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  • Akkretionsscheibe eines Röntgendoppelsterns.
  • Ein fiktives nichtrotierendes Schwarzes Loch von 10 Sonnenmassen aus 600 km Abstand gesehen, wobei dem Schwarzen Loch mit der 400-millionenfachen Erdbeschleunigung entgegengehalten werden muss, damit der Abstand konstant bleibt. Im freien Fall würde sich durch die Aberration ein anderes Bild ergeben. Die Milchstraße im Hintergrund erscheint durch die Raumzeitkrümmung verzerrt und doppelt. Die Bildbreite entspricht einem Blickwinkelbereich von 90°.
  • Äußere Schwarzschildlösung


Ein Schwarzes Loch ist ein astronomisches Objekt, in dessen Nähe die Gravitation extrem stark ist. Es gibt einen Raumbereich, in dem die Raumzeit so stark verzerrt ist, dass nichts von innerhalb nach außerhalb gelangen kann. Die Grenze dieses Bereichs wird Ereignishorizont genannt. Er ist umso größer, je größer die Masse eines schwarzen Lochs ist.

Der Begriff „Schwarzes Loch“ wurde 1967 von John Archibald Wheeler geprägt und verweist auf den Umstand, dass es sich um eine Krümmungssingularität der Raumzeit handelt („Loch“) und dass elektromagnetische Wellen, wie etwa sichtbares Licht, den Ereignishorizont nicht verlassen können und es einem menschlichen Auge daher vollkommen schwarz erscheint.

Singularitäten, Schwarze Löcher und EreignishorizonteBearbeiten

Allgemein hat die Masse eines Körpers immer Gravitationskräfte zur Folge. Wenn die Masse auf ein genügend kleines Volumen begrenzt ist (siehe: Roche-Grenze), hält sich der Körper von alleine zusammen: Die Gravitationskraft führt zu einer Kompression eines Körpers. In den meisten Fällen endet die Kompression durch Gegenkräfte im Inneren, nämlich sobald sich diese Kräfte im Gleichgewicht befinden. Aber unter bestimmten Umständen wird kein Gleichgewicht erreicht (sobald, aus welchen Gründen auch immer, eine kritische Dichte überschritten wird); die Kompression setzt sich fort und die Gravitationskraft wird immer größer, bis das Volumen null erreicht ist.

Die Dichte, bis zu der Materie komprimiert werden muss, um durch ihre Gravitationskraft zu einem Schwarzen Loch zu kollabieren, ist umgekehrt proportional zum Quadrat der Masse. Objekte mit weniger als etwa 1,5 Sonnenmassen (Chandrasekhar-Masse) können nicht durch einen Gravitationskollaps beliebig kollabieren, da der abstoßende Entartungsdruck in entarteter Materie einen Kollaps verhindert.

Da die Masse erhalten bleibt, erreicht die Dichte des Körpers unendlich. Solche Körper krümmen die Raumzeit um sich herum so stark, dass man anschaulich von einem Loch im Gefüge des Raums sprechen könnte, man nennt sie jedoch exakter Singularität. Die Naturgesetze können in einer Singularität keine sinnvollen Voraussagen machen, sie ist praktisch außerhalb unserer Realität. Die Singularität wird von einem Raumzeitbereich umgeben, aus dem keine Materie und keine Information nach außen gelangen kann. Die Grenze dieses Bereichs ist der sogenannte Ereignishorizont.

Der Ereignishorizont ist kein physisches Gebilde, er bezeichnet nur einen Ort oder genauer eine Grenzfläche. Ein Beobachter, der durch den Ereignishorizont hindurch fällt, würde daher selbst nichts Besonderes bemerken. Relativistische Effekte (Allgemeine Relativitätstheorie) führen aber dazu, dass beispielsweise dieser von einem zweiten, weit entfernten Beobachter gesehene aufgrund der Zeitdilatation unendlich lange braucht um den Ereignishorizont zu erreichen, wobei er in zunehmend rotverschobenem Licht erscheint und verblasst.

Das Gravitationsfeld im Außenraum kugelförmiger, nichtrotierender und elektrisch ungeladener Körper wird durch die Schwarzschild-Metrik beschrieben. Sie gilt nicht nur für Schwarze Löcher, sondern für alle Körper mit diesen Eigenschaften und stellt für Sterne oder Planeten meist eine gute Näherung dar. Bei einem Schwarzen Loch bezeichnet Schwarzschildradius den Umfang des Ereignishorizonts geteilt durch 2π.

Die Größe des Schwarzschildradius beträgt für ein Schwarzes Loch von einer Sonnenmasse etwa 2,9 km, für ein Objekt von einer Erdmasse etwa 9 Millimeter.

Es ist ein weit verbreiteter Irrtum, dass das Gravitationsfeld eines Schwarzen Loches bzw. die von ihm hervorgerufene Krümmung von Raum und Zeit, bei üblichen Entfernungen von außerordentlich großer Stärke sei. Da sowohl Schwarze Löcher als auch Sterne von derselben Metrik beschrieben werden, würde sich am Gravitationsfeld im Sonnensystem nichts ändern, wenn man die Sonne durch ein Schwarzes Loch gleicher Masse ersetzt. Abgesehen vom Fehlen des Sonnenlichts wäre lediglich in unmittelbarer Umgebung des Schwarzen Loches (innerhalb des vorherigen Sonnenradius) ein enormer Zuwachs der Gravitationsbeschleunigung festzustellen.

