Schwarze Löcher

ZUSAMMENFASSUNG

Ein Prozess, der erklären versucht, wie Schwarze Löcher entstehen könten, wird vorgestellt.  Nach der üblichen Bescheibung ist ein Schwarzes Loch das Endergebnis eines Neutronensterns, der aufgrund seiner eigenen Schwerkraft unbegrenzt kollapsiert, bis er zu einem Punkt wird, der die ursprüngliche Masse des Neutronensterns bewahrt. Abgesehen von diesem Objekt, das man als "punktuelles Schwarzes Loch“ bezeichnen könnte, werden zwei weitere Möglichkeiten für die Entstehung von Schwarzen Löchern in Betracht gezogen, die wir "materielles Schwarzes Loch“ und "energetisches Schwarzes Loch“ nennen. 

Ein "materielles Schwarzes Loch" wäre das Ergebnis einer Kompression eines Neutronensterns über die bekannte Grenze hinaus, bis er zu einem stabilen Körper unbekannter Natur und mit sehr hoher Dichte wird, aus dem kein Licht entweichen kann. 

Ein "energetisches Schwarzes Loch" wäre das Ergebnis der Umwandlung der gesamten Materie eines Neutronensterns in Strahlungsenergie gemäß Einsteins wohlbekanntem Gesetz unter bestimmten Voraussetzungen und zwar so, dass die gesamte Energiemenge aufgrund der eigenen Schwerkraft in einem kugelförmigen Bereich endlicher Dimensionen beschränkt und dort gespeichert ist. Der letzte Grund für die Umwandlung sind die enormen Drücke, die im Inneren dieses Sterns herrschen. Wir könnten sagen, dass  ein "energetisches Schwarzes Loch" ist eine Energieblase, die in ihrer eigenen Schwerkraft gefangen ist. Dies ist die Grundidee dieses kleinen Artikels.

DAS PUNKTUELLE SCHWARZE LOCH

Die von Kosmologen üblicherweise beschriebene Bildung von Schwarzen Löchern wird als Zusammenbruch eines sehr massereichen Neutronensterns erklärt, der seine Kontraktion aufgrund des auf seine Neutronen angewendeten Pauli-Ausschlussprinzips nicht stoppen kann und daher die Schwerkraft den Stern weiterhin komprimiert. Da es kein bekanntes physikalisches Phänomen gibt, das diese Situation stoppen könnte, wird angenommen, dass der Stern weiter kollapsiert, bis er zu einer „Singularität“ mit null Dimensionen wird, die jedoch ihre gesamte Masse behält. Über die Singularität ist nichts bekannt und das Schwarze Loch selbst wird als eine imaginäre Kugel definiert, die auf der Singularität zentriert ist und auf deren Oberfläche die Fluchtgeschwindigkeit gleich der des Lichts ist. Der Radius dieser Kugel wird „Schwarzschild-Radius“ genannt und ist proportional zu der Masse des Neutronensterns, von dem sie stammt. Diese Kugel wäre mit ihrer Masse und Größe im Grunde das Schwarze Loch. Diese Erklärung, die auf einer Interpretation einer Lösung von Einsteins Gleichungen basiert, erscheint unzureichend oder zumindest unvollständig, da der Begriff der "Singularität" nur eine mathematische, aber keine physikalische Bedeutung hat. Deshalb wäre es interessant zu versuchen, ein physikalisches Phänomen zu finden, das den Kollaps eines Neutronensterns zu einem Schwarzen Loch endgültig stoppen könnte.

