Universum

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Die Geburt eines Sterns dauert etwa 1 Million Jahre. Nach dem Durchleben einer unruhigen Anfangsphase kann ein Stern, wenn seine Masse nicht größer als 1,4 Sonnenmassen ist, für einen Zeitraum von rund 8 Milliarden Jahren als Hauptreihenstern ohne nennenswerte Störungen existieren. Danach ist der Wasserstoffvorrat im Kern aufgebraucht und es beginnt nun die Kernverschmelzung des im vorangehenden Leben erzeugten Heliums.

Zuvor wird sich der Kern aber verdichten, weil durch den nachlassenden Strahlungs- und Gasdruck nun die Gravitation überwiegt. Sie ist stets nach innen gerichtet und presst die Materie im Zentrum immer weiter zusammen, wodurch die Temperatur stetig ansteigt, bis schließlich das Helium fusioniert wird. Ist dieses verbraucht, beginnt das Kohlenstoffbrennen, der "Asche" aus der Heliumfusion. Nach und nach werden so immer schwerere Elemente ausgebrütet, bis der Kern bei sehr massiven Sternen zum Schluss nur noch aus Eisen besteht. Diese Prozesse sind abhängig von der Sternmasse, bei einem Zwergstern wie unserer Sonne ist das Ende erreicht, wenn der Kern nur noch aus Kohlenstoff und Sauerstoff besteht. Weitere Fusionen sind dann nicht mehr möglich, denn die Gravitation des Sterns reicht nicht mehr aus, um den Kern durch das Zusammenpressen entsprechend aufzuheizen.

Mit dem Ende des Wasserstoffbrennens im Kern (es wird nur noch Wasserstoff in einer den Kern umgebenden dünnen Schale fusioniert) wird auch weniger Energie freigesetzt. Das führt dazu, dass jetzt die Gravitation den Kern immer weiter kontrahieren lässt, wodurch dieser sich enorm aufheizt. Daraus resultiert letzten Endes ein Aufblähen des Sterns auf riesige Abmessungen, was wiederum eine Abkühlung der äußeren Hülle zur Folge hat. Der Stern wird zu einem Roten Riesen. Unserer Sonne ist dieses Schicksal natürlich auch beschieden und sie wird eines fernen Tages die inneren Planeten, vielleicht auch die Erde, verdampfen.

Planetarischer Nebel BD+30 3639Diese Aufnahme des Chandra- Röntgensatelliten zeigt den Planetarischen Nebel BD+30 3639 in 5000 Lichtjahren Entfernung. Man sieht eine sich ausdehnende, 3 Millionen [K] heiße Gasblase mit 100-fachem Durchmesser des Sonnensystems. Sie entstand durch einen Roten Riesen, der an seinem Lebensende seine gesamte äußere Hülle abgestoßen hat. Die dabei entstandene Schockwelle führte zur Aufheizung der Gasblase. In ihr verborgen ist der Rest des ehemals sonnenähnlichen Sterns, ein Weißer Zwerg.

Ist das Helium im Kern verbraucht, zieht sich der Stern etwas zusammen, bis das Kohlenstoffbrennen einsetzt. Danach dehnt er sich erneut aus, weil ja im Kern wieder mehr Energie freigesetzt wird. Über ein paar Jahrtausende wird der Stern so pulsieren und noch die im Kernbereich freigesetzte Energie abstrahlen. Können keine Kernreaktionen mehr ablaufen, wird der innere Stern durch die nun ungehindert einwirkende Gravitation kollabieren, was recht schnell erfolgt. Im Zentrum des Sterns wird keine Energie mehr freigesetzt, die bislang den notwendigen Strahlungs- und Gasdruck zur Erhaltung des Gleichgewichtes gegenüber der Gravitation lieferte.

Sirius A und BSirius, der hellste Stern am Himmel (-1m5) hat einen Begleiter (Sirius B), welcher 10 Größenklassen schwächer ist. Dieser Weiße Zwerg hat eine Temperatur von 25 000 [K], seine Größe beträgt aber nur ¾ des Erddurchmessers und umkreist Sirius A in engem Abstand. Würde man auf Sirius B spazieren gehen, so wäre man 400 000 Mal schwerer als auf der Erde.

Der Kernbereich stürzt nun innerhalb einer Sekunde in sich zusammen, bis seine Materie soweit zusammen gepresst ist, dass sie entartet. Der Kollaps kommt zu diesem Zeitpunkt schlagartig zum Stillstand, denn der Entartungsdruck der Elektronen lässt keine weitere Kompression des Kerns mehr zu. Bis jetzt hat die Hülle des Sterns noch gar nichts von den Vorgängen im Innern "bemerkt". Doch nun stürzt sie im freien Fall auf den Kern herab, aber dieser ist absolut hart und unnachgiebig.

Weißer Zwerg in M2-9Manchmal scheint es so, als ob Sterne nach ihrem "Tod" einen schöneren Anblick bieten als zu Lebzeiten. Hier ist das Ende eines sonnenähnlichen Sterns zu sehen (obwohl im Zentrum des Gebildes sich zwei Sterne umkreisen). Dieser Stern hat den so genannten Schmetterlingsnebel (ein Planetarischer Nebel) mit der Bezeichnung M2-9 gebildet, die abgestoßene Hülle bietet einen imposanten Anblick.

Der Impuls der einstürzenden Gasmassen wird beim Aufprall auf den kollabierten Kern umgedreht und durch eine Art Überschallknall bläst der Stern dabei einen großen Teil seiner Hülle in den Raum. Dieser Masseverlust wird ergänzt durch den mit ansteigender Leuchtkraft stetig zunehmenden Sternenwind, einem stetigen Partikelstrom, der z.B. unser ganzes Planetensystem als Sonnenwind durchzieht. Zum Ende dieser Prozesse ist fast die gesamte Hülle abgeblasen, welche uns fortan als bereits erwähnter Planetarischer Nebel erfreut. Dabei hat der Stern einen großen Teil seiner ursprünglichen Masse in Form von Wasserstoff, Helium, Stickstoff, Kohlenstoff, Sauerstoff und anderen Elementen an den interstellaren Raum zurückgegeben.

Der nun freigelegte Kern ist soweit verdichtet, dass ein Kubikzentimeter seiner Materie eine Tonne wiegt! Wollte man auf seiner Oberfläche spazieren gehen, müssten unsere Beine ein Gewicht von rund 600 Tonnen tragen! Durch die starke Gravitation sinken die restlichen schwereren Gase wie Helium nach unten auf die Oberfläche des Weißen Zwergs, während der leichtere Wasserstoff aufsteigt.

Das ist der Grund, warum viele Weiße Zwerge ein reines Wasserstoffspektrum zeigen, wir haben es mit so genannten DA- Sternen zu tun, (D kommt vom englischen dwarf = Zwerg). Andere, die keinen Wasserstoff mehr besitzen, weisen dagegen im Spektrum nur noch Helium auf (DB- Stern), weil dieses nun die obere Sternatmosphäre bildet.

Warum stürzt der übriggebliebene Kern nicht weiter in sich zusammen, da er doch keinen Strahlungsdruck und damit keine Wärme mehr erzeugen kann, sondern nur noch der Gasdruck der Gravitation entgegenwirkt? Nun, der Kern ist im Laufe des Sternenlebens ja immer weiter verdichtet worden, vor allem in den letzten Stadien. Dabei kann seine Innentemperatur bis auf 1 Milliarde (!) [K] ansteigen, was wiederum bedeutet, dass alle Atome ionisiert, das heißt von ihren Elektronen vollständig befreit sind. Wir haben es also mit einem so genannten Plasma zu tun, welches aus den "nackten" Atomkernen und den nun frei beweglichen Elektronen besteht.

In der Quantenphysik gilt, dass sich zwei Elektronen (oder andere Teilchen [Fermionen]) nicht beliebig nahe kommen können (Pauli- Verbot). Sie haben unter den Bedingungen im hochverdichteten und ultraheißen Sterninnern nur noch eine Ausweichmöglichkeit, die darin besteht, dass sie sich immer schneller bewegen. Und zwar bis in den Bereich der Lichtgeschwindigkeit! Diese irrsinnig beschleunigten freien Elektronen üben den Druck aus, der eine weitere Kontraktion verhindert. Materie in diesem Zustand nennt man entartet; die Elektronen setzen nun der Gravitation ihren Entartungsdruck entgegen und der weitere Kollaps kommt zum Stillstand.

Allerdings ist auch hier wie allem in der Natur eine Grenze gesetzt: überschreitet die Masse des Restkerns etwa das 1,4- fache der Sonnenmasse - die so genannte Chandrasekhar- Grenze - kann auch der Druck der entarteten Elektronen einem noch weitergehenden Kollaps nicht mehr standhalten und je nach Restmasse wird sich ein Neutronenstern oder gar ein Schwarzes Loch bilden.

Der Reststern, nun zu einem Weißen Zwerg in Erdgröße mit einer Oberflächentemperatur von bis zu 200 000 [K] geworden, strahlt fortan über einen Zeitraum von mehreren Milliarden Jahren seine gesamte ihm noch innewohnende Energie ab (wohlgemerkt: Wärmeenergie, keine Fusionen mehr!), bis er völlig ausgekühlt ist. Er wird dann für alle Zukunft als Schwarzer Zwerg durch den Kosmos irren. Die Abkühlphase dauert jedoch sehr lange - seit Bestehen unserer Galaxis ist noch kein einziger Weißer Zwerg unter 4000 [K] abgekühlt!



