Faustmann Schwarze Löcher

Die mysteriösen Himmelskörper
1. Auflage 2023
ISBN: 978-3-7549-9310-1
Verlag: neobooks
Format: EPUB
Kopierschutz: 6 - ePub Watermark

E-Book, Deutsch, 209 Seiten

Schon seit 1783 spekuliert die Forschung über 'dunkle Sterne', deren Gravitation ausreicht, um Licht gefangen zu halten. Anfang des 20. Jahrhunderts wurden sie nach Größe und Verhalten beschrieben. Eine direkte Beobachtung dieser Objekte gilt nach wie vor als praktisch unmöglich. Ihr heutiger Name, 'Schwarze Löcher', weist darauf hin, dass nichts von außen aus gesehen in endlicher Zeit aus ihrer inneren Region austreten kann. Oder etwa doch? Ausgehend von ihrer mehrfach prämierten Arbeit, die sie bereits als 17-jährige Schülerin verfasste, nähert sich die junge Wissenschaftlerin Cornelia Faustmann aus dem Blickwinkel neuester Forschungsergebnisse diesen wohl rätselhaftesten Phänomen des Weltalls. Sie schildert Entstehung, Eigenschaften, Kollisionen von Schwarzen Löchern sowie viel Erstaunliches mehr und scheut auch nicht vor spekulativen Fragen zurück: Was würde wohl bei einem Sturz in ein Schwarzes Loch passieren? Und könnte man durch einen 'kosmischen Tunnel' - ein so genanntes 'Wurmloch - reisen?

Astronomie und Naturwissenschaften faszinieren Cornelia Faustmann bereits seit ihrer Kindheit und Jugend. Sie gibt ihr Fachwissen aus den verschiedensten Bereichen in Form von zahlreichen Vorträgen, Artikeln, Büchern, ... mit Elan weiter und es ist ihr ein großes Anliegen, ein breites Publikum von ihren Interessensgebieten zu begeistern.

Autoren/Hrsg.

Faustmann, Cornelia

Leseproben

Die „Vorgeschichte“ – Entstehung und Entwicklung von Sternen

Wie lebt es sich als Stern?

In Riesenmolekülwolken entstehen die Sterne,

solche Ereignisse sehen die Astronomen gerne,

doch auch das Leben dieser Himmelskörper als Sonnen

und deren Tod beobachten die Astronomen mit Wonnen,

aber dazu müssen sie blicken in etwas größere Ferne.

Vor langer Zeit lebten in einem weit entfernten Land drei Schwestern – also eigentlich nicht in einem weit entfernten Land, sondern besser gesagt in einem weit entfernten Gebiet des Weltalls. Die drei Schwestern waren alle etwa gleich groß, nämlich ungefähr 300 Lichtjahre. Da sie ja verwandt waren, hatten sie auch das gleiche „genetische Material“ – sie bestanden zum Großteil aus Wasserstoff, außerdem waren noch Helium und schwerere Elemente wie Lithium oder Uran spurenweise vorhanden.

Eines Tages bemerkten die drei Schwestern, dass bei anderen Wasserstoffwolken – ihren Cousinen – eigenartige Veränderungen vorgingen. Diese begannen nämlich auf einmal, sich zusammenzuziehen. Zunächst waren die drei Schwestern sehr verwundert über diesen Vorgang, aber bald sollte sie selbst auch ein derartiges Schicksal ereilen. Nachdem ein Stern, der sich nahe bei einer der drei Schwestern befunden hatte, sein Leben mit einer gewaltigen Explosion – einer Supernova – beendet hatte, spürte eine von den Schwestern eine Kraft, die zu einer Änderung in ihrer Struktur führte. Durch diese Kraft, die Gravitation hieß, begann auch diese Schwester – wie schon vorher ihre Cousinen –, sich zusammenzuziehen. Anfangs hatte sie große Angst, sie wusste nämlich nicht, was mit ihr passierte. Nach einiger Zeit beruhigte sie sich aber glücklicherweise wieder, denn sie bemerkte, dass in ihren Schwestern der gleiche Prozess erfolgte. Und daher dachte sie, das hätte so schon seine Ordnung.

