Was sind Schwarze Löcher und wie entstehen sie?

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Als Schwarzes Loch bezeichnet man jeden Himmelskörper, dessen tatsächlicher Radius kleiner als sein Schwarzschild-Radius ist.

Was aber bedeutet das?

Wer einen Ball in die Höhe wirft, wird sehen, dass er zurück auf die Erde fällt, der Scheitelpunkt seiner Flugbewegung aber umso höher liegt, je größer die Anfangsgeschwindigkeit ist, mit der er hochgeworfen wird.

Unter der Fluchtgeschwindigkeit eines Himmelskörpers versteht man die Geschwindigkeit, mit der ein Objekt die Oberfläche des Himmelskörpers verlassen muss, damit es sich von ihm befreien kann. Diese Geschwindigkeit — im Fall der Erde etwa 40.000 km/h — ist

  • unabhängig von der Masse des Objekts  
  • umso größer, je größer die Masse des Himmelskörpers ist
  • und auch umso größer, je kompakter der Himmelskörper, d.h. je kleiner sein Radius ist.

Unsere Erde etwa hat einen Radius von ca. 6.000 km, und in dieser Entfernung von ihrem Schwerpunkt beträgt die Gravitationskraft 1 G.

Würde unsere Erde so zusammengepresst, dass ihr Radius sich halbiert, so würde auf ihrer Oberfläche eine Gravitationskraft von 4 G wirken, woraus sich eine um den Faktor 1,4 höhere Fluchtgeschwindigkeit ergäbe (dann etwa 56.000 km/h).

Die Fluchtgeschwindigkeit würde auf Lichtgeschwindigkeit anwachsen, wenn man die Masse der Erde so weit komprimieren könnte, dass der Radius der Erde nur noch knapp 1 cm betrüge. Das also ist ihr Schwarzschild-Radius ( meist auch ihr Ereignishorizont ).

Ein Himmelskörper ist genau dann ein Schwarzes Loch, wenn er so stark komprimiert wurde, dass seine Fluchtgeschwindigkeit nun größer ist als die Lichtgeschwindigkeit.

Es kann dann nichts mehr aus ihm herauskommen — sein Inneres wurde eine eigene, in sich abgeschlossene Welt (auf Quantenfluktuation zurückführbare Effekte mal ausgenommen).

Unsere Sonne würde ein Schwarzes Loch sein, wenn sie bei heutiger Masse nur einen Radius von etwa 3 km hätte.

Wegen ihrer allzu kleinen Masse aber wird unsere Sonne nie derart stark komprimiert werden. Bei deutlich massereicheren Sternen ist das anders: Sie alle werden irgendwann zu einem Schwarzen Loch: Das passiert, sobald die in ihrem Inneren ablaufenden Kernfusionsprozesse erlöschen und dann im Inneren des Sterns nichts mehr Druck aufbaut, der sich der Gravitation, die den Stern zu kompaktifizieren versucht, entgegenstellt.

Die Erklärung ist einleuchtend, aber etwas inakkurat.

Schließlich ist ja das SL eigentlich kein Himmelskörper mehr, mit Ausdehnung und dergleichen, sondern die von der Masse des (ehemaligen) Himmelskörpers deformierte Raumzeit-Region um den Moment des totalen Kollaps herum.

Und würde das mit Licht so funktionieren wie mit dem hochgeworfenen Stein, wäre das SL keines, da es keinen Ereignishorizont gäbe.

Licht könnte sich von dem (sehr kompakten) Himmelskörper lediglich nicht unendlich weit entfernen

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@SlowPhil

Es scheint mir reine Geschmackssache zu sein, ob man hier noch von einem Himmelkörper spricht. Nur weil Licht ein hinreichend dichtes Objekt nicht mehr verlassen kann, hört das Objekt ja nicht auf zu existieren: Es ist lediglich nicht mehr sichtbar.

Insbesondere kann es immer noch mit anderen Objekten kollidieren, auch mit anderen Schwarzen Löchern (wie kürzlich erst registrierte Gravitationswellen ja beweisen).