Eine riesige Anzahl dieser Sterne bevölkert unsere Galaxis, und auch die Sonne wird eines Tages zu solch einem Schlackeklumpen. Sonderbar ist, dass dieser entartete Gasball bei Erreichen einer Temperatur von 4000 [K] beginnt zu kristallisieren. Und so seltsam es klingen mag, die Entartung verschwindet nicht, auch bei noch so starker Abkühlung. Sie könnte nur durch eine Temperaturerhöhung zurück genommen werden, aber das bleibt dem Reststern für alle Zeiten vorenthalten. Ist der Weiße Zwerg Bestandteil eines Doppelsternsystems, so kann zwischen beiden Partnern ein heftiger Materieaustausch stattfinden, was ein noch bedeutend katastrophaleres Ende des Sterns zur Folge hätte. Der kleine Stern kann dann nämlich durch Akkretion von Materie einer sehr bewegten Zukunft entgegen sehen (siehe hierzu das nächste Kapitel Novae).

 

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Noave

Auch schon in Zeiten, in denen Menschen zur Beobachtung des Himmels noch keine oder nur schwache Fernrohre zur Verfügung standen, wurde hin und wieder das Aufleuchten eines neuen Sterns festgestellt, wo zuvor noch keiner zu sehen war. Sie nannten ihn deshalb Nova, abgeleitet aus dem Lateinischen novus = neu. Heute wissen wir allerdings etwas mehr darüber, denn es ist nicht ein neuer Stern der da plötzlich erscheint, sondern einer, der gerade explodiert ist!

Bei einer Nova strahlt der ehemalige Stern innerhalb von ein oder ein paar Tagen um den Faktor 10 000 heller als zuvor (bezogen auf das sichtbare Licht). Diese Helligkeit sinkt dann im Laufe von mehreren Wochen langsam ab, es ergibt sich dabei eine recht typische Lichtkurve.

Der "Feuerwerknebel", Nova GK PerseiIn einer Nacht im Jahre 1901 erstrahlte plötzlich ein neuer Stern im Sternbild Perseus am Nachthimmel. Er war einige Zeit der hellste sichtbare Stern. Heute sehen wir die Reste der abgestoßenen Hülle wie ein Feuerwerk im Fernrohr. Etwa alle 3 Jahre hat der Weiße Zwerg in der Bildmitte noch immer einen kleineren Ausbruch, dessen Ursache aber bislang unbekannt ist.

Was aber geschieht hier in einem solchen Szenario? Novae (so nennen wir die Mehrzahl von Nova, auch geschrieben und gesprochen als Novä) entstehen in Doppelsternsystemen, bei denen der eine Partner regelmäßig ein Weißer Zwerg ist. Dieser erdgroße Sternenüberrest besteht aus verbrannter Kernmaterie (Kohlenstoff und Sauerstoff) in Form entarteter Materie.

Die Primärkomponente des Systems ist ein Stern, welcher im fortgeschrittenen Entwicklungsstadium zu einem Roten Riesen aufgebläht ist und nun seine Roche- Grenze ausfüllt. Hierdurch kann Materie, vorwiegend Wasserstoff, auf den Zwergstern überströmen, weil dieser erdgroße Winzling ein enormes Gravitationsfeld aufweist (immerhin kann seine Masse bis zu 1,4 Sonnenmassen betragen). Diese Materie spiralt nun in einer Akkretionsscheibe auf den kleinen Stern hinab, wodurch ihre Geschwindigkeit extrem zunimmt und durch die starke Reibung der Materieteilchen untereinander auch deren Energieinhalt, sprich Temperatur. Schon in der Scheibe kann es gelegentlich zu Explosionen kommen.

Nun trifft die Materie auf den Weißen Zwerg und bildet eine Wasserstoffhülle (Atmosphäre) um den Kern. Sie übt natürlich erheblichen Druck auf die darunter liegenden Schichten aus. Dadurch steigt die Temperatur auf 40, ja sogar bis auf mehrere 100 Millionen [K]. Unter solchen Bedingungen entartet die Materie der Hülle ebenfalls. Das bedeutet, dass sie sich bei ansteigender Temperatur nicht ausdehnt, wie es bei normaler Materie der Fall wäre.

An einem bestimmten Punkt wird allerdings eine kritische Masse (etwa ein Zehntausendstel Sonnenmasse) der Hülle erreicht, bei deren Überschreitung jetzt Kernfusionen des Wasserstoffs explosionsartig einsetzen. Die kritische Masse ist abhängig von der Masse des Weißen Zwerges. Je höher diese ist, umso niedriger liegt die kritische Masse der Hülle. Das hängt damit zusammen, dass bei größerer Masse des Kerns sein Radius abnimmt, wodurch die Gravitation an der Oberfläche zunimmt. Die Bedingungen für die Zündung von Kernreaktionen werden dadurch begünstigt.

Uhrglas- NebelIm Zentrum dieses Nebels befinden sich zwei sehr unterschiedliche Sterne. Der eine Partner ist ein nur erdgroßer Weißer Zwerg mit der Masse unserer Sonne. Der andere Stern besitzt ebenfalls die Masse der Sonne, seine Ausdehnung würde sich jedoch bis zur Erdumlaufbahn erstrecken, es ist ein Roter Riese. Von diesem zieht der Zwerg stetig Materie ab, welche ihn in einer Akkretionsscheibe umgibt. Man glaubt, dass der Nebel, wegen seiner eigentümlichen Form Uhrglas- Nebel genannt, durch eine thermonukleare Explosion entstand, eine Nova.

Die Temperatur springt jetzt, nach Erreichen der kritischen Masse, schlagartig auf 150 bis 300 Millionen [K] an. Durch Konvektion wird die freiwerdende Energie nach außen transportiert, womit auch gleichzeitig frischer Brennstoff in die untere Reaktionszone gelangt. Helium wird jetzt aus Wasserstoff synthetisiert, und zwar umso schneller, je mehr Kohlenstoff- (C), Stickstoff- (N) oder Sauerstoffkerne (O) vorhanden sind, da diese als Katalysator wirken (CNO- Zyklus).

Das alles geschieht sehr schnell, wobei schlagartig eine Energiemenge frei wird, für deren Abstrahlung unsere Sonne 10 000 Jahre benötigen würde! Das bleibt nicht ohne Folgen. Der Stern bläst seine äußere Hülle mit einer Geschwindigkeit von 1000 [Km/s] fort, welche fortan für lange Zeit als leuchtende Gashülle (Nebelwolke) zu beobachten ist. Direkt nach Beginn der Expansion ist die äußere Hülle noch etwa 300 000 [K] heiß, weshalb sie Strahlung in Form energiereicher UV- und weicher Röntgenstrahlung emittiert.

Die Hülle kühlt sich natürlich mit zunehmender Ausdehnung wieder ab, so dass die Strahlung in den sichtbaren Bereich verschoben wird (energieärmer; abnehmende Frequenz). Das Helligkeitsmaximum wird bei etwa 7000 bis 10 000 [K] erreicht, wodurch dann der Stern als Nova sichtbar wird.

Ist die Hülle fort geblasen, bleibt der eigentliche Stern weiterhin existent, und er kann wiederum aus dem interstellaren Raum oder von seinem Begleiter Materie ansammeln, so dass es irgendwann erneut zur Nova kommen wird. Wir sprechen dann von einer so genannten rekurrierenden Nova. Hat der Weiße Zwerg eine Masse nahe der Chandrasekhar- Grenze von 1,4 Sonnenmassen und ist sein Begleiter ein Roter Riese, der immer wieder genügend Materie liefern kann, so wird vielleicht schon in 10 Jahren wieder eine Nova an gleicher Stelle zu beobachten sein.

st die Masse des Weißen Zwerges und/oder seines Begleiters geringer (der Begleiter liefert weniger Materie), wird der (unregelmäßige) Zyklus entsprechend größer. Natürlich spielt dabei auch die Distanz beider Komponenten eine Rolle, wie auch die zur Verfügung stehende umgebende interstellare Materie. Selbst die einst abgestoßene Hülle kann wieder Material für den nächsten Ausbruch liefern.
Zu diesem Thema siehe auch Veränderliche, kataklysmische Sterne.

Binärsystem BZ Camelopardis (Giraffe)Das binäre Sternsystem BZ Camelopardis (Giraffe) ist den Astronomen bis heute ein Rätsel. Es liegt in 2500 Lichtjahren Entfernung und hier sollte Materie von einem großen Begleiter auf einen Weißen Zwerg überfließen. Doch kommt es nicht zu Nova- Ausbrüchen, vielmehr beobachtet man nur ein Flackern des Lichts. Das System erzeugt aber durch eine Schockwelle eine riesige bogenförmige Gasblase. Warum es dazu kommt und durch welchen Mechanismus ist noch nicht bekannt. Wie viele andere Objekte im Universum geben uns auch heute noch Novae so manches Rätsel zu lösen auf.

Massereiche Sterne

Sterne, deren Masse um ein Vielfaches größer ist als die unserer Sonne, verbrauchen ihren Kernbrennstoff sehr schnell. Druck und Temperatur im Sternzentrum sind von Beginn an viel höher, weshalb die Kernfusionen deutlich rascher ablaufen. Der Gravitationskollaps am Lebensende eines solchen Giganten ist dann eine wirkliche Katastrophe. Sonnenähnliche Sterne können sich noch langsam und relativ undramatisch zu Weißen Zwergen entwickeln, sie können später noch einmal um den Faktor 10 000 heller erstrahlen, wenn aus ihnen eine Nova entsteht.