Als der Vorgang des Zusammenziehens so vor sich ging, fühlte die Schwester, dass sich ihre Struktur in einzelne kleinere Bereiche gliederte. Diese Bereiche zogen sich nun weiter zusammen und wurden zu dichten Klumpen. Doch schließlich kam die rettende Kraft, die für das Ende dieses Zusammenziehens und für Stabilität sorgte – dies waren die Prozesse der Nukleosynthese. Aus der Schwester waren also einige feste, leuchtende Objekte entstanden, die man Sterne oder Sonnen nannte. Diese Sterne waren verschieden schwer und groß, aber das hatte vorerst noch keine Auswirkungen auf ihr Dasein. Sie lebten für eine lange Zeit ruhig dahin und strahlten gleichmäßig ihr Licht in das Weltall ab. So funkelte der massearme Stern Dwarfo glücklich und bescheiden dahin, während sein jüngerer und um einiges massereicherer Bruder Blacky ehrgeiziger war. Blacky wollte nämlich am hellsten von allen leuchten und strengte sich sehr an, dies auch zu erreichen.

Eines Tages war es so weit: In den Sternen ging der Brennstoff zur Neige, weshalb die Stabilität wieder dahin war und es neuerlich zu einem Zusammenziehen kam. Aber dies endete bald, als ein neuer Nukleosyntheseprozess begann. In der nächsten Phase, als dieser Brennstoff auch ausging, verlief es allerdings nicht mehr so glimpflich für die Sterne. Je nachdem, wie schwer die Sterne waren, entwickelten sie sich verschieden weiter. Der massearme und bescheidene Dwarfo hatte Glück, denn er kam zu einem friedlichen Ende. Er sprengte seine Hülle ab und blieb als Weißer Zwerg im „Friedhof“ der Sterne im Weltall zurück. Bei Neutra und Blacky, den um einiges jüngeren, aber massereicheren Geschwistern von Dwarfo, verlief der Übergang in ihr Endstadium jedoch nicht so ruhig. Bei diesen beiden erfolgte nämlich eine große Supernova-Explosion. Neutra kam dabei noch glimpflicher davon als Blacky, und zwar deswegen, weil Neutra nicht gar so ehrgeizig leuchten gewollt hatte wie Blacky und weil er außerdem weniger Masse als Blacky hatte. Nach der Supernova-Explosion blieb von Neutras Substanz ein so genannter Neutronenstern im Weltall zurück, der sich schnell um seine eigene Achse drehte. Bei Blacky konnte nach der Supernova-Explosion nichts den weiteren Kollaps des Sternkörpers aufhalten. Die Gravitationskraft war so groß, dass Blacky immer weiter und weiter in sich zusammenfiel. Blacky konnte sich nicht erklären, was mit ihm da passierte, aber er konnte nichts gegen diese Entwicklung unternehmen. Blacky wurde also nun zu einem so genannten Schwarzen Loch – und dieses Entwicklungsstadium von Blacky wird uns später noch näher interessieren. Zuerst wollen wir uns aber die Entwicklung der Wasserstoffwolken-Schwestern etwas genauer ansehen.

Vorraussetzungen für die Sternentstehung

Seit einigen Milliarden Jahren findet der Prozess der Sternentstehung im Universum statt, und er wird auch heute noch1 in Sternentstehungsregionen wie beispielsweise dem Orionnebel2 oder dem Adlernebel3 beobachtet.