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@grtgrt

Dann muss man aber unterscheiden zwischen dem Objekt als solchem und dem Schwarzen Loch, das es erzeugt. Üblicherweise wird ja angenommen, dass das Objekt gleichsam zu einem Punkt zusammenstürze, der Singularität.

Ich halte es für fraglich, ob dies - vom Standpunkt eines Außenbeobachters aus - jemals wirklich passiert, denn der Ereignishorizont ist ja die Fläche, an der für uns die Zeit stehen bleibt respektive jeder Vorgang im Prinzip unendlich lange dauern müsste.

Nehmen wir aber an, das mit der Singularität stimmt und diese sei für einen Kamikaze-Astronauten auch erreichbar, dann wird als Schwarzes Loch nicht allein diese bezeichnet, sondern die gesamte Raumzeit zwischen EH und Singularität. Wobei diese eigentlich nicht ein Punkt im Raum, sondern ein Zeitpunkt ist, nämlich - für den Kamikaze - der letzte überhaupt. Dass er den nicht mehr erlebt, ist natürlich auch klar. Die Koordinate r wird im Inneren des SL nämlich zeitartig, wobei „nach innen“ gleichbedeutend mit „zeitlich vorwärts“ ist.

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@SlowPhil

Du irrst, denn:

Ein Objekt besteht nie aus nur einem Punkt, sondern ist ein Kraftfeld. Denke an ein Atom: Es ist einfach nur mit Kraftfeldern gefüllter, ansonsten aber leerer Raum; Aber selbst Teile des Atoms, die sich nicht als leerer Raum anfühlen - Elektronen etwa - sind letztlich nur Wolken elektromagnetischen Potentials (verteilt auf sog. Orbitale).

Die innere Singularität eines Schwarzen Lochs ist einfach nur ein Punkt, an dem Einsteins Theorie - als das mathematisches Objekt, das er "die Raumzeit" nennt - nicht mehr definiert ist. Folge davon ist, dass schon in einer hinreichend kleinen Umgebung jener rein nur mathematisch existierenden Singularität Einsteins Theorie zunehmend ungenauer wird, so dass sie dort auch zunehmend unbrauchbarere Aussagen macht.

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@grtgrt
Folge davon ist, dass schon in einer hinreichend kleinen Umgebung jener rein nur mathematisch existierenden Singularität Einsteins Theorie zunehmend ungenauer wird,...

Das muss meines Wissens nicht zwangsläufig sein. Man kann z.B. nicht durch 0 dividieren, aber durch alles, was noch von 0 verschieden ist, egal wie klein.

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@SlowPhil

Dein Argument zeigt nur, dass Einsteins Modell der Raumzeit in beliebiger Nähe einer Singularität noch definiert ist, also Aussagen macht. Mein Argument aber sagt, dass mit zunehmender Nähe zur Singularität auf diese Aussagen immer weniger Verlass ist (jeder Mathematiker weiß, dass das so sein muss, wen man annimmt, dass die Raumzeit stetig ist und selbst keine Singularität haben kann).

Eine zukünftige Theorie der Quantengravitation wird die Singularitäten tatsächlich entfernen, vielleicht aber auch die Stetigkeit.

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@grtgrt

Bitte denke daran: Ein mathematisches physikalisches Modell ist nie die Wirklichkeit selbst, sondern stets nur eine Idee, welches sie an unterschiedlichen Stellen unterschiedlich genau nachbildet (und in den Punkten, die Singularitäten des Modells darstellen, rein gar nichts mehr dazu aussagt): Was mit zunehmener Nähe zur Singularität unendlich groß wird, ist stets nur die Ungenauigkeit des Modells.

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Hallo EliteHighSchool,

die Antwort von @grtgrt ist schon ganz gut, beschreibt ein Schwarzes Loch (im Folgenden SL genannt) aber unvollkommen. Ein SL ist eine Region der Raumzeit, die vom „Rest der Welt“ durch einen Ereignishorizont (i.F.: EH) abgegrenzt ist. Das Wort „Loch“ bezieht sich darauf, dass ein EH nicht so etwas wie eine feste Oberfläche ist, sondern gewissermaßen eine gedachte Fläche, wo das Gravitationspotential Φ gleich –c² ist.