Die gewaltige Explosion eines massereichen Sterns zur Supernova jedoch ist tagelang milliardenfach heller als der Ursprungsstern, ja er leuchtet heller als die gesamte, aus Milliarden von Einzelsternen bestehende Galaxie! In dieser mehrere Tage andauernden Phase kann soviel Energie abgestrahlt werden, wie unsere Sonne in ihrer gesamten, etwa 10 Milliarden Jahre währenden Lebensspanne erzeugt (etwa 1044 [J]!).

Dem alternden, massereichen Stern bieten sich am Ende mehrere Möglichkeiten, die nur von seiner Masse abhängen. Beim Massebegriff stoßen wir jedoch schon auf die erste Hürde: welche Masse ist gemeint, die Anfangsmasse, die Masse des kollabierenden Kerns oder die gesamte Endmasse des Sterns? Schließlich verliert jeder Stern im Laufe seiner Existenz Materie, z.B. in Form von Sternwinden. Betrachten wir zunächst die Ausgangsmassen der so genannten Vorläufersterne, also den Sternen, die dem Endstadium voraus gehen:

* Bis etwa 10 Sonnemassen bilden sich Weiße Zwerge
* Zwischen 8 und 25 Sonnenmassen entsteht in einer Supernova des Typs II (siehe weiter unten) ein Neutronenstern
* Von 25 bis 140 Sonnenmassen entstehen in einer Supernova SN II oder Hypernova bei großen Massen stellare Schwarze Löcher
* Zwischen 140 und 260 Sonnenmassen entstehen so genannte Paarinstabilitäts- Supernovae, wobei der Stern völlig zerstört wird
* Über 260 Sonnemassen entstehen wieder Schwarze Löcher

Nun mag man sich wundern, Sterne von 260 Sonnenmassen, wo doch auf dieser Homepage stets nur eine Massenobergrenze für Sterne von etwa 120 bis 140 Sonnenmassen genannt wird? Nun, dazu später mehr. Wesentlich für das "Endergebnis" ist die Masse des kollabierenden Kerns im Sternzentrum, hier haben wir die 3 schon bekannten Möglichkeiten:

* Bis zur Chandrasekhar- Grenze von 1,4 Sonnenmassen bilden sich Weiße Zwerge
* Oberhalb von 1,4 bis zu etwa max. 2,8 bis 3 Sonnenmassen entstehen Neutronensterne
* Mehr als 3 Sonnenmassen führen unweigerlich zu Schwarzen Löchern

Eine Ausnahme bilden wieder die Paarinstabilitäts- Supernovae, die noch zu besprechen sind.

Supernova SN 1987A

 

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Dramatische Ereignisse wie Supernovae wurden früher überaus selten entdeckt, und so setzte man zur Benennung nach SN und der entsprechenden Jahreszahl einfach einen fortlaufenden Buchstaben, z.B. SN 2003F. 1954 wurden jedoch zum ersten Mal mehr als 26 Ereignisse gezählt, seitdem wird ab der 27. Supernova der Großbuchstabe durch 2 Kleinbuchstaben ersetzt, also von "aa" bis "zz". 2006 wurde bis 551 gezählt, was dann die Bezeichnung SN 2006ue ergab. Meistens sind massereiche Sterne in großen Entfernungen explodiert wenn wir sie entdecken und es war schon ein großes Glück für die Astronomen, als am 23. Februar 1987 in der Großen Magellanschen Wolke eine Supernova, SN 1987A, aufleuchtete, die während ihrer gesamten Entwicklung beobachtet werden konnte. Zumal der Vorläuferstern, ein Überriese der Spektralklasse B3 mit Namen Sanduleak -69° 202a, recht gut bekannt und nicht allzu weit von uns entfernt war (der Name stammt von einem Verzeichnis heißer, blauer Sterne von Nicholas Sanduleak). SN 1987A erstrahlte in den Außenbereichen des Tarantel- Nebels in 168 000 Lichtjahren Entfernung derart hell, dass sie auf der Südhalbkugel mit bloßem Auge sichtbar war.

Man unterscheidet Supernovae grob in zwei Klassen (es gibt noch weitere Unterklassen zur besseren Unterscheidung), die Typen SN I und SN II:

Supernova Typ SN I

Supernovae vom Typ SN I weisen keine Wasserstofflinien im Spektrum auf was bedeutet, dass SN I diesen bereits vor der Explosion verloren haben muss. Das Szenario ist ähnlich wie bei den Novae: in einem Doppelsternsystem wird ein Roter Riesenstern von einem Weißen Zwerg begleitet. Dieser kompakte, überwiegend aus Kohlenstoff und Sauerstoff bestehende Zwergstern saugt von seinem Begleiter ständig Materie ab, weil dieser seine Rochesche Grenze überschritten hat. Sie spiralt dann in einer Akkretionsscheibe auf den Zwerg herunter, dessen Masse dementsprechend laufend zunimmt.

Zwar schleudert der Weiße Zwerg einen Teil der Materie während der Nova- Explosionen in den Raum, wenn sich genügend Wasserstoff auf seiner Oberfläche ansammelte und dann schlagartig fusionierte. Auf Dauer gesehen wird er aber an Substanz zunehmen, da ein Rest an Helium- Asche zurück bleibt. Im Laufe der Zeit steigen damit seine Dichte und seine Temperatur, während sein Durchmesser schrumpft. Noch bietet das entartete Elektronengas der einwirkenden Gravitation neutralisierenden Gegendruck, aber nach Überschreiten der Chandrasekhar- Grenze von etwa 1,4 Sonnenmassen funktioniert das nicht mehr. Es bilden sich nun zunächst im Innern des Sterns einzelne Inseln aus, in denen Fusionen einsetzen. Diesen Vorgang bezeichnet man als Deflagration, (lat., deflagrare, "abbrennen"). Die Deflagration ist eine "Verbrennung", diese Zellen pflanzen sich dann weiter nach außen fort durch die Aufheizung der Umgebung und das geschieht noch mit einer Geschwindigkeit unterhalb der im Medium möglichen Schallgeschwindigkeit. Das Ganze geht aber bald in eine Detonation über, bei der die Ausbreitungsgeschwindigkeit über der Schallgeschwindigkeit liegt und der eine Stoßwelle vorangeht.

Supernovae in NGC 664Gleich zwei Supernovae sind in der 300 Millionen Lichtjahre entfernten Spiralgalaxie NGC 664 explodiert. In relativer Nachbarschaft gingen hier zwei Bomben hoch, von denen jede eine Sprengkraft von 1030 Megatonnen TNT (!) besaß. Diese Aufnahme besitzt Seltenheitswert, denn normalerweise ist in einer Spiralgalaxie nur alle 25 bis 100 Jahre eine Supernova zu beobachten. Das Blau der einen Supernova ist begründet in einer wesentlich höheren Temperatur.

Die Temperatur in der Kernzone ist auf 400 Millionen [K] angestiegen und der Kohlenstoff (12C) zündet. Die bei dieser thermonuklearen Reaktion freigesetzte Energie heizt nun das entartete Gas des Sterns auf, aber es dehnt sich nicht aus, wie es ja ein normales Gas tun würde, sondern bleibt von der ansteigenden Temperatur unbeeindruckt. Dadurch finden die Fusionen in noch schnellerer Folge statt, denn sie werden naturgemäß durch hohe Temperaturen begünstigt.

Innerhalb von Sekundenbruchteilen steigt die Temperatur sprunghaft auf einige Milliarden [K] im Zentrum an und alles vorhandene Brennmaterial wird in Nickel (56Ni) umgewandelt. Nun wandert die Fusionswelle immer weiter nach außen. Ihr läuft eine Druck- bzw. Stoßfront voraus, wodurch sofort neue Kernverschmelzungen zünden. Je weiter die Front jedoch nach außen gelangt (mit einem Tempo von bis zu 1000 [Km/s]), umso verdünnter werden die einzelnen Schichten und auch der Grad der Entartung nimmt ab. In Zonen geringerer Dichte wird Silizium in großen Mengen erzeugt.

Die Verbrennung wird immer weniger vollständig, und die äußeren Schichten werden durch die Stoßfront völlig unverändert in den Raum geblasen. Da der Stern nur einen Radius von 3000 [Km] besaß, ist der gesamte Vorgang nach drei Sekunden abgeschlossen, die größte bekannte Kernexplosion ist erfolgt. Der Kollaps zum Neutronenstern wird durch die thermonukleare Supernova SN Ia verhindert.

1994 ereignete sich in der äußeren Randregion der diskusförmigen Galaxie NGC 4526 eine Supernovaexplosion Sie war vom Typ SN Ia, wie die Astronomen aus der Lichtkurve ableiten konnten. Diese Supernovae sind für die Wissenschaftler nicht nur hinsichtlich der Entwicklung der Sterne interessant, sondern sie dienen auch als so genannte Standardkerze zur Entfernungsbestimmung. Dies deshalb, weil hier immer wieder derselbe Sterntypus explodiert, die Helligkeit der Supernova darum stets gleiche Werte aufweist und sich der Supernovatyp eindeutig anhand der Lichtkurve identifizieren lässt.

er Weiße Zwerg existiert jetzt nicht mehr, seine gesamte Materie wurde ins All geblasen. Die expandierende Hülle verliert nach und nach ihre Leuchtkraft, die sich aber noch zweimal gegen das absolute Ende aufbäumt: Das bei der Explosion gebildete Nickel- Isotop (56Ni) ist nicht stabil (Halbwertszeit 6 Tage) und zerfällt bald in Kobalt (56Co, Halbwertszeit 77 Tage) unter Abgabe eines Gamma- Photons. Dieses kann aber die expandierende Hülle nicht einfach verlassen, sondern überträgt seine Energie auf mit ihm zusammenprallende Teilchen.

