf clevere Tricks zurück. Ruffini und Wheeler untersuchten dieses Problem gründlich und schlugen mehrere Möglichkeiten vor, ein Schwarzes Loch zwar nicht zu sehen, aber zumindest zu entdecken. Wenn ein Schwarzes Loch durch den Prozess des Gravitationskollapses entsteht, sollte es zunächst Gravitationswellen aussenden, die den Weltraum mit Lichtgeschwindigkeit durchqueren und die Geometrie des Weltraums in der Nähe der Erde kurzzeitig verzerren könnten. Diese Verzerrung würde sich in Form von Gravitationswellen äußern, die gleichzeitig auf identische Instrumente einwirken würden, die in beträchtlichem Abstand voneinander auf der Erdoberfläche installiert sind. Gravitationsstrahlung könnte von Sternen stammen, die einen Gravitationskollaps erleiden. Wenn sich der Stern während des normalen Lebens drehte, schrumpfte er und wurde immer kleiner, er drehte sich immer schneller und behielt dabei seinen Drehimpuls bei. Schließlich kann es ein Stadium erreichen, in dem sich die Bewegungsgeschwindigkeit an seinem Äquator der Lichtgeschwindigkeit, also der maximal möglichen Geschwindigkeit, nähert. In diesem Fall wäre der Stern stark deformiert und könnte einen Teil der Materie herausschleudern. Bei einer solchen Verformung könnte Energie in Form von Gravitationswellen mit einer Frequenz von etwa tausend Schwingungen pro Sekunde (1000 Hz) aus dem Stern entweichen.

Roger Penrose, Professor für Mathematik am Birkbeck College der University of London, untersuchte einen seltsamen Fall des Zusammenbruchs und der Entstehung von Schwarzen Löchern. Er gibt zu, dass das Schwarze Loch verschwindet und dann zu einem anderen Zeitpunkt in einem anderen Universum auftaucht. Darüber hinaus argumentiert er, dass die Entstehung eines Schwarzen Lochs während des Gravitationskollapses ein wichtiger Hinweis darauf sei, dass mit der Geometrie der Raumzeit etwas Ungewöhnliches geschieht. Penroses Forschung zeigt, dass der Zusammenbruch mit der Bildung einer Singularität (vom lateinischen Singularius – getrennt, einzeln) endet, das heißt, er sollte sich bis zur Nulldimension und unendlichen Dichte des Objekts fortsetzen. Die letzte Bedingung ermöglicht es einem anderen Universum, sich unserer Singularität zu nähern, und es ist möglich, dass die Singularität in dieses neue Universum übergeht. Es könnte sogar an einem anderen Ort in unserem eigenen Universum erscheinen.

Einige Wissenschaftler betrachten die Entstehung eines Schwarzen Lochs als ein kleines Modell dessen, was die Allgemeine Relativitätstheorie vorhersagt, was letztendlich mit dem Universum geschehen könnte. Es ist allgemein anerkannt, dass dies in einem sich ständig erweiternden Universum möglich ist, und eine der wichtigsten und dringendsten Fragen der Wissenschaft betrifft die Natur des Universums, seine Vergangenheit und Zukunft. Ohne Zweifel deuten alle modernen Beobachtungsergebnisse auf die Expansion des Universums hin. Eine der heikelsten Fragen lautet heute jedoch: Verlangsamt sich die Geschwindigkeit dieser Expansion, und wenn ja, wird sich das Universum in Dutzenden von Milliarden Jahren zusammenziehen und eine Singularität bilden? Anscheinend werden wir eines Tages herausfinden können, welchen Weg das Universum einschlägt, aber vielleicht können wir schon viel früher Vorhersagen treffen, indem wir die Informationen untersuchen, die bei der Geburt von Schwarzen Löchern nach außen dringen, und die physikalischen Gesetze, die ihr Schicksal bestimmen ihr endgültiges Schicksal Universum (Abb. 8)“. (1)