Ein ruhender Körper an einem EH hätte also die potentielle Energie

(1)  m·Φ = –m·c².

Das ist genau das Negative seiner Ruheenergie

(2) E₀ = m·c²,

d.h., seine Gesamtenergie ist dort 0. Nun wirkt Gravitation nicht nur auf „Masse“, wie wir das von der Newton’schen Gravitation kennen, sondern auf jegliche, also auch die kinetische Energie, sodass ein Körper am EH „machen kann, was er will“ - seine Gesamtenergie ist und bleibt 0.

Das gilt sogar für etwas (wahrscheinlich) völlig Masseloses wie Licht: Es besteht aus Energie-„Portionen“ h·f, wobei f die Frequenz und h das Planck’sche Wirkungsquantum ist, eine universelle Konstante. Über „E=mc²“ kann man ihm gleichsam eine „Effektivmasse“ hf/c² und damit eine potentielle Energie hfΦ/c² zuschreiben.

Ein Gravitationsfeld ist ein konservatives Kraftfeld, d.h., die Gesamtenergie des Photons

(3.1) h·f + h·f·Φ/c² = h·f·(1 + Φ/c²)

bleibt erhalten. Wenn also ein Photon auf ein höheres Φ„aufsteigt“, geht die Frequenz zwangsläufig nach unten. Das beeinflusst sogar die vom höheren Φ aus gemessene Zeit: Wenn ich in 10 Minuten einen Kaffee trinke und dabei in unmittelbarer Nähe einen 1MHz-Wellengenerator betreibe, dauert dies 600 Millionen Schwingungen dieses Generators, und das muss auch für einen Beobachter auf höherem Φ so sein, auch wenn f kleiner ist; also muss mein Kaffeegenuss nach seiner Uhr entsprechend länger dauern.

Was mit Photonen passiert, die an einem EH starten, sieht man an (3.1), wenn man Φ gleich –c² setzt:

(3.2) h·f·(1 + Φ/c²) = h·f·(1 – c²/c²) = 0

Das Ding hier ist: Da der Faktor (1 + Φ/c²) am EH gleich 0 ist, kann f beliebig groß sein, für jedes (1+Φ/c²)>0 muss f gleich 0 sein. Die Situation unterscheidet sich radikal von der eines hochgeworfenen Steines, der ja immerhin bis zu einem gewissen Umkehrpunkt überhaupt aufsteigen kann.

Solange man auch nur ein winziges bisschen außerhalb des EH ist, also Φ>-c², kann Licht noch entkommen, auch wenn es dafür mit abnehmendem Abstand des Ausgangspunkts vom EH

  1. immer länger braucht und
  2. mit immer kleinerer Frequenz einen Empfänger erreicht,

aber am EH haben wir eine Situation, die es in der Newton’schen Näherung nicht gibt. Jenseits des EH ist die Situation noch bizarrer, jedenfalls rechnerisch: Die Koordinate r, die für eine Kugelschale der Fläche 4πr² steht, wird zeitartig, d.h., „weiter innen“ ist Zukunft, „weiter außen“ Vergangenheit. Um da nach weiter außen kommen zu können, müsste man schon in der Zeit rückwärts reisen können (was übrigens auch Voraussetzung für Überlichtgeschwindigkeit wäre).

Sollte man lebend dorthin gelangen können, fände man sich in einem kollabierenden Mini-Universum wieder, in einer Art umgekehrtem Urknall.

Im Folgenden will ich einige Begriffe erklären:

Raumzeit

Hinter diesem geheimnisvoll scheinenden Wort verbirgt sich ganz simpel die Zusammenfassung von Raum und Zeit. Wenn Du ein Date hast, musst Du ja auch Ort und Zeit angeben.

Unter Verzicht auf eine Raumdimension kann man die Zeit bildlich darstellen, wobei der Maßstab Zeitspanne:Länge zunächst willkürlich ist.

Ein Punkt - z.B. der Schwerpunkt eines Körpers - ist in dieser Darstellung eine Linie, die sog. Weltlinie des Körpers.