DAS MATERIALISCHE  SCHWARZE LOCH

Wir könnten annehmen, dass der Neutronenstern, wenn er über die Pauli-Grenze hinaus kollapsiert, einen neuen und unbekannten Aggregatzustand von Materie mit sehr hoher Dichte erreichen könnte, die sich aus irgendeinem Grund dem Kollaps widersetzte und wodurch sich der Stern zu einem extrem dichten und heißen materiellen Körper umwandle, der das Schwarze Loch wäre. In diesem Fall könnte der Schwarzschild-Radius entweder gleich dem Radius des materiellen Körpers sein, da er dessen Oberfläche wäre, aus der die innere Strahlung nicht entweichen könnte, oder er könnte größer sein, wie im Fall der Singularität. Wir könnten ein Schwarzes Loch daher als einen Stern definieren, dessen Schwarzschild-Radius größer ist als sein eigener Radius. In diesem Fall ist nicht bekannt, aus welchem ​​neuen Material dieser Stern bestehen würde, obwohl diese Art von Schwarzem Loch auch als Lösung von Einsteins Gleichungen beschrieben werden könnte.

DAS ENERGETISCHE SCHWARZE LOCH

Auf der Suche nach einem anderen physikalischen Phänomen, das eine Grenze für die Kontraktion des Neutronensterns darstellen könnte, könnte vielleicht die Konstanz der Lichtgeschwindigkeit diese Grenze sein, wenn wir zugeben, dass der gesamte Stern in Strahlungsenergie umgewandelt werden könnte. Energie selbst hat Schwerkraft, und wenn eine Region des Weltraums aus irgendeinem Grund eine ausreichend große Menge an Strahlung enthält, könnte ihre eigene Schwerkraft verhindern, dass diese Energie aus der Region entweicht.

Dazu führen wir die Vermutung ein, dass der enorme Druck im Zentrum des Sterns die Neutronen vernichten und irgendwie die Umwandlung dieser Neutronen (oder der zentralen Materie des Sterns) in Energie starten könnte. Wenn dies wahr wäre, würde diese Umwandlung im Kern des Sterns beginnen und dazu neigen, die äußersten Schichten auszudehnen und zu komprimieren, so dass sich die Umwandlung schnell über den gesamten Stern vom Zentrum bis zur Peripherie ausbreiten würde und es zu einer Explosion, die die gesamte Energie aus der Umwandlung der Gesamtmasse des Sterns als Supernova freisetze. Wenn der ursprüngliche Neutronenstern jedoch ausreichend massereich wäre, könnte die Umwandlung seines Kerns in Energie möglicherweise langsamer erfolgen und durch ein dynamisches Gleichgewicht zwischen der Ausdehnung des Kerns und der Kompression aufgrund der Schwerkraft der äußeren Schichten kontrolliert werden. Während dieses Gleichgewichts würde der zentrale Bereich des Sterns an Energie gewinnen und wachsen, während die äußeren Schichten an Masse verlieren und abnehmen würden. Daher würde sich der gesamte Stern schließlich in eine Wolke aus Strahlungsenergie verwandeln, die von seiner eigenen Schwerkraft eingefangen würde, und seine Größe und Form würden notwendigerweise durch den Schwarzschild-Radius bestimmt, d. h. die Strahlung könnte die Entfernung nicht überschreiten, in der die Fluchtgeschwindigkeit gleich  die Lichtgewchwindikkeit ist.

Bedenken wir aber auch, dass sich elektromagnetische Strahlung sowohl innerhalb als auch außerhalb der Wolke immer mit konstanter Lichtgeschwindigkeit ausbreitet. Nun gut: warum kann die Schwerkraft verhindert, dass Strahlung die Wolkenoberfläche durchdringt und nach draußen entweicht? Mit anderen Worten: Wie wirkt sich die Schwerkraft der Wolke selbst auf die innere Strahlung aus, sodass diese nicht entweichen kann? Die Antwort kann nichts anderes sein als eine extreme Gravitation-Rotverschiebung. An der Wolkenoberfläche wird durch die Schwerkraft jegliche Frequenz aufgehoben und die Strahlung verschwindet nach außen. Die Erhaltung der Energie innerhalb der Wolke erfordert jedoch, dass die Wellen nicht im Inneren verschwinden können. Dies deutet darauf hin, dass sie von der Innenoberfläche reflektiert werden und ihre ursprüngliche Frequenz wiedererlangen. Auf diese Weise behält die Wolke ihre Energie und ihren Strahlungsdruck, ohne zu erlöschen, und wird zu einem stabilen und dauerhaften Objekt. Dieses wolkenförmige Objekt, das keine Energie ausstrahlt, endliche Abmessungen hat und in seinem Inneren einen sehr hohen Strahlungsdruck und eine sehr hohe Temperatur aufrechterhält, wäre das, was wir ein "energetisches Schwarzes Loch“ nennen.