Dadurch heizt sich die Hülle noch weiter auf und strahlt für kurze Zeit so hell wie 5 Milliarden Sonnen. Bald zerfällt auch das Kobald-56, welches ebenfalls nicht stabil ist, in das stabile Eisen-56 56Fe, wobei wiederum ein Gamma- Quant frei wird und die Hülle ein letztes Mal aufheizt.

Neben dem beschriebenen Typ SN Ia, der in seinem Spektrum Silizium enthält, unterscheidet man noch die siliziumfreien Spektren von SN Ib mit viel Helium und SN Ic mit wenig Helium.

Supernova Typ SN II

Wie bereits weiter oben erwähnt, ist eine Supernova vom Typ II das Ende eines massereichen Sterns. Zum Ende seiner thermonuklearen Brennphase weist er in seinem Innern einen kompakten Kern aus Eisen und Nickel auf, der nicht weiter fusionieren kann. Seine Masse liegt bei etwa 1 bis 1½, maximal bei ca. 3 Sonnenmassen (Tolman-Oppenheimer-Volkoff-Grenze). In den ihn umgebenden Schalen laufen jedoch noch verschiedene Kernprozesse ab, u.a. das Siliziumbrennen in der den Kern überlagernden Schale, wobei noch weiter Eisen erzeugt wird, welches letztendlich die Masse und die Temperatur des (entarteten) Kerns weiter erhöht.

Lichtkurve einer SN II Die Helligkeitskurve einer SN II ist wesentlich unregelmäßiger als beim Typ SN I. Nach dem Maximum folgt ein steiler Abfall über ca. 25 Tage. Sodann bleibt die Helligkeit 50 bis 100 Tage etwa konstant, worauf sie wieder steil abfällt. Bei den Supernovae SN II unterscheiden wir folgende Typen:

* Normale SN II: Ausgeprägte Wasserstofflinie im Spektrum
* SN IIb: Linie von Helium im Spektrum dominant
* SN IIL: Linear abnehmende Lichtkurve
* SN IIP: Lichtkurve bleibt nach Helligkeitsmaximum zunächst plateauartig auf hohem Niveau
* SN IIn: Ein wenig Wasserstoff im Spektrum

Weil keine Fusionsprozesse mehr im Sternzentrum ablaufen können, erlischt auch der Energienachschub. Bis jetzt hatten Gas- und Strahlungsdruck der nach innen einwirkenden Gravitation Einhalt geboten, jetzt aber wird der Kern immer mehr zusammengequetscht. Ab einem bestimmten Punkt, die Temperatur beträgt nun etwa 5 bis 10 Milliarden [K], wird er instabil. Er ist plötzlich so stark komprimierbar, dass er im Freien Fall in sich zusammen stürzt. Bei der genannten Temperatur sind die im Kern vorhandenen Gamma- Quanten derart reaktiv, dass sie die Eisen- und Nickelkerne in Alphateilchen (= Heliumkerne, 2 Protonen und 2 Neutronen) aufspalten. Man nennt dies Fotodissoziation - Aufspaltung von Teilchen durch Photonen (auch als Fotodesintegration bezeichnet). Die Dichte im Kern beträgt jetzt unvorstellbare 10 Milliarden Gramm pro Kubikzentimeter.

Die Elektronen werden so nahe an die Protonen und Alpha- Teilchen gebracht, dass sie sich mit ihnen zu Neutronen vereinen. Bei dieser Reaktion werden Myriaden von Neutrinos freigesetzt, welche den Kern mit fast Lichtgeschwindigkeit verlassen. Doch je weiter der Kern kollabiert, umso schwieriger wird es auch für die Neutrinos, diesem zu entweichen, und am Ende ist es ihnen nicht mehr möglich.

Der gesamte Vorgang währt nur Millisekunden, und nach einer Viertelsekunde ist der Kern soweit kollabiert, dass er praktisch nur noch aus Neutronen in dichtester Packung besteht und seine Dichte derjenigen von Kernteilchen entspricht (4×1014 [g cm-3]). Jetzt aber kommt der Kollaps schlagartig zum Stillstand, da die Neutronen in der dichtesten Packung vorliegen und nicht weiter komprimierbar sind. Aus dem ehemals über erdgroßen, eisernen Sternzentrum hat sich ein Neutronenstern von nur noch etwa 20 [Km] Durchmesser gebildet.

Durch das Fehlen des Energienachschubs aus dem Zentrum kommt der Stern nun vollkommen aus dem hydrostatischen Gleichgewicht. Erst jetzt nämlich merkt die Hülle, dass ihr quasi der Boden unter den Füßen weggezogen wurde und der Rest des Sterns beginnt, im Freien Fall auf die Kernregion hinunter zu stürzen. Die herab fallenden Massen werden jedoch schlagartig beim Auftreffen auf das superharte Zentrum gestoppt und umgelenkt. Jetzt durchlaufen sie mit anfangs 30 000 [Km/s] in Gegenrichtung den Rest des Sterns und erzeugen beim Aufprall auf die noch im Fall befindliche Materie eine Schockwelle. Diese erreicht nach mehreren Stunden die äußeren Bereiche des Sterns (man bedenke die Ausmaße eines Sterns!) und führt letztendlich zum Abstoßen der gesamten Hülle.

 

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Diesen Vorgang sehen wir dann als Supernova und bezeichnen ihn aufgrund der Vorkommnisse als Kernkollaps- Supernova, gelegentlich auch als hydrodynamische Supernova. Übrig bleibt nach dem ganzen Schauspiel allein der Neutronenstern. Eigentlich sind die Vorgänge im Sterninnern noch komplizierter als hier beschrieben, denn in den einzelnen Schalen des Sterns werden durch die Kompressionen der Stoßfront (Dichte- und Temperaturerhöhung) weitere, blitzartige Kernfusionen gezündet, wobei Elemente vom Helium bis zum Nickel (56Ni) entstehen. Das erhöht zusätzlich die Geschwindigkeit der Druckwelle und am Ende entfliehen die Gasmassen mit Millionen von Kilometern pro Stunde dem Ort des Geschehens.

Die Energie einer Supernova ist so hoch, dass sogar noch schwerere Elemente wie z.B. Gold, Kupfer, Blei oder Uran gebildet werden. Das geschieht aber nur noch durch Einfang von Neutronen und/oder Protonen im so genannten r- Prozess (von engl. rapid = schnell). Diese ausgeworfenen Reaktionsprodukte (die "Sternasche") reichern dann das interstellare Medium mit frischem Material an, welches später vielleicht wieder zur Bildung eines neuen Sterns und von Planeten herangezogen wird. Rund die Hälfte derjenigen Elemente, die schwerer als Eisen sind (eine höhere Masse im Atomkern aufweisen) und die wir auf den Planeten finden, stammt aus solchen Supernovaexplosionen. Der Rest wird im s- Prozess (von engl. slow = langsam) in relativ massearmen Sternen erbrütet und später, wenn sie das Riesenstadium im HR- Diagramm erklommen haben, ins All geblasen.

Liegt die Masse des kollabierenden Kerns über 3 Sonnenmassen, so entsteht im Sterninnern kein Neutronenstern mehr, sondern ein stellares Schwarzes Loch. Das auf diesen Kollaps folgende Szenario ist keine Supernova, sondern wir werden Zeuge einer noch um den Faktor 100 stärkeren Hypernova.

Supernova- Überrest in VelaVor 11 000 Jahren explodierte im Sternbild Vela (Segel) eine Supernova. Noch heute kann man die fortgeblasene Sternhülle als zarten Schleier erkennen. Die verschiedenen Farben des Materieschleiers deuten auf unterschiedliche Energieinhalte der Schockfronten hin, welche die Hülle abstießen. Im Zentrum der Reste befindet sich heute ein Neutronenstern, ein Pulsar, welcher sich 10 Mal pro Sekunde um seine Achse dreht. Der helle Stern ist ein Vordergrundstern.

Neutrinos

Bei einem Neutronensterns wird das negativ geladene Elementarteilchen Elektron in das positive Proton gedrückt, wodurch ein (neutrales) Neutron entsteht (inverser ²- Zerfall). Die Masse des Neutrons sollte logischerweise der Summe der Massen von Elektron und Proton entsprechen.

Dies ist jedoch nicht der Fall, denn das Neutron ist immer etwas leichter als die Gesamtmasse beider Ausgangsteilchen. Dieser Massendefekt beruht darauf, dass der fehlende Masseanteil als Energie (Wärme-, Radio-, Röntgen-, Gammastrahlung usw.) abgestrahlt wird. Darüber hinaus entsteht bei solchen Prozessen ein winziges Teilchen, das so genannte Neutrino. Schon 1930 wurde das Neutrino von Wolfgang Pauli vorhergesagt, doch erst seit 1998 wissen wir, dass es eine sehr geringe, aber doch vorhandene Masse aufweist. Derzeit geht man von einer Ruhemasse aus, die bei etwa 2,3 [eV] liegt, möglicherweise ist die Obergrenze für die Masse sogar nur 0,2 [eV] groß, was noch in genaueren Experimenten nachgewiesen werden muss. Zum Vergleich: ein Elektron hat eine Ruhemasse von 511 [KeV].

Neutrinos reagieren nur äußerst selten mit anderen Kernteilchen, und zwar so selten, dass sie bequem die Erde, die Sonne, ja sogar einen Bleiklotz von einem Lichtjahr Länge komplett durchfliegen können, ohne mit einem einzigen Kernteilchen zu reagieren (das gilt auch für Menschen; jeder von uns wird in jeder Sekunde von Milliarden von ihnen durchquert!). Somit sind diese Teilchen auch nur schwer nachzuweisen, dennoch gibt es inzwischen viele Neutrinodetektoren auf der Erde, die sie aufspüren können.