Woher ich das weiß:Recherche
 - (Physik, schwarz, Astronomie)

Eine Gerade als Weltlinie entspricht einer konstanten Geschwindigkeit (engl.: velocity) v›, also einer geradlinig-gleichförmigen Bewegung.

Die Geschwindigkeit eines Objekts O kann natürlich auch gleich 0 sein, das würde man durch eine senkrecht auf dem „t=const.-Raum“ (bzw., in der 3D-Darstellung, Ebene) stehende Gerade zum Ausdruck bringen, die man als Zeitachse ansehen kann. Die Weltlinie eines mit v› relativ zu O bewegten Objekts O' wäre „schief“ dazu; allerdings kann auch O' als ruhend und O als mit –v› bewegt angesehen werden. An der Physik ändert das nichts. Dies ist Galileis Relativitätsprinzip (RP).

Die Situation ähnelt der Drehung eines Koordinatensystems im Raum: Wenn die Zeitachse von O' senkrecht steht, dann steht eben die von O „schief“. Die Frage ist, was mit der „t'=const.“ - „Ebene“ passiert.

Hier kommt die Lichtgeschwindigkeit c (eigentlich ein Tempo) ins Spiel. Sie muss für O und für O' immer denselben Betrag c haben, weil die Bewegung von Licht mit c ein Naturgesetz ist und damit dem RP unterliegt. Das führt dazu, dass die sich nicht etwa mitdreht, sondern gleichsam der Zeitachse „entgegenkippt“.

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Man unterscheidet bei den schwarzen Löchern grob zwei unterschiedliche Kategorien. Da sind zuerst einmal die stellaren schwarzen Löcher. Die entstehen immer dann, wenn ein sehr massereicher Stern am Ende seines Lebens und nach dem Ende der Kernfusion in seinem Inneren unter seinem eigenen Gewicht kollabiert. Die so entstehenden schwarzen Löcher haben ein Vielfaches der Sonnemasse; die schwersten unter ihnen sind zwei bis drei Dutzend mal schwerer als die Sonne. Diese schwarzen Löcher findet man überall in der Galaxis; überall dort wo man auch Sterne findet.
Quelle: http://scienceblogs.de/astrodicticum-simplex/2017/05/01/wie-entstehen-supermassereiche-schwarze-loecher/

Ein Schwarzes Loch ist eine so dicht gepackte Masse, die mit ihrer immensen Gravitation den Raum derart krümmt, so dass eine Art "Loch" entsteht, aus dem nicht einmal Licht entkommen kann -> Schwarzes Loch (schwarz = Abwesenheit von Licht).

Man unterscheidet in der Astronomie zwischen aktiven und inaktiven Schwarzen Löchern.

Aktive Schwarze Löcher saugen Materie aus ihrer Umgebung auf und werden so noch schwerer. Dadurch vergrößert sich ihr Einflussbereich und sie können sich neue Materie holen.

Inaktive Schwarze Löcher sind zwar da, kommen aber nicht an Materie. Nähert sich ihnen zufällig ein Objekt, wird dieses natürlich "verschlungen" und das inaktive zum aktiven Schwarzen Loch.

Wenn ein massereicher Stern (mind. 8 Sonnenmassen) am Ende seines Lebens ist, explodiert er als Supernova und stößt seine äußeren Schichten ab. Der Rest des Stern kollabiert und wird auf winzigstem Raum zusammengepresst. Dort entsteht dann ein Schwarzes Loch.

Vermutlich entstehen Schwarze Löcher auch durch einen Zusammenstoß zweier Sterne, die dann ihre Massen vereinigen. Wird ein bestimmter Wert überschritten, würde ein Schwarzes Loch entstehen.

Wie supermassereiche Schwarze Löcher entstanden sind, die sich meist in Zentren von Galaxien aufhalten, ist meines Erachtens nicht wirklich klar (bis heute), aber es liegt nahe, dass zwei Schwarze Löcher verschmolzen sind oder diese Schwarzen Löcher über die Zeit sehr viel Materie verschlungen haben, um so massereich zu werden. Diese supermassereichen Schwarzen Löcher machen erst eine Bildung einer Galaxie so richtig möglich :)

Schwarze Löcher "holen" sich nicht Dinge bzw. Gase aus ihrer Umgebung, sondern diese Dinge fallen aufgrund der gegenseitigen Anziehung in sie hinein.

