Todesgruben für Licht: Schwarze Löcher

Titelbild: NASA/ Hubble

Eines der faszinierensten Elemente im Universum sind sogenannte schwarze Löcher. Bereits seit über 200 Jahren spekuliert man über Himmelskörper, die so massereich sind, dass ihre Gravitation so groß ist, dass selbst Licht ihnen nicht entkommen kann. Mit der Entwicklung der Relativitätstheorie konnte man diese Überlegungen präzisieren und hat sie in den Jahrzehnten seitdem immer weiter präzisiert. Heute kann man schwarze Löcher recht genau modellieren.

Aber was genau ist ein schwarzes Loch?

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Eine Frage der Anziehung: Schwerkraft

Ich habe in der Vergangenheit schon einige Male eine der fundamentalen Kräfte beschrieben, die obwohl sie die schwächste dieser Kräfte ist, einen großen Einfluss auf unser Universum hat: Die Schwerkraft. Obwohl wir diese Kraft tagtäglich erleben – schon alleine, wenn wir über den Boden laufen – fehlt uns ein wirkliches Verständnis dafür. Nicht zuletzt, weil diese Kraft erst mit sehr großen Massen überhaupt spürbar wird.

Wie schon erwähnt, als wir uns Bahn der Erde um die Sonne näher angesehen haben, lässt sich die Stärke der Schwerkraft zwischen zwei Massen beschreiben durch:

(1)    F = G* •m1 • m2/r²

G* ist die universelle Gravitationskonstante, mit dem Wert 6,6741 • E-11 m³/(s² kg) hat (E-11 bedeutet 10 hoch minus 11).

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Ein Lied von Staub und Eis – Kometen

In der Vergangenheit habe ich schon über einige Himmelserscheinungen und -körper geschrieben, z.B. die Sonne, Sternenschnuppen oder Asteroiden. Doch gerade ist eine weitere Art von Himmelskörpern aktuell: Die Kometen. Der Komet Wirtanen wird am 16. Dezember der Erde wieder einmal sehr nah kommen – so nah, dass man ihn auch mit bloßem Auge sehen kann. Außerdem verbinden wir mit Kometen auch noch den Weihnachtsstern, der gerne als Stern mit Schweif in weihnachtlicher Dekoration dargestellt wird.

Auch wenn man heute eher daran zweifelt, dass der Stern von Bethlehem einen Kometen meinte, z.B. weil Kometen in der Antike üblicherweise mit Unheil und nicht mit etwas Gutem in Verbindung gebracht wurden, so sind sie dennoch faszinierende Objekte. 

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Wie groß ist groß? – Eine Frage des Maßstabs

Bild: Andrew Pontzen and Fabio Governato

Das Universum ist faszinierend. Für mich besonders durch die unglaublichen Abstände und Größen seiner Objekte. Diese lassen einen bescheiden werden.

Blickt man während eines Fluges aus dem Fenster kann man die Erdoberfläche ungefähr zehn Kilometer unter sich erkennen. Wenn man Glück hat und es ist nicht bewölkt, so entdeckt man vielleicht größere Strukturen wie Städte und natürlich Berge oder Flüsse. Im Landeanflug erkennt man dann schon mehr, irgendwann auch Autos und Personen.

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Die Erdoberfläche aus einigen Kilometern Höhe.

Verglichen mit der Länge des eigentlichen Flugs, der auch leicht tausende von Kilometern an Entfernung überbrücken kann, ist die Flughöhe allerdings nichts. Eine wirkliche Vorstellung haben wir aber eigentlich schon nicht von diesen Größen. Wie sieht es dann erst mit kosmischen Größen aus?

Sonnensystem


Stellt man sich das Sonnensystem so vor, dass die Sonne einen Durchmesser wie ein typischer Medizinball hat (also 26 cm), dann ist die Erde gerade einmal 2,3 mm groß, also etwas so groß wie ein Stecknadelkopf. Ihre Entfernung zur Sonne beträgt knapp 28 m,

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Der Erste macht das Licht an – Teil II

Ich habe vor einiger Zeit bereits über die Entdeckung sehr früher Galaxien geschrieben und möchte mich dem Thema noch ein wenig ausführlicher widmen. Jeder kennt das: Ein Auto fährt an uns vorbei und entfernt sich, wobei die Tonhöhe seines Geräuschs beim Näherkommen höher klingt als beim Entfernen. Ist das Auto an uns vorbei, so wird sein Ton tiefer. Das kennt man von der Autobahn oder von Einsatzfahrzeugen mit Sirene. Das liegt am sogenannten Dopplereffekt.

Benannt nach dem Astronom Christian Doppler bezieht man sich damit auf sich bewegende Quellen von Wellen, also z.B. einem Auto als Quelle einer akustischen Welle. Eine Welle ist Eine Form von Information, die sich ausbreitet mit einer

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Der erste macht das Licht an

Die Entwicklung des Universums startet mit dem Urknall. Wobei das nicht ganz stimmt. Zu Beginn war das Universum reine Energie und auf einen Punkt versammelt, in einer sogenannten Singularität. Für einen kurzen Zeitraum, ungefähr 10 hoch minus 43 Sekunden, danach versagen alle unsere existierenden mathematischen Beschreibungen der Physik, allerdings nimmt man an, dass die vier Grundkräfte sich noch nicht ausgebildet hatten. Für den Zeitraum vor der Singularität können wir ebenso keine Aussagen treffen, eben gerade wegen der Singularität, wo alle Gesetzmäßigkeiten ihre Gültigkeit verlieren.