Speziell für hochenergetische Neutrinos, die aus Quellen wie Supernovae, GRB's oder Schwarzen Löchern stammen, entsteht ein gigantischer Neutrinodetektor in der Antarktis: IceCube

IceCubeUm den weltgrößten Neutrinodetektor zu erstellen, wird mit einem Heißwasserstrahl ein Loch in das ewige Eis gebohrt. 2450 Meter tief! In das Bohrloch wird dann eine Kabeltrosse gelassen, an welcher ab 1450 Meter Tiefe in gleichmäßigem Abstand 60 Glaskugeln hängen, die höchstempfindliche Lichtsensoren (Fotomultiplier) enthalten, die letzte am Fuß der Bohrung. Wenn das Bohrwasser nach 2 Wochen gefriert, ist der erste Neutrinosensor fertig gestellt. Was 2005 begann, wird erst 2011 fertig sein, denn es gilt, in einem bestimmten Raster 80 solcher Bohrungen zu erstellen, die dann insgesamt 4800 Sensoren enthalten. Integriert in IceCube wird AMANDA sein (Antarctic Myon And Neutrino Detection Array), ein Experiment, das bereits seit 2000 in Betrieb ist und ähnlich funktioniert. Ziel des Neutrinoteleskops ist, die wirklich hochenergetischen Neutrinos herauszufiltern und gleichzeitig eine Information über die Richtung zu erhalten, aus der sie aus den Tiefen des Alls kamen.

Beim Kollaps zu einem Neutronenstern werden ungeheure Mengen an Neutrinos ausgestoßen (1058). Trotz ihrer schwachen Wechselwirkungen sind sie aber aufgrund ihrer großen Zahl entscheidend am Abstoßen der Hülle einer Supernova beteiligt. Bei einer Supernova wird eine Energie von 1046 [J] emittiert (in Strahlung umgewandelte Gravitationsenergie), wobei die Neutrinos den größten Teil (99%) der freigesetzten Energie darstellen.

Beim Kollaps der Supernova 1987A geschah dies natürlich auch, und einige Stunden vor Sichtung der Nova wurden bereits die Neutrinos in unseren Detektoren entdeckt. Die Zeitverzögerung erklärt sich dadurch, dass die Neutrinos sofort beim Kollaps mit fast Lichtgeschwindigkeit den Ort des Geschehens verlassen, während es Stunden dauert, bis die Schockwelle die Sternhülle fortbläst und man im optischen (oder einem anderen) Bereich die Explosion beobachten kann. Jeder Mensch auf der Erde wurde von 100 Billionen (!) Neutrinos dieser Supernova durchquert, und bei etwa 10 Menschen der Erde bestand die Chance, dass ein Neutrino im Auge einen kurzen Lichtblitz erzeugte. Wenn Sie einer von ihnen waren, lassen Sie's den Autor wissen...

Paarinstabilitäts- Supernova (PISN)

Weiter oben wurde bereits angedeutet, dass Sterne mit dem 140- bis 260- fachen der Sonnemasse weder als Neutronenstern noch als Schwarzes Loch enden, sondern in einer Explosion völlig zerstört werden. Wie ist das möglich und warum können überhaupt solch massereiche Sterne entstehen?

Das Zauberwort heißt hier Metallgehalt bzw. Metallizität. Unter Metallen verstehen die Astronomen alle Elemente die schwerer als Helium sind. Als sich die ersten Sterne im Universum bildeten, gab es nur Wasserstoff und Helium, keine Metalle. Diese Sterne konnten wahrhaft gigantische Ausmaße annehmen, 500 bis 1000 Sonnenmassen waren durchaus möglich. Das geschah, weil es in den kontrahierenden Wasserstoffwolken keinen Kühlungsmechanismus gab. Wenn sich eine Gaswolke verdichtet, so erhöht sich deren Temperatur. Hierdurch steigt auch der Druck an, der seinerseits der Kontraktion entgegen wirkt. Auf diese Weise konnten sich große Massen ansammeln, bis endlich das Kontraktionszentrum durch die Eigengravitation so dicht und heiß wurde, dass Kernfusionen einsetzten. Der dann entstandene Sternwind blies die Umgebung frei und die weitere Massezunahme wurde unterbunden.

Jetzt aber ist das interstellare Medium mit dem Auswurfmaterial der ersten Sterngenerationen angereichert. Die ausgestoßenen Metalle fanden sich zu Staubteilchen zusammen und vermischten sich mit den Wasserstoffwolken. Wenn sich nun bei einsetzenden Kontraktionen die Temperatur erhöht, so ist das nichts anderes als eine schnellere Bewegung der Wasserstoffteilchen. Sie stoßen mit den Staubteilchen zusammen und übertragen dabei ihre Bewegungsenergie auf sie. Die Staubteilchen wiederum strahlen diese Energie als Infrarotstrahlung in den Raum ab. Auf diese Weise wird das Kontraktionszentrum gekühlt und kann sich viel schneller verdichten, weil deutlich weniger Gasdruck entsteht.

Was haben wir nun hier erlebt? Es bieten sich 2 Lösungsmöglichkeiten an. Zunächst könnte die schon weiter oben beschriebene Zerfallsreihe 56Ni ’ 56Co ’ 56Fe die nötige Energie für die beobachtete Leuchtkraft geliefert haben. Während bei einer üblichen SN II von 20 Sonnenmassen (SM) etwa 0,07 SM an Nickel produziert werden, wären bei SN 2006gy etwa das 15- bis 20- fache der Sonnenmasse vonnöten gewesen. Der Vorläuferstern muss demnach in jedem Fall ungeheuer massereich gewesen sein.

Man kann sich nun ein Spektakel vorstellen, welches folgender Gesetzmäßigkeit entspricht. Gemäß Einsteins Energie- Masse- Äquivalent E = mc2 lässt sich bekanntlich Masse in Energie umwandeln (was ja der Antriebsmotor für das Leuchten der Sterne ist), doch ist auch der umgekehrte Weg möglich. In den Zentren sehr massereicher Sterne sind Druck und Temperatur derart hoch, dass die bei den Fusionen freigesetzten Gammaphotonen höchstenergetisch werden. Das versetzt sie in die Lage, sich spontan in Elektron- Positronpaare umzuwandeln. Aus Strahlung wird also Materie! Die Teilchenpaare vernichten sich anschließend wieder gegenseitig.

Für den Stern ist das allerdings weniger erfreulich. Durch den Wegfall der Strahlung fehlt jetzt neben dem Gasdruck der stützende Strahlungsdruck - die Gravitation kann wieder einmal ihre Macht ausspielen und der Stern beginnt zu kollabieren.

Damit die Gammaphotonen so energiereich werden können, muss der Stern einen Heliumkern zwischen 64 und 133 Sonnenmassen aufweisen. Das entspricht einer Gesamtmasse von 140 bis 260 Sonnenmassen. Nach dem Heliumbrennen stellen sich dann im Kern die Bedingungen für die Strahlungsumwandlung ein. Der Stern kontrahiert jetzt sehr schnell, während im Innern Sauerstoff und Silizium brennen, je nach Größe der Sternmasse. Das Zentrum implodiert regelrecht. Eigentlich sollte die Kontraktion nun durch den höheren Gasdruck abgebremst werden. Doch der Kollaps schießt quasi "übers Ziel hinaus" bis eine maximale, masseabhängige Temperatur erreicht ist. Die Fusionen erfolgen jetzt explosionsartig, die Kontraktion wird umgekehrt und der ganze Stern vergeht in einer nuklearen Explosion.

Weil man im Spektrum der Supernova 2006gy nur schwache Wasserstofflinien fand, wird sie vorerst der Klasse SN IIn zugeordnet. Als Vorläuferstern kommt eigentlich nur ein recht metallarmer, massereicher Stern in Betracht. Die Entdecker der Supernova, Nathan Smith und sein Team (University of Berkely, California) nennen auch die Möglichkeit, dass ein so genannter Leuchtkräftiger Blauer Veränderlicher, wie Eta Carinae, der Explosion vorangegangen ist. Prinzipiell gilt das beschriebene Schauspiel einer PISN für die Sterne der ersten Generation (Population III), die also noch keine Metalle enthielten. Jedoch kann man es durchaus auch für metallarme Sterne anwenden, die z.B. 0,1% der Sonnenmetallizität aufweisen und deshalb derart massereich werden konnten.

Weil der Stern gar nicht dazu kam, schwere Kerne zu erbrüten oder es auch keine nennenswerte Neutronenquelle beim Heliumbrennen gab, finden in metallarmen PISN keine s- Prozesse statt. Weil auch kein Neutronenstern gebildet wird, kann keine Schockwelle entstehen, die das Sternmaterial ultrahoch erhitzt und verdichtet. Somit können auch keine r- Prozesse ablaufen: Eine PISN produziert keine schwereren Elemente als Nickel. Silizium und Schwefel sind im Vergleich zu Eisen, Sauerstoff oder Magnesium im Überangebot.

 

[H2SO4]

Extrem massereiche Sterne befinden sich von ihrer Geburt an in einem sehr instabilen Zustand. Die nach innen gerichtete Gravitationskraft der bis zu etwa 120- fachen Sonnenmassen sorgen im Zentrum des Sterns für wahrhaft exotische Verhältnisse. Druck und Temperatur sind derart hoch, dass der vorhandene, riesige Vorrat an Kernbrennstoff sehr schnell, innerhalb weniger Millionen Jahre, verbraucht wird. Die Kernreaktionen laufen unvergleichlich schneller und häufiger ab als in Sternen von etwa Sonnengröße, diese Masseriesen verschwenden ihren Kernbrennstoff geradezu.