Es ist ziemlich klar wie schwarze Löcher entstehen. Wenn bei massereichen Sternen(>3 Sonnenmassen) der innere Strahlungsdruck der Kernfusion aufhört, weil der "Treibstoff" verbraucht ist, dann zieht sich die Materie auf nahezu einen Punkt zusammen.

Die Galaxien bilden sich um eine Anhäufung von vielen Sternen unabhängig davon, ob sich im Zentrum ein schwarzes Loch bildet oder nicht. Das Gravitationszentrum übt die gleiche Kraft aus.

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@weckmannu

"Schwarze Löcher "holen" sich nicht Dinge bzw. Gase aus ihrer Umgebung, sondern diese Dinge fallen aufgrund der gegenseitigen Anziehung in sie hinein."

Du paraphrasierst hier nur das Wörtchen Gravitation und unterstellst mir, dass ich das nicht wüsste. Ich sagte doch zu Beginn: "Ein Schwarzes Loch ist eine so dicht gepackte Masse, die mit ihrer immensen Gravitation den Raum derart krümmt, so dass eine Art "Loch" entsteht, aus dem nicht einmal Licht entkommen kann" hier verweise ich ganz klar auf Gravitation und setze voraus, dass niemand das "holen" anders deutet als gegenseitige Anziehung.

"Die Galaxien bilden sich um eine Anhäufung von vielen Sternen unabhängig davon, ob sich im Zentrum ein schwarzes Loch bildet oder nicht. Das Gravitationszentrum übt die gleiche Kraft aus."

Dann bist du wohl auf einem alten Stand, denn es macht sehr wohl ein Unterschied aus, ob in einem galaktischen Zentrum ein Schwarzes Loch ist, denn sie interagieren schließlich mit interstellarem Gas und können dadurch die Entstehung neuer Sterne anregen oder auch verhindern.

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@Physikhelfer

Ich unterstelle nichts. Ich möchte nur von dem Bild der gefährlich saugenden schwarzen Löcher wegkommen. Ein schwarzes Loch hat kein anderes Gravitationsfeld als ein Stern gleicher Masse. Deshalb ist mir nicht einsichtig, warum die Bildung von Galaxien von der Anwesenheit des schwarzen Loches abhängig sein sollte. Ein dicht gedrängter Sternhaufen, der sogenannte Bulk, ist typisch für das Zentrum von Spiralgalaxien. Er bildet ein Gravitationszentrum vergleichbar mit dem eines schwarzen Lochs.

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Wie weiß man nicht wirklich, sowenig warum sie überhaupt existieren.

Bis vor kurzem dachte man noch ohne Galaxie gäbe es kein Schwarzes Loch.
Denkste, man fand eines, kurz nach dem Urknall, so 600 Mio. Jahre, ganz ohne Galaxie. Und es ernährt sich doch.

Rein hypothetisch ist ein Schwarzes Loch ein Abfallprodukt, in einem noch nicht verständlichen Prozess.
Wenn es so einen Ding einmal gibt ist es ein Gravitationsmonster. Es muss nur erst einmal soweit reifen.
Am CERN hat man schon mehrere zufällig erzeugt, die kaum "geboren" gleich wieder zerfielen

Am CERN hat man schon mehrere zufällig erzeugt, die kaum "geboren" gleich wieder zerfielen

Nein, eigentlich hat man das nicht beobachtet.

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Denkste, man fand eines,...

Dazu muß man allerdings anmerken, daß kürzlich ein supermassives SL entdeckt wurde, das seine Galaxis offenbar verläßt. Woher es den nötigen Impuls bekommen hat ist spekulativ - einige Astronomen gehen offenbar davon aus, daß es eine Kollision zweier supermassiver SL gab, durch die es zu extrem asymmetrischen Gravitationswellen kam, die dem SL den nötigen Impuls verliehen.

In einigen 100.000 Jahren wird dieses SL dann auch eines ohne Galaxis sein - aber es hatte mal eine um sich herum...

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