Dinge Erklärt – kurzgesagt
Dinge Erklärt – kurzgesagt
Wir danken folgenden Personen für ihre wissenschaftliche Unterstützung:
Wissenschaftlicher Mitarbeiter am Canadian Institute for Theoretical Astrophysics, Postdoctoral am McGill Space Institute.
Lehrstuhl für funktionelle Materialien an der TU München
– Schwarze Löcher sind die wohl größte Ansammlungen reiner, brachialer Energie im Universum.
#Schwarzes Loch, 2014
https://www.spektrum.de/lexikon/astronomie/schwarzes-loch/429
#What Is a Black Hole?, 2018
https://www.nasa.gov/audience/forstudents/k-4/stories/nasa-knows/what-is-a-black-hole-k4.html
– Kommst du ihnen zu nah, verschlingen sie dich und nehmen deine Energie in sich auf. So ist unsere Energie für immer futsch.
#Fallen in der Raumzeit, 2017
https://www.mpg.de/10967263/schwarze-loecher
#Black Holes, abgerufen 2019
https://science.nasa.gov/astrophysics/focus-areas/black-holes
– Wenn sehr, sehr massereiche Sterne sterben, kollabieren ihre Kerne unter ihrer eigenen Schwerkraft zu Schwarzen Löchern.
#Wie entsteht ein Schwarzes Loch?, 2006
https://www.ds.mpg.de/211507/09
#Black Holes, abgerufen 2019
https://science.nasa.gov/astrophysics/focus-areas/black-holes
– Doch Sterne rotieren - und eine grundlegende Eigenschaft unseres Universums ist, dass Dinge die sich drehen, nicht anhalten wollen. Das nennt man Drehimpuls.
#Sternrotation mit neuem Dreh: Forscher bestimmen aus Schwingungen, wie ferne Sonnen um ihre Achsen kreisen, 2018
https://www.mpg.de/12293468/rotation-von-sternen
#What causes objects such as stars and black holes to spin?, retrieved 2019
https://www.scientificamerican.com/article/what-causes-objects-such/
– Der Drehimpuls bewirkt, dass der Stern und das resultierende Schwarze Loch sich drehen. Manche schwarzen Löcher sogar millionenfach pro Sekunde!
Zur Auflockerung ein bisschen Mathe: Wie rechnet man Umdrehungen eines schwarzen Loches aus? Dafür brauchen wir erstmal ein paar Buchstaben.
Der Drehimpuls eines schwarzen Lochs wird mit der dimensionslosen Variable a, welche zwische 0 und 1 liegen kann, angegeben. Der Drehimpuls a kann mit folgender Formel ausgerechnet werden: a = JM^2, wobei J die Winkelgeschwindigkeit und M die Masse ist. Die Winkelgeschwindikeit J kann man mit der Tangentialgeschwindikeit v berechnen welche die Geschwindikeit des Ereignishorizonts (='Rand' des schwarzen Lochs) beschreibt: J = M^2*v
Jetzt müssen wir unsere Gleichung noch mit Werten füllen. Man hat mit Hilfe von Röntgenstrahlung schwarze Löcher mit unterschiedlicher Masse beobachtet, wie z.B. Cygnus X-1. Die Untersuchungen haben gezeigt, dass viele dieser Objekte fast mit der ihnen möglichen maximalen Geschwindigkeit rotieren. Wären die Löcher sehr nahe an der ihnen möglichen Geschwindigkeit (a~1) würde v~c gelten, die Tangentialgeschwindigkeit wäre also annähernd Lichtgeschwindigkeit.
Physikalisch gesehen sind bei schwarzen Löchern Rotationen nicht besonders wichtig, aber möchte man sie trotzdem berechnen würde man feststellen, dass die Rotationen umgekehrt mit der Masse der schwarzen Löcher skalieren. Löcher mit kleiner Masse rotieren schneller als massereiche Löcher.
Wir können also davon ausgehen dass ein kleines schwarzes Loch mit einer Sonnenmasse, das so schnell rotiert wie nur möglich (also mit etwa GM / c3 ~ 5 Mikrosekunden), knapp an einer Millionen Umdrehungen pro Sekunde kratzt!