Dementsprechend hoch ist die Strahlungsemission solcher Giganten, sie kann diejenige der Sonne leicht um das Millionenfache übertreffen. Jede kleine Störung des empfindlichen hydrostatischen Gleichgewichts innerhalb des Sterns löst Schwingungen aus, die mit immer größer werdender Amplitude den Sternkörper durchlaufen. Treffen sie auf die Oberfläche, werden große Materiemengen abgestoßen. Auch durch einen extrem hohen Sternwind entledigt sich der Riese überflüssiger Masse.

Das Hubble Weltraumteleskop (HST) hat im südlichen Sternbild Carina (Schiffskiel) den Stern Eta Carinae (· Car) in einer unvergleichlichen Aufnahme abgelichtet:

Eta Carinae, Bild anklicken für GroßansichtDieser Stern im Nebel NGC 3372 ist nur 7500 Lichtjahre von der Erde entfernt und besitzt eine 100- fache Sonnenmasse. Damit ist er der zurzeit massereichste bekannte Stern. Heute leuchtet Eta Carinae mit einer Helligkeit von 6m, im 19. Jahrhundert war er aber mit -1m einer der hellsten Sterne am Firmament. 1841 erlitt er einen gigantischen Ausbruch, bei welchem große Materiemengen abgesprengt wurden, welche heute keulenartig mit einer Ausdehnung von einem halben Lichtjahr den Stern als Homunculus Nebel umgeben. Erstaunlich, dass der Stern diese Explosion mit der Wucht und Helligkeit einer Supernova scheinbar unbeschadet überstand.

Über fünfmillionenmal größer als die Strahlungsemission der Sonne ist die von Eta Carinae.

Eta Carinae Aufgrund seiner großen Masse wird dieser Stern eines Tages - man rechnet in etwa
20 000 Jahren damit - in einem gewaltigen Spektakel sein Ende nehmen. Er wird in einem Hypernova- Ausbruch vergehen, einem Ereignis, das noch Hundert Mal mehr Energie freisetzt als eine Supernova. Hypernovae sind Quellen ausgeprägter GRB's (Gamma Ray Burst). Abschätzungen zufolge könnte durch den Gammastrahlen- Blitz das Leben auf der Erde ernsthaft beeinträchtigt werden. Aufgrund der relativen Nähe von Eta Car ist eine letale Strahlungsdosis für Mensch und Tier nicht auszuschließen. Eta Carinae ist so groß, dass der Stern sich bis zur Jupiterbahn ausdehnen würde. In einer Aufnahme des YEPUN- 8,2 m- Teleskops der ESO mit der adaptiven Optik NAOS-CONICA sehen wir Eta Carinae mit dessen näherer Umgebung. Kein Wunder, dass er sich in Gas- und Staubwolken einhüllt, verliert er allein durch den Sternwind über 500 Erdmassen jährlich. Links die Hubble- Aufnahme.

Was aber ist nun eigentlich eine Hypernova? Von massereichen Sternen, die als Supernova enden wissen wir, dass nach der Entstehung eines Neutronensterns im Innern die ganze restliche Sternhülle in einer gewaltigen Explosion fortgeblasen wird, weil sie vom nicht weiter komprimierbaren Neutronenstern zurückprallt. Bei einer Hypernova ist das anders.

In relativ kurzer Zeit sind im Innern eines überschweren Sterns sämtliche möglichen Fusionen abgelaufen, höhere Elemente können nicht mehr entstehen. Im Zentrum befindet sich am Ende eine riesige Kugel aus Eisen und Nickel, es wird keine Energie mehr freigesetzt (lediglich noch in den weiterhin brennenden Schalen um den Kern) und damit fehlt jetzt der stützende Gas- bzw. Strahlungsdruck. Es gibt nichts mehr, was den nun übermächtigen, nach innen gerichteten Gravitationsdruck ausgleichen könnte. Die Eisenkugel, deren Masse größer ist als die eines Neutronensterns, bricht unter diesem Druck vollständig in sich zusammen, in Sekundenbruchteilen kollabiert sie zu einem Schwarzen Loch.

Während in den Schalen um den ehemaligen Kern noch munter weitere Fusionen stattfinden, ist das Sternzentrum jetzt so gut wie leergeräumt. Weil alle Sterne rotieren, muss aufgrund des Impulserhaltungssatzes auch das Schwarze Loch rotieren. Weil eben der Drehimpuls der ehemaligen Eisenkugel erhalten bleibt, rotiert das Loch von Beginn an sehr schnell.

Kaum ist es gebildet, beginnt es auch schon mit der "Arbeit": dem Aufsammeln von Materie. Diese steht ja in genügendem Umfang vom Rest des Sterns zur Verfügung und sie bildet nun eine Akkretionsscheibe um das Loch. Durch die einströmende Materie wird ihm zusätzlicher Drehimpuls zugeführt und es rotiert noch schneller.

Jets schießen aus dem Schwarzen LochDer Stern hatte ja bereits ein Magnetfeld, welches mit der Materie in die Scheibe gelangt. Auch dessen Feldlinien werden von der Rotation erfasst und miteinander verwirbelt. Durch die Reibung innerhalb der Scheibe wird das Material hoch erhitzt und vollständig ionisiert. Aufgrund differentieller Rotation verstärkt sich das Magnetfeld noch weiter. Entlang der Feldlinien wird jetzt das heiße Plasma mitgerissen. Kaum eine Sekunde nach dem Zusammenbruch schießen zwei ultrarelativistisch beschleunigte, entgegengesetzte Materiestrahlen - so genannte Jets - aus den Magnetpolen des Schwarzen Loches. Umgebende oder noch herabstürzende Materie wird verdrängt. Die ganze Sternhülle wird in Sekundenschnelle durchstoßen und dabei vollständig zerstört.

Doch damit nicht genug, die Irrsinnsfahrt der Materie schießt weiter mit fast Lichtgeschwindigkeit in die Umgebung des ehemaligen Sterns. Hier prallen die Jets auf die vom Stern früher abgestoßene Materie, das Material wird geschockt und ultrahoch erhitzt - bis auf 10 Milliarden Grad - der Gammablitz wird erzeugt! Weil auch hier noch Magnetfelder vorhanden sind, ist der Ort des Geschehens Quelle von Synchrotronstrahlung

Eine weitere Aufnahme von Eta Carinae, die durch den Midcourse Space Experiment- Satelliten (MSX) gewonnen wurde. Es handelt sich um eine Falschfarben- Infrarotaufnahme, wir sehen also im Infraroten glühende Gas- und Staubwolken. Der Stern ist der helle Punkt in der Bildmitte. Bei der Explosion eines solchen massereichen Sterns wird eine ungeheure Energiemenge, etwa 1049 Joule, innerhalb kürzester Zeit freigesetzt. Um diese Energie abzugeben, müsste die Sonne 1000 Milliarden Jahre mit ihrer heutigen Leistung strahlen. Ein großer Teil der freigesetzten Energie wird wie gesagt in Form eines gewaltigen Gammastrahlen- Blitzes ins All rasen. Bis zu 1000 Sekunden lang kann ein solcher Burst andauern. Selbst über die Distanz, in der Eta Carinae zu uns liegt, kann dieser Burst noch verheerende Auswirkungen auf das irdische Leben haben.

Hypernovaexplosionen sind also stets mit starken Gammabursts verbunden, Gammastrahlenblitzen, die aus allen Himmelsrichtungen aus den Tiefen des Alls zu uns gelangen. Zwar kennt man sie schon seit den späten 1960ern, doch erst im März 1998 hatte man einen Gammablitz registriert und drei Wochen später das optische Gegenstück als Quelle identifizieren können. Das explodierte Objekt strahlte noch heller als die gesamte entfernte Galaxie in der es sich befand.

GRB991216Zum erstenmal im November 2000 haben Wissenschaftler bei einem Gammablitz aus derselben Quelle Emissionslinien des Eisens nachweisen können. Die Quelle des Gammabursts GRB 991216 liegt etwa 8 Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernt. Es war einer der heftigsten Gammaausbrüche, die bis dahin beobachtet wurden. Zu ihrer Entstehung gibt es viele Theorien, dass beispielsweise zwei sehr massive Körper wie Neutronensterne kollidieren. Doch anhand der Eisenlinien war man sich relativ sicher, dass hier eine Hypernova explodiert ist und wir Zeuge der Entstehung eines Schwarzen Lochs geworden sind.

Am 29. März 2003 entdeckte NASA's High Energy Transient Explorer (HETE-II) einen noch weit helleren Gammastrahlenblitz. Schon 90 Minuten später erfasste ein 40-Zoll-Teleskop des australischen Siding Spring Observatory das "Nachglühen" ("afterglow") im optischen Bereich. Und bereits 24 Stunden nach dem Blitz konnte der UVES high-dispersion spectrograph des 8.2-m VLT KUEYEN Teleskops des ESO Paranal Observatoriums in Chile ein erstes, sehr detailliertes Spektrum aufnehmen. Hieraus ergab sich eine Entfernung von 2,65 Millionen Lichtjahren, entsprechend einer Rotverschiebung von z = 0,1685. Nach dem Datum des Erscheinens erhielt der Burst die Bezeichnung GRB 030329.