Nach dem Urknall setze eine inflationäre Ausdehnung des gesamten Raums ein, danach folgte eine starke Abkühlung. Nach einem Alter des Universums von 10 Sekunden war die Temperatur auf eine Milliarden Kelvin gesunken (was ungefähr eine Milliarde Grad Celsius ist, 0 Kelvin entspricht -273,15° Celsius) und die Protonen und Neutronen entstanden und fusionierten zu Atomkernen. Dies dauerte drei Minuten an, danach war die Temperatur so weit abgesunken, dass eine Fusion nicht mehr möglich war und drei Viertel der entstandenen Materie waren Wasserstoffkerne, also Protonen.

Genau diese Protonen waren schließlich die ersten Bausteine für Sterne. Erst im späteren Verlauf des Universums haben sich Strukturen gebildet, die schließlich zu Galaxien wurden. Die ersten Galaxien können wir nicht sehen, aufgrund der Rotverschiebung. Genau wie sich der Ton eines Autos, dass an einem vorbeifährt, ändert, tiefer wird, passiert dies mit dem Licht. Diese Galaxien entfernen sich von uns, durch das expandierende Universum. Dadurch wird ihr Licht zu niedrigeren Frequenzen verzerrt, so dass sie „unsichtbar“ werden und nur noch in niederen Spektren sichtbar sind, vor allem Infrarot. Insgesamt sind Galaxien auch von Staubgürteln umgeben, die das Licht schlucken.

Wissenschaftlern ist es nun gelungen die Infrarotstrahlung von sehr alten Galaxien mittels einer speziellen Technik zu detektieren. Dabei konnten sie die älteste Spiralgalaxie aufspüren, die bisher bekannt ist: 11 Milliarden Jahre alt. Dazu haben sie den Gravitationslinseneffekt verwendet, d.h. die Beugung des Raums durch Gravitationsquellen.

Mit dem Large Millimeter Telescope (LMT) ist es kürzlich gelungen, die älteste Galaxis überhaupt zu detektieren, 12,8 Milliarden Jahre alt. In Zukunft werden wir noch bessere Möglichkeiten haben die ersten Galaxien aufzuspüren, mit dem James Webb Space Telescope, welches 2019 starten und nach dem „ersten Licht“ suchen soll, das durch die ersten Sterne und Galaxien erzeugt wurde.

Ist doch Schnuppe: Meteore, Meteoriden und Meteoriten

Eine Schnuppe ist der verkohlte Überrest eines Kerzendochts, eine Sternenschnuppe ist der verkohlte Rest eines Objekts, das in die Erdatmosphäre eingetreten ist und jeder kennt die typischen Leuchtspuren, die eine Sternenschnuppe am Himmel hinterlässt.

Diese Objekte tragen je nach Größe verschiedene Namen, wobei die Sternenschnuppen eher kleine Objekte sind. Sie haben eine Masse von wenigen Gramm und eine Größe zwischen einem und zehn Millimetern. Kleiner sind teleskopische Meteoriten und Mikrometeoriten, die eine Masse von Bruchteilen von Mikrogramm haben und weniger als ein Zehntel Millimeter haben. Erstere habe eine Größe von bis zu einem Millimeter und wiegen bis zu zwei Milligramm.

Sternenschnuppen erreichen Helligkeiten ungefähr so stark wie die Venus. Feuerkugeln sind die hellsten Objekte und strahlen noch heller. Alle von diesen Erscheinungen nennt man Meteore, wobei Meteoriden die dafür verantwortlichen Objekte sind, wenn sie sich in einer Umlaufbahn befinden und nicht auf die Erde fallen.

Wenn solche Staubkörner und Steinbrocken auf die Erde fallen, haben sie in der Regel eine hohe Geschwindigkeit relativ zur Erde – mitunter viele Kilometer pro Sekunde. Als Vergleich: ein normales Passagierflugzeug bewegt sich mit ca. 200 Metern pro Sekunde, ungefähr ein hundertstel einer typischen Geschwindigkeit für einen Meteor.

Aber warum sehen wir diese Objekte als helle Leuchterscheinungen? Die Geschwindigkeit ist eine Form von Energie und durch die Reibung an der Atmosphäre wird diese Geschwindigkeit umgewandelt, in diesem Fall in Wärme, also eine andere Form von Energie. Diese Wärme sorgt schließlich dafür, dass das Objekt so heiß wird, dass es glüht – und nicht nur das Objekt selbst, sondern auch die Luft davor. Dadurch bildet sich ein Plasma, welches leuchtet. Ähnlich wie bei einem Überschallflugzeug kann sich auch ein Überschallknall bilden, der als Donner wahrgenommen werden kann.

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Ein Meteorit auf der Erde. (CC BY-SA 3.0, Wikipedia)

Meteore sind interplanetarer Staub, selten auch interstellaren Ursprungs und mitunter erreichen Teile von ihnen auch die Erdoberfläche, welche man als Meteoriten bezeichnet. Sie können verschiedene Zusammensetzungen haben und erlauben einen guten Einblick in das Material, welches im Sonnensystem zu finden ist und woraus es zusammengesetzt ist. Da alle Elemente außer Wasserstoff durch Kernfusion und andere Prozesse in Sternen entstehen, handelt es sich bei diesen Stoffen im Grunde aber tatsächlich um Sternenasche – also Sternenschnuppen.