Diskussion zu den Rotationsparametern von super massereichen schwarzen Löchern:
#Spin rate of black holes pinned down, 2013
https://www.nature.com/news/spin-rate-of-black-holes-pinned-down-1.13512
Die beobachteten Rotationsparameter von schwarzen Löchern mit stellarer Masse:
#On the distribution of stellar-sized black hole spins, 2016
#Astronomers spot black hole spinning unbelievably fast as it swallows up a star, 2019
https://bgr.com/2019/01/10/black-hole-speed-spinning-space/
– Auch rotierende Schwarze Löcher haben einen Ereignishorizont und eine Singularität, in der sich all ihre Masse konzentriert.
#Die Grenzen eines Schwarzen Lochs, 2016
https://www.weltderphysik.de/gebiet/universum/schwarze-loecher/ereignishorizont/
#Die Grenzen eines Schwarzen Loches, 2001
https://www.scinexx.de/dossierartikel/die-grenzen-eines-schwarzen-loches/
#What Is A Singularity?, 2011
https://www.universetoday.com/84147/singularity/
#What Exactly Is a Black Hole Event Horizon (and What Happens There)?, 2019
https://www.space.com/black-holes-event-horizon-explained.html
– Doch Punkte können sich nicht drehen. Also kann eine rotierende Singularität kein Punkt sein. Darum ist es eine Ringsingularität.
#Ringsingularität, 2014
https://www.spektrum.de/lexikon/astronomie/ringsingularitaet/410
#Traps in Space-Time, 2017
https://www.mpg.de/11182295/F002_Focus_026-033.pdf
– Eine Ringsingularität ist ein Ring mit der Stärke Null und ohne Oberfläche. Er dreht sich sehr schnell und enthält die gesamte Masse des Schwarzen Lochs.
#Massemonster im All – wie Forscher das schwarze Loch in der Galaxis durchleuchten, 2018
https://www.max-wissen.de/306520/TECHMAX26-pdf.pdf
#What Exactly Is a Black Hole Event Horizon (and What Happens There)?, 2019
https://www.space.com/black-holes-event-horizon-explained.html
– Das Schwarze Loch zieht den Raum und dessen Energie mit sich. So entsteht ein neuer Bereich der Raumzeit: Die Ergosphäre.
#Ergosphäre, 2014
https://www.spektrum.de/lexikon/astronomie/ergosphaere/109
#Massemonster im All – wie Forscher das schwarze Loch in der Galaxis durchleuchten, 2018
https://www.max-wissen.de/306520/TECHMAX26-pdf.pdf
#How fast do black holes spin?, 2014
https://phys.org/news/2014-02-fast-black-holes.html
– Es ist möglich hinein und auch wieder hinaus zu gelangen – ist aber, als würde man von einem gewaltigen Abfluss mitgerissen werden.
#Ergosphäre, 2014
https://www.spektrum.de/lexikon/astronomie/ergosphaere/109
#Introducing the black hole, 2009
https://www.researchgate.net/publication/30772372_Introducing_the_black_hole
– Das supermassereiche Schwarze Loch im Zentrum unserer Milchstraße könnte so viel Energie abstrahlen, wie alle Sterne der Milchstraße innerhalb einer Milliarde Jahre zusammen.
Dieses supermassereiche schwarze Loch trägt den klangvollen namen Sagittarius A*. Nehmen wir an, dass dieses Loch fast am Limit seiner Möglichkeiten rotiert. Und dank Einstein wissen wir auch, dass in diesem schwarzen Loch E = mc^2 an Energie stecken.
Wenn wir also die Energie in einem schwarzen Loch um die 10^6 Sonnenmassen nehmen, dann landen wir bei einer Energie von 10^53 J.
Unsere Milchstraße leuchtet mit einer Stärke von 10^37 W, was etwa 10^11 mal der Helligkeit der Sonne über 10^16 Sekunden entspricht.
Das heißt ein schwarzes Loch das ungefähr die Masse von Sgr A* aufweist hat ähnlich viel Energie gespeichert, die unsere Heimatgalaxie aufbringen müsste um über eine Milliarde Jahre lang zu leuchten.
– Das schwarze Loch bekommt von uns etwas Masse und gibt uns dafür Rotationsenergie. Kein fairer Deal - denn wir erhalten mehr.