Gammaburst GRB 030329Weitere Beobachtungen in den nachfolgenden Monaten mit den FORS1- und FORS2- Instrumenten des VLT zeigen das Nachglühen der Gammaquelle. Sehr intensive spektrale Untersuchungen eines internationalen Astronomenteams ergaben erstmalig ganz eindeutig, dass hier eine Hypernova explodiert ist. Ausgangspunkt war demnach ein so genannter Wolf-Rayet Stern (WR) von mehr als 25 Sonnenmassen, der ursprünglich fast nur aus Wasserstoff bestand. Tritt ein massereicher Stern nun in die WR- Phase ein, hat er bereits große Materiemengen abgestoßen und sich seiner Wasserstoffhüle entledigt. Er besteht nur noch aus Helium, Sauerstoff und noch schwereren Elementen. Das übrige Szenario wurde schon beschrieben: Der Kern kollabiert zum Schwarzen Loch, Material der restlichen Hülle bildet eine Akkretionsscheibe und innerhalb einer Sekunde schießt ein Jet durch die Hülle und zerstört sie vollständig. Beim Auftreffen des Strahls auf das früher ausgestoßene Material wird dies geschockt und der Gammaburst entsteht.

Ein Gammaburst ist also ein ziemlich eindeutiges Indiz für die Explosion einer Hypernova, zumal wenn wir wie beim GRB 030329 in relativer Nähe den Glutball beobachten können. Darüber hinaus sind wir bei einem derartigen Ereignis Zeugen der Geburt eines Schwarzen Loches. Was noch zu tun bleibt ist der Nachweis, dass tatsächlich eines entstanden ist. Die Beobachtung ist jedoch ungemein schwierig, weil Schwarze Löcher in der Tat richtig schwarz sind. Nur wenn sie sich mit einer Akkretionsscheibe umgeben, können wir durch deren Detektion indirekt den Nachweis führen.

Planetarische Nebel:

Der erste, der diese Art Gasnebel entdeckte, war William Herschel, als er vor rund 200 Jahren den Himmel durchmusterte. Er nannte sie Planetarische Nebel, weil sie ihn an das Aussehen einer Planetenscheibe im Teleskop erinnerten. Doch schon er selbst fand heraus, dass meist im Zentrum eines solchen Nebels ein Stern zu finden war.

Später erkannte man dann (1864, William Huggins), dass diese Objekte aus recht dünnem Gas bestehen. Bei spektroskopischen Untersuchungen fanden sich Emissionslinien von Wasserstoff, doch auch bis dahin unbekannte (sogenannte verbotene) Linien, welche man einem chemischen Element namens Nebulium zuordnete. Aber diese Linien in den Spektren (siehe hierzu auch Spektralklassen) waren nicht dem neuen (in Wirklichkeit nicht existierenden!) Element zuzuordnen, sondern durch einen physikalischen Vorgang erklärbar.

Durch die energiereiche UV- Strahlung des Zentralsterns werden Elektronen des Wasserstoffs so angeregt, dass sie den Atomkern, das Proton, verlassen können. Damit befinden sich in einem Planetarischen Nebel viele freie, ionisierte Elektronen und Protonen. Irgendwann kann ein solches Proton aber wieder ein Elektron einfangen ("Rekombination"), welches sich aber zunächst auf einem hohen Energieniveau (d.h. in relativ weiter Entfernung vom Atomkern) befindet. Fällt es dann zurück in den Grundzustand (ein niedriges Energieniveau, auch Orbitale oder Aufenthaltwahrscheinlichkeit genannt) setzt es Energie frei (und zwar in Form von Photonen) und die verbotenen Linien werden erzeugt.

Auch höhere Elemente wie Helium, Sauerstoff und Stickstoff können an diesem Prozess teilhaben. Nach der Rekombination des Atoms kann es wieder ein energiereiches, stellares UV- Photon absorbieren und die Ionisation wiederholt sich. Das Besondere an den Planetarischen Nebeln ist, dass aufgrund der geringen Gasdichte jedes UV- Photon eine Ionisation auslöst, und damit ist die Zahl der beobachtbaren Rekombinationsphotonen proportional der UV- Leuchtkraft des Zentralsterns.

Weil nun die visuelle Helligkeit des Sterns proportional zur visuellen Leuchtkraft ist, kann man aus dem Verhältnis der Helligkeiten des Sterns und des Nebels auf die Temperatur des Sterns schließen. Daher wissen wir, dass die Zentralsterne Planetarischer Nebel so ziemlich die heißesten Sterne sind, denn man findet Oberflächentemperaturen von 30 000 bis 200 000 [K]. Diese Sterne sind Weiße Zwerge.

Planetarische Nebel zählen mit zu den beeindruckendsten Objekten am Himmel mit einer Fülle verschiedenster Formen. Das Spektrum geht dabei von einfachen, kugelförmigen Blasen über Doppel- und Dreifachhüllen bis hin zu irregulären Erscheinungsbildern. Wie aber entstehen nun diese leuchtenden Nebel?

NGC 7027Im Sternbild Cygnus (Schwan) findet man den Planetarischen Nebel NGC 7027. In rund 3000 Lichtjahren Entfernung zeigt uns dieses Beispiel nochmals sehr deutlich, welches Schicksal auch unserer Sonne eines Tages bevorsteht. Auch dieser Stern hat sich, nachdem er sich zuvor zum Roten Riesen aufblähte, nun aller überschüssigen Materie entledigt. Übrig geblieben ist ein Weißer Zwerg derder durch die enorme UV- Strahlung seine ehemalige Hülle zum Leuchten anregt.

Bedingung für die Bildung ist zunächst ein Stern im Endstadium seiner Lebensphase, wenn er das Riesenstadium erreicht hat. Bis dahin umgibt er sich bereits durch ständigen Masseverlust (u.a. durch Sternwind) mit einer expandierenden Gashülle. Diese Hülle ist innen viel dichter als außen, weil mit zunehmenden Alter die Leuchtkraft des Sterns und damit sein Masseverlust ansteigt.

Irgendwann hat der Riesenstern fast seine komplette Hülle abgestoßen, und es liegt ein heißer, noch aktiver Kern mit einer brennenden und stets dünner werdenden Wasserstoffschale frei. Von diesem Rest weht nun ein sehr schneller Wind, der die Gaswolke mehr und mehr zu einer Kugelschale zusammendrückt.

Ringnebel in der Leier Der wohl berühmteste Planetarische Nebel, der Ringnebel M 57 (NGC 6720) in der Leier. Der Nebel hat einen Durchmesser von etwa einem Lichtjahr und ist 2000 Lichtjahre entfernt. Die blauen Farben zeigen heißes Helium an, grün ionisierten Sauerstoff und rot ionisierten Stickstoff. Das Gas leuchtet, weil der Zentralstern sehr intensive UV- Strahlung emittiert. Er selbst hat eine Oberflächentemperatur von
120 000 [K].

Inzwischen steigt die Temperatur des Reststerns weiter an, und ab etwa 30 000 [K] wird soviel UV- Strahlung freigesetzt, dass die Gaswolke ihre "Beleuchtung" einschaltet, es ist ein Planetarischer Nebel entstanden. Diesen kann man nun für vielleicht 50 000 Jahre bewundern, doch dann wird er so verdünnt sein, dass er schließlich ganz erlischt. Übrig bleibt von dem ganzen Schauspiel nur ein sich ewig langsam abkühlender Weißer Zwerg, der letzte Zeuge eines vielleicht einstmals wundervollen Sonnensystems wie dem unseren.

Chandrasekhar- Grenze

Von einer bestimmten Masse an aufwärts kann ein Stern nicht mehr den relativ "stillen Tod" sterben, wie ihn eines Tages auch unsere Sonne ereilen wird und sie schließlich nach dem Roten Riesen- Stadium zu einem Weißen Zwerg mutiert. Bereits 1931 berechnete der Astronom S. Chandrasekhar, dass ein Stern oberhalb einer Grenze von 1,4 Sonnenmassen nicht mehr als erdgroßer Weißer Zwerg existieren kann. Vielmehr wird der Rest des Sterns, sein Zentralbereich, durch die ungehemmt einwirkende Gravitation zu einem Ball von nur noch 20 [Km] Durchmesser zusammen gequetscht. Dieses Gebilde ist ein Neutronenstern. Liegt die Restmasse über 2 Sonnenmassen, geht der Kollaps unweigerlich weiter bis zum Schwarzen Loch.

Der Zusammenbruch

Ein massiver Stern verliert ständig durch emittierte Strahlung und starken Sonnenwind an Masse. Besitzt sein Zentrum nach Ablauf aller Fusionsreaktionen und damit seiner aktiven Lebensspanne noch eine Masse oberhalb der Chandrasekhar- Grenze, so wird sein Ende höchst dramatisch verlaufen. Der Kern besteht nur noch aus Eisen und Nickel, welches nicht weiter fusionieren kann. Zwar werden in verschiedenen, wie bei einer Zwiebel um den Kern zentrierten Schalen noch weitere Fusionen ablaufen, aber die hier noch freigesetzte Energie reicht nun nicht aus, der Gravitation Paroli zu bieten. Immerhin befindet sich jetzt im Sternzentrum eine Eisen/Nickel- Kugel von mehr als Erdgröße. Hier aber fehlt nun völlig der bislang durch die Kernfusionen erzeugte Gas- und Strahlungsdruck, der die nach innen gerichtete Gravitationswirkung ausglich. Die Gravitation wird jetzt übermächtig und presst den Kern zusammen. Selbst auch der zunächst einsetzende Entartungsdruck der Elektronen kann ihr nicht mehr standhalten, der Kollaps des Sterns geht unaufhaltsam weiter.