Rotierendes Schwarzes LochBearbeiten

Das rotierende Schwarze Loch ist die allgemeine Form dieses astrophysikalischen Phänomens. Als rotierende Schwarze Löcher werden solche bezeichnet, die einen Eigendrehimpuls besitzen. Wie alle Schwarzen Löcher verursachen auch sie, bedingt durch ihre enorme Gravitation, eine entsprechend große Veränderung der geometrischen Struktur von Raum und Zeit (Raumkrümmung). Bei einem rotierenden Schwarzen Loch nimmt die Singularität jedoch eine Kreis- oder Ringform an und reißt die Raumzeit um sich herum mit, anstatt sie nur zu krümmen: Der Raum wird in der Drehrichtung des Schwarzen Lochs mitgedreht. Diese Art der Raumzeitkrümmung erscheint nicht bei einem ruhenden Schwarzen Loch, sondern tritt bei rotierenden Schwarzen Löchern sozusagen zusätzlich außerhalb des Ereignishorizonts mit der Form eines an den Polen abgeplatteten Rotationsellipsoids auf. Alle Objekte um ein rotierendes Schwarzes Loch werden mitgedreht, eben weil sich auch die Raumzeit selbst mitdreht. Einem zu seiner Umgebung stillstehenden Beobachter käme es so vor, als würde sich das ganze Universum um ihn herum drehen. Natürlich nimmt dieser Effekt mit der Entfernung stark ab. Aber bis zu einem bestimmten Abstand (der sogenannten statischen Grenze), in einem Bereich, der Ergosphäre genannt wird, ist die Drehgeschwindigkeit so hoch, dass alle Objekte (und auch Energie wie Lichtstrahlen) wiederum schneller als Licht sein müssten, um diese Ergosphäre zu verlassen. Die Winkelgeschwindigkeit eines Teilchens am eigentlichen Ereignishorizont entspricht genau der Rotationsgeschwindigkeit des Schwarzen Loches und nimmt nach außen ab, die Bahngeschwindigkeit entspricht dabei aber immer der Lichtgeschwindigkeit. Das heißt nicht, dass seine Eigengeschwindigkeit größer als die Lichtgeschwindigkeit ist, sondern dass es innerhalb der Ergosphäre keine nicht-mitrotierenden Teilchen geben kann. Dieses Frame-Dragging ist ein Extremfall des seit 1918 bekannten Lense-Thirring-Effekts. Eine Besonderheit dieses Bereichs ist, dass die kinetische Energie in diesem Bereich negativ sein kann. Ein Teilchen, das sich in der Ergosphäre befindet, kann deshalb so in zwei Teilchen zerfallen, dass die kinetische Energie eines der beiden größer ist als die des ursprünglichen Teilchens. Das betreffende Teilchen kann die Ergosphäre verlassen, während sein Komplement mit negativer kinetischer Energie (ohne weitere Wechselwirkung) notwendig und in endlicher Eigenzeit den Ereignishorizont überschreitet. Die scheinbar aus dem Nichts generierte Energie wird der Rotationsenergie des Schwarzen Lochs entzogen. Dieser Mechanismus zur Energiegewinnung wurde zuerst von Roger Penrose vorgeschlagen.

Die Ausdehnung der Ergosphäre ist vom Polarwinkel (entspricht dem Breitenwinkel der Erde) abhängig; sie ist null an den Polen des rotierenden Schwarzen Lochs, d. h. statische Grenze und Ereignishorizont fallen hier zusammen, und erreicht einen vom Drehimpuls des Schwarzen Lochs abhängigen Abstand, der maximal dem doppelten Schwarzschildradius entspricht, in der Äquatorregion. Der Drehimpuls eines Schwarzen Lochs ist dabei, wie unten beschrieben wird, begrenzt.

Einige Beobachtungen, beispielsweise von extrem schnellen Materiestrahlen (Jets), die senkrecht zur Akkretionsscheibe stehen, werden durch Effekte beschrieben, die nur innerhalb einer Ergosphäre bzw. bei Vorhandensein derselben auftreten können.

Aus allgemeinen Überlegungen zur Drehimpulserhaltung kann man schließen, dass alle Schwarzen Löcher rotieren, zumindest zum Zeitpunkt ihrer Entstehung. Aber natürlich zeigen nur sehr schnell rotierende Schwarze Löcher starke Auswirkungen der unter Frame-Dragging bekannten Phänomene. Andererseits verdrillt jede rotierende Masse, unabhängig vom Auftreten eines Ereignishorizonts, also auch der Planet Erde, die umgebende Raumzeit. Diese Effekte bei der Erde sollten durch Messungen zum Beispiel mit Hilfe der LAGEOS-Satelliten quantifiziert werden. Erste Ergebnisse aus dem Jahr 1997 lagen noch so dicht am Bereich der Messungenauigkeit, dass sie kontrovers diskutiert wurden, erst eine Wiederholung der Messung im Jahr 2004 mit dem Satelliten Gravity Probe B bestätigte den Sachverhalt.