Die Sternentstehung erfolgt in interstellaren Wolken4 bzw. Riesenmolekülwolken, welche hauptsächlich aus molekularem Wasserstoff (H2) bestehen und daneben komplexere Moleküle aufweisen. Diese Regionen erstrecken sich über Entfernungen mit einem Durchmesser von etwa 33 Lichtjahren, wobei ihre Masse 10 bis 1000 Sonnenmassen, ihre Dichte 1000 Teilchen pro Kubikzentimeter und ihre Temperatur mit 10 Grad über dem absoluten Nullpunkt 10 Kelvin beträgt.5 Eine Kontraktion einer derartigen Wolke erfolgt, wenn ihre Moleküle die erforderliche Fluchtgeschwindigkeit zum Austreten aus der Wolke nicht erreichen und infolgedessen aufgrund der Gravitationskraft wieder zurückfallen, was bei tiefen Temperaturen der Fall ist.6 (Unter der Fluchtgeschwindigkeit (siehe auch unten) versteht man die minimale Geschwindigkeit, die ein Objekt benötigt, um der Schwerkraft eines Himmelskörpers entkommen zu können.7)

Aufgrund der Eigengravitation einer derartigen Wolke setzt also eine Kontraktion ein, wenn ein bestimmter Radius unterschritten sowie eine bestimmte Masse überschritten wird – dies ist im so genannten Jeans-Kriterium formuliert.8 Dieses ist nach James H. JEANS (1877 – 1946) benannt, der sich im Jahre 1902 als erster mit derartigen Fragestellungen bezüglich der Instabilität von Gaswolken beschäftigte.9 Der erwähnte Radius und die Masse werden als Jeansradius (RJ) sowie Jeansmasse (MJ) bezeichnet,10 wobei der Jeansradius von der gegebenen Masse, der Dichte und der Temperatur der Gaswolke abhängt.

Der Jeansradius RJ = (F. 2.1.1) RJ...Jeansradius a...von der Einheit abhängige Konstante ?...Molekulargewicht des Gases G...Gravitationskonstante M...Masse der Gaswolke R...ideale Gaskonstante T...Temperatur

Für die Jeansmasse gilt: Ihre Maßzahl in Sonnenmassen entspricht etwa dem 100.000-Fachen der Wurzel der dritten Potenz der Temperatur und der Anzahl der Gasteilchen pro Kubikmeter.

Die Jeansmasse                     MJ = . (F. 2.1.2) MJ...Jeansmasse a...von der Einheit abhängige Konstante R...ideale Gaskonstante T...Temperatur ?...Molekulargewicht des Gases G...Gravitationskonstante ?av... (=) n...Anzahl der Gasteilchen pro Kubikmeter Mo...Sonnenmasse

In der Definition der Jeansmasse und des Jeansradius werden die Gaswolke als kugelförmig, nicht rotierend, ohne Turbulenz sowie ohne Magnetfeld und die Temperatur sowie die Dichte als einheitlich angenommen.11

Da sich die meisten Riesenmolekülwolken von vornherein nicht im Zustand einer Kontraktion befinden, sind für einen Kollaps der Gaswolken bestimmte Auslöser vonnöten.12 Man nimmt an, dass Dichtewellen13 (– hierbei handelt es sich um materielle Wellen wie beispielsweise Schallwellen, die bei ihrer Bewegung durch ein bestimmtes Medium in demselben Verdichtungen bzw. Verdünnungen bewirken –)14 oder durch Supernovae (siehe unten) verursachte Stoßfronten Kompressionen hervorrufen, die zu Kontraktion und Kollaps in Gaswolken führen, wodurch schließlich Sterne entstehen können.15 Außerdem verursacht der Strahlungsdruck, der von schon entstandenen Sternen ausgeht, weitere Kompressionen, wodurch die Sternenstehung auch gewissermaßen als Kettenreaktionsprozess erfolgt. Weiters muss in diesem Zusammenhang erwähnt werden, dass Sterne nicht einzeln, sondern meist in Haufen bzw. Assoziationen entstehen.16

Von der Gaswolke zum Protostern

Da die Kontraktion von gesamten Riesenmolekülwolken im Allgemeinen durch den Gasdruck und hinzukommende...