DER SCHWARZE KÖRPER

Im Allgemeinen ähneln die Eigenschaften von Schwarzen Löchern denen des Schwarzen Körpers, außer dass in ihnen aufgrund ihrer extremen Schwerkraft keine äußere Strahlung vorhanden ist. Beide absorbieren die auf sie jede einfallende Strahlung vollständig und können durch einen geschlossenen Hohlraum mit einer gleichmäßigen Dichte elektromagnetischer Energie im Inneren dargestellt werden.  Somit könnte wir sagen, dass Schwarze Löcher schwarze Körper sind, die mit einem so  starken Gravitationsfeld ausgestattet sind, das ihre  Ausstralung verhindert.

BEZIEHUNG ZU ANDEREN OBJEKTEN

In relativ großen Entfernungen von einem Schwarzen Loch, wo die Newtonschen Gesetze gelten und die Fluchtgeschwindigkeit gering ist, verhält sich ein Schwarzes Loch wie jeder Stern. Wenn also beispielsweise die Sonne durch ein Schwarzes Loch gleicher Masse ersetzt würde, würde sich die Bewegung der Planeten nicht ändern, obwohl das gesamte Sonnensystem zwar verdunkelt wäre und weder Wärme noch Strahlung erhalten würde. Aber in kurzen Entfernungen von einem Schwarzen Loch, wo das Gravitationsfeld sehr stark ist und die Fallgeschwindigkeiten nahe an der Lichtgeschwindigkeit liegen, müssen die Beziehungen zu anderen Objekten nach relativistischen Gesetzen analysiert werden, und das ist nicht einfach.

Die mysteriöse Natur von Schwarzen Löchern führt zu seltsamen Situationen. Zum Beispiel: Was passiert, wenn ein kleines materielles Objekt in ein Schwarzes Loch fällt? Im Prinzip lautet die Antwort, dass das Objekt die Schwarzschild-Kugel durchdringt und vom Schwarzen Loch absorbiert und integriert wird, wodurch seine Masse zunimmt. Es ist jedoch nicht bekannt, wie es aufgenommen und integriert wird. Bei einem punktuellen Schwarzen Loch müsste das Objekt seine Form ändern, um in die Singularität eintreten zu können. Bei einem materiellen Schwarzen Loch fallen beide Objekt zusammen und verschmelchen in einem einzigen Körper. Und Bei einem  energetischen Schwarzen Loch kann wohl das Objekt beim Eintritt in die Wolke in Energie umgewandelt werden.  

Ein weiterer merkwürdiger Fall ist, wenn das Objekt, das auf das Schwarze Loch fällt, viel größer als das Schwarze Loch ist, aber eine viel geringere Masse hat. Dies wäre der Fall, wenn die Erde auf ein Schwarzes Loch  fallen würde deren Masse gleich wie die Sonnenmasse wäre.  Der Schwarzschildradius eines Schwarzen Lochs mit einer Sonnenmasse beträgt 3 km.  Das Durchmesserverhältnis zwischen der Erde und diesem Schwarzen Loch beträgt 2.124-fach zugunsten der Erde. Allerdings liegt das Massenverhältnis 330.000-fach zugunsten des Schwarzen Lochs. Was würde bei der Kollision, also beim Kontakt der Erdoberfläche mit der Oberfläche der Schwarzschild-Kugel, passieren? Meiner Meinung nach sehe ich zwei Möglichkeiten, beide extravagant:

A) Die Erde wird durch Gezeitenkräfte deformiert und dünner, wenn sie sich dem Schwarzen Loch nähert, und nach dem Eintritt in die Schwarzschild-Sphäre wird sie noch dünner, bis sie die Singularität erreicht, die die Masse der Erde vollständig verschlingt.