#Penrose-Prozess, 2014
https://www.spektrum.de/lexikon/astronomie/penrose-prozess/331
#Overview: Penrose process, abgerufen 2019
https://www.oxfordreference.com/view/10.1093/oi/authority.20110810105604640
– Wir brauchen nur zwei Dinge, um eine Schwarze-Loch-Bombe zu bauen: Ein schnell rotierendes Schwarzes Loch und einen großen Spiegel.
#Sturz in den Schlund, 1998, abgerufen 2019
https://www.wissenschaft.de/allgemein/sturz-in-den-schlund-3/
#Black-hole bomb and superradiant instabilities, 2004
https://www.researchgate.net/publication/2059646_Black-hole_bomb_and_superradiant_instabilities
– Hätte der Spiegel zehn Zentimeter Dicke, wäre das Metall eines großen Asteroiden vermutlich ausreichend für ein Schwarzes Loch mit der Masse unserer Sonne.
Der Schwarzschild Radius der Sonne z.B. beträgt 3 km. Ein großer Spiegel mit einer Dicke von 10 cm und einer Kantenlänge von 1.000 km hätte ungefähr ein Volumen von 10^14 Litern und ein Gewicht von etwa 10^14 kg. Das entspricht ca. dem Gewicht von Phobos, einem der Marsmonde.
In diesem Abstand (zwischen dem Inneren der Sphäre und dem Schwarzschild Radius) würden auf den Spiegel etwa 2,7g an Gezeitenkräften wirken. Eine Kraft die ein stabiler Körper wie unser starrer Spiegel locker aushält.
Bei einem super massereichen Schwarzen Loch sind Gezeitenkräfte nicht von Belang.
#Schwarzschild-Radius, 1998, abgerufen 2019
https://www.spektrum.de/lexikon/physik/schwarzschild-radius/12986
– Strahlung schwappt durch die Ergosphäre, wo das schwarze Loch die Wellen verstärkt. Wissenschaftler nennen das “Superradiant Scattering”.
#Blandford-Znajek- Mechanismus, 2014
https://www.spektrum.de/lexikon/astronomie/blandford-znajek-mechanismus/46
#Black hole bombs and explosions: from astrophysics to particle physics, 2013
https://link.springer.com/article/10.1007%2Fs10714-013-1584-z
#The Penrose process, superradiance and ergoregion instabilities, 2018
#Rotational superradiant scattering in a vortex flow, 2017
https://www.nature.com/articles/nphys4151
– Ein supermassereiches Schwarzes Loch würde so viel Energie wie eine Supernova freisetzen.
Die gesamte Energie die eine schwarze Loch Bombe freisetzen würde hängt stark davon ab, wie viel Druck unser Spiegel aushält bevor er bricht. Bei einem starken Metall läge dieser Wert bei etwa 1 GPa (Gigapascal). Der Atmosphärendruck hier auf der Erde liegt zum Beispiel bei: 1bar = 10^5 Pa = 10^-4 GPa. Nachdem der Strahlungsdruck linear mit der Energiedichte der Strahlung steigt, die auf die Fläche des Spiegels einwirkt, können wir den Punkt an dem der Spiegel nachgibt berechnen.
Ein großer Spiegel braucht dementsprechend lange, bis man ihn als Bombe verwenden kann, ist aber eben auch mit mehr Energie gefüllt. Schließen wir ein supermassives schwarzes Loch wie Sgr A* in einen Spiegel mit 1.000-fachem Schwarzschildradius, wird eine Energie von ca. 10^53 ergs freigesetzt. Das ist vergleichbar mit einer Supernova.
# Wolfram Alpha, Berechnung von 2019
– Der Penrose-Prozess
#Ergosphäre, 1998, abgerufen 2019
https://www.spektrum.de/lexikon/physik/ergosphaere/4481
#Overview: Penrose process, abgerufen 2019
https://www.oxfordreference.com/view/10.1093/oi/authority.20110810105604640
– Rotierende Schwarze Löcher könnten zum Ende des Universums die einzige Energiequelle sein, die Lebewesen noch abschöpfen können.
#Tod der Sterne, 2015
https://www.sueddeutsche.de/wissen/ende-des-universums-tod-der-sterne-1.2800968-3
#Living Near a Supermassive Black Hole, 2019
https://blogs.scientificamerican.com/observations/living-near-a-supermassive-black-hole/