B) Aufgrund der sehr hohen Geschwindigkeit des Stoßes und der großen Dimensionen- und Massenunterschiede dringt das Schwarze Loch in die Erde ein und absorbiert sie von derer Mitte.

Was passiert, wenn zwei Schwarze Löcher kollidieren? Beim punktuellen Schwarzen Löchern ist der Schock tatsächlich der Kontakt der beiden Schwarzschild-Kugeln. Von diesem Moment an verschmelzen beide Sphären, bis die beiden Singularitäten zusammenfallen und das resultierende Schwarze Loch die Masse der Summe der beiden vorherigen Massen hat. Bei zwei materiellen Schwarzern Löchern würden die beiden Körper zu einem verschmelzen und die Kollision würde nach relativistischen physikalischen Gesetzen unter Berücksichtigung von Gezeitenkräften und hohen Geschwindigkeiten erfolgen. Schließlich scheint es bei zwei energetischen Schwarzern Löchern offensichtlich, dass sich beide energiereichen Wolken vermischen und zu einer größeren verschmelzen könnten.

DATEN (entnommen aus Wikipedia)

Masse der Sonne: 2xE30 kg

Möglicher Bereich der Neutronensternmassen: zwischen 1,3 und 2,1 Sonnenmassen

Masse Schwarzer Löcher:

- SL von 1,3 Sonnenmassen: 2,6xE30 kg

- SL von 2,1 Sonnenmassen: 4,2xE30 kg

Lichtgeschwindigkeit c=3xE8 m/s   (Im Quadrat = c^2=9xE16 m^2/s^2)

Äquivalente Energien Schwarcher Löcher  (e=mc^2):

- SL von 1,3 Sonnenmassen: 2,3xE47 J

- SL von 2,1 Sonnenmassen: 3,8xE47 J

G=6,67xE-11 Nm^2/kg^2

Schwarzschild-Radius  Schwarzer Löcher (r= 2Gm/c^2)

- Sonne: 3 km

- SL von 1,3 Sonnenmassen: 3,9 km

- SL von 2,1 Sonnenmassen: 6,3 km

Volumina Schwarzer Löcher:  (4/3)x(PI)x(Schwarzschild-Radius)^3

- SL von 1,3 Sonnenmassen: 2,5xE11 m^3

- SL von 2,1 Sonnenmassen: 1,0xE12 m^3

Wie hoch ist der Druck im Inneren eines Schwarzen Lochs? Der allgemeine Ausdruck für Druck ist p = Kraft/Oberfläche und in einem geschlossenen Raum ist p = Energie/Volumen.  Daher bei 

-AN von  2,1 Sonnenmassen:  p = 3,8xE47/1,0xE12= 3,8xE35 Pa.

Zum Vergleich: Der geschätzte Strahlungsdruck im Kern der Sonne beträgt 2,65 x E16 Pa. Das heißt, er ist etwa 20 Größenordnungen niedriger.

ABSCHLUSS

Schwarze Löcher sind seltsame Körper, die der Wissenschaft unbekannt sind, da ihre Entstehung noch nicht vollständig geklärt ist. Das Konzept der „Singularität“ wird von Kosmologen problemlos akzeptiert, aber es scheint eine Erfindung zu sein, um ein unmögliches Wesen zu beschreiben: einen mathematischen Punkt, der mit physikalischer Masse ausgestattet ist. Wenn ein Schwarzes Loch hingegen ein materielles Objekt mit sehr hoher Dichte ist, kennen wir auch nicht die Natur des Materials, aus dem es besteht. Wenn es schließlich aus einer immateriellen Blase aus Strahlungsenergie besteht, die durch seine eigene Schwerkraft begrenzt wird, kennen wir den Entstehungsprozess dieser Blase aus einem Neutronenstern nicht. Darum können wir sagen, dass Schwarze Löcher weiterhin faszinierende Objekte unbekannter Natur sind.

Rafael Chamón Cobos.

Oktober 2024.