Photodissoziation

 

[H2SO4]

Über der Kernzone werden, wie gesagt, noch in verschiedenen Schalen die Fusionen fortgesetzt, während sich unter dem Druck der Gravitation der Kern immer weiter verdichtet, wobei er eine Temperatur von 5 bis 10 Milliarden [K] erreichen kann. An einem bestimmten Punkt setzt dann ein Vorgang ein, den man Photodissoziation nennt. Das können wir uns so vorstellen, dass durch das Schalenbrennen hochenergetische Photonen entstehen, die in den Kern eindringen und hier als Gamma- Quanten recht aktiv werden. Durch die voranschreitende Kontraktion des Sterns wird auch der Druck in den einzelnen Schalen höher und damit steigt die Temperatur. Die Kernfusionen laufen deshalb immer schneller ab und die freigesetzten Photonen erlangen ständig anwachsende Energieinhalte. Sie sind nun in der Lage, die Eisenkerne im Zentrum zum größten Teil zu zertrümmern (gemeint sind hier nur die "nackten" Atomkerne, sie sind vollständig ionisiert, besitzen keine Elektronen mehr). Übrig bleiben bei dieser Reaktion Alpha-Teilchen, das sind Heliumkerne, bestehend aus 2 Protonen und 2 Neutronen.

Neutronenstern RXJ 185635-3754In der Corona Australis (Südliche Krone) hat man schon 1992 eine Röntgenquelle in einer Entfernung von nur 400 Lichtjahren entdeckt. Das HST (Hubble-Teleskop) hat diesen Stern nun im sichtbaren Licht ausfindig gemacht. Das Objekt hat eine Oberflächentemperatur von über
650 000 [K] und einen Durchmesser von nur etwa 28 [Km], es kann sich dabei also nur um einen Neutronenstern handeln. Kein anderes Objekt mit solchen Eigenschaften könnte existieren. Der Neutronenstern erhielt die Bezeichnung RXJ 185635-3754.

Zur Zertrümmerung der Eisen- Atomkerne muss Bindungsenergie aufgewandt werden, wodurch nun der Druck absinkt und der Kollaps endgültig einsetzt. Der Kern des Sterns gerät völlig aus seinem Gleichgewicht und stürzt innerhalb von wenigen Millisekunden in sich zusammen. Dabei steigt die Dichte so ungeheuer an, dass die bislang immer noch ungebundenen Elektronen (e-) so nahe an die Protonen (p) gedrückt werden, dass sie mit ihnen zu Neutronen (N) verschmelzen. Bei diesem Vorgang (ein so genannter inverser ²- Zerfall) entstehen gleichzeitig massenhaft Neutrinos (n), die fast nie in Wechselwirkung mit anderen Kernteilchen treten:

p + e- ---> N + n

Letztere stellen den Großteil der nun freigesetzten Gravitationsenergie dar und enteilen ungehindert mit nahezu Lichtgeschwindigkeit dem Kern (siehe hierzu auch Supernova). Erreicht die Dichte etwa 4 · 1011 [gcm-3], treten die Neutronen aus den Kernen aus und bilden mit den restlichen Atomrümpfen eine Art Mischphase. Wenn die Dichte diejenige der Kernmaterie, 2,8 · 1014 [gcm-3] erreicht, existieren praktisch nur noch Neutronen. Zuvor, bei einer Dichte von 1012 [gcm-3], übernimmt aber bereits der jetzt einsetzende Entartungsdruck der Neutronen das Regime.

Ist nämlich dieser Punkt erreicht, wird schlagartig die Kompressibilität des Remnant's (= Überbleibsel) aufgehoben, die Neutronen lassen sich nicht weiter verdichten. Erst jetzt "bemerkt" die äußere Hülle des Sterns die Verkleinerung des Kerns und stürzt mit großer Geschwindigkeit nach innen. Sie wird brutal gestoppt wenn sie auf den Kern trifft, der allerdings aufgrund der Massenträgheit viel weiter zusammengequetscht wurde als sein Endstadium eigentlich zulässt. Infolgedessen schwingt er zurück, wobei die herabstürzende Sternmaterie schlagartig umgelenkt und nach außen beschleunigt wird. Mit Überschallgeschwindigkeit wird die Hülle des Sterns abgestoßen.

Höhere Elemente

Das löst eine Schockwelle aus, welche nun den gesamten Reststern in Gegenrichtung durchläuft. Hierdurch wird die Temperatur der Hülle soweit erhöht (möglicherweise durch die zwar seltenen, aber doch stattfindenden Reaktionen von Neutrinos mit anderen Kernteilchen), dass weitere Kernfusionen ausgelöst werden. In dieser kurzen, dem Stern noch verbleibenden Zeit werden in den verschiedenen Schalen, überwiegend durch Neutroneneinfang, höhere Elemente bis hin zum Uran erzeugt. Die Verteilung entspricht weitgehend der mengenmäßigen Verteilung der Elemente, wie wir sie im gesamten Kosmos wiederfinden.

Neutronenstern in PuppisIm südlichen Sternbild Puppis (Schiff Argo) hat das Rosat- Observatorium eine der stärksten Röntgenquellen des Himmels entdeckt. Es handelt sich um eine Supernovaexplosion, die geschockten, heißen Reste der ehemaligen Sternhülle leuchten intensiv im Röntgenlicht. Man sieht noch einen kleinen hellen Punkt: Das ist der junge Neutronenstern, der seitlich mit weit über 1000 [Km/s] dem Zentrum der asymmetrischen Explosion entflieht.

otation

Die durch den Kollaps ausgelöste Schockwelle sprengt dann (nach mehreren Stunden) die äußere Hülle mit 10 000 [Km/s] oder mehr ab, wobei auch die schweren Elemente als heißes Gas ins All geschleudert werden - es entsteht eine Supernova. Dieser Auswurf dient später als interstellares Material wieder dem Aufbau neuer Sterngenerationen, der Bildung von Planeten und sogar der Entstehung von Leben. Wir alle bestehen aus diesem Material - nichts anderem als Sternenasche!

Während der Kontraktion behält der Restkern das Drehmoment des ursprünglichen Sterns, wodurch sich seine Rotation enorm erhöht. Aufgrund dieser Erhaltung des Drehimpulses kann ein Neutronenstern bis zu mehr als Tausend Mal pro Sekunde rotieren. Besitzt er dabei noch ein Magnetfeld, wird er zum Pulsar.

Bei einem Durchmesser von etwa 20 [Km] kommt der Zusammensturz zum Stillstand. Dieser entstandene Körper, welcher nun immer noch mehr als die Masse unserer Sonne besitzt, weist jetzt eine um eine Billiarde (1015) höhere Dichte als Wasser auf; ein Kubikzentimeter Materie auf seiner Oberfläche "wiegt" die Kleinigkeit von einer Milliarde Tonnen. Ein Mensch auf dieser Oberfläche würde demzufolge
70 000 000 000 000 Tonnen wiegen!

Exotische VerhältnisseAuf einem Neutronenstern herrschen wahrhaft exotische Verhältnisse. Die Gravitation ist 1012 Mal so groß wie auf der Erde, ein Mensch hätte hier ein unvorstellbares Gewicht. Durch die starke Krümmung des Lichts könnte man den halben Stern übersehen, ein entfernter Beobachter sieht sogar bis hinter den Horizont. Unser armer Besucher müsste fast die halbe Lichtgeschwindigkeit erreichen um dem Stern wieder zu entfliehen. Wollte er sich jedoch im "Bergsteigen" üben, müsste er zur Bezwingung des allerhöchstens 1 mm hohen Gipfels mehr Energie aufwenden, als er zum Verlassen des Erdgravitationsfeldes benötigen würde. Auch das im Vergleich zur Erde über 10 Milliarden Mal stärkere Magnetfeld und die bis zu 1000 Mal in der Sekunde stattfindende Rotation des Sterns wären dem Besucher nicht sehr zuträglich...sollten ihn einige Hunderttausend [K] bis dahin noch nichts angetan haben.

Entartung

Weshalb kollabiert der Kern nicht weiter, werden wir uns nun fragen? Die obere Massegrenze für einen Neutronenstern liegt etwa zwischen 1,8 und 2 Sonnenmassen. Überschreitet er diese Grenze, wird er unweigerlich zum Schwarzen Loch. Bleibt er darunter, kann er der einwirkenden Gravitation einen Druck entgegensetzen, der von den Neutronen stammt. Diese sind unter solch extremen Verhältnissen entartet, d.h. sie bewegen sich mit relativistischen Geschwindigkeiten. Ihre kinetischen Energien (Bewegungsenergien) sind dabei so hoch, dass sie mit der Ruhemasse (E = mc2) der Teilchen vergleichbar sind.

Unter diesen relativistischen Bedingungen liefert die kinetische Energie einen nicht mehr zu vernachlässigenden Beitrag zur Masse.
Neutronen sind normalerweise nur stabil, wenn sie, wie in gewöhnlichen Atomkernen, an Protonen gebunden sind. Ansonsten zerfallen sie (durch den ²- Zerfall) mit einer Halbwertszeit von rund 10 Minuten in ein Proton, ein Elektron und ein Antineutrino (das Gegenstück zum Neutrino). Doch in der ungeheuren Dichte innerhalb eines Neutronensterns sind die Elektronen bereits so dicht an die ursprünglichen Protonen gepackt, dass aufgrund des Paulischen Ausschließungsprinzips kein Raum mehr für weitere Elektronen ist.
Das heißt, dass keine unbesetzten Quantenzustände mehr vorhanden sind, welche die Elektronen einnehmen könnten. Deshalb können unter solch extremen Bedingungen (fast) nur noch Neutronen existieren. Das Neutronen- Gas ist dabei entartet.

Aufbau

 

[H2SO4]

Der Aufbau eines Neutronensterns wird in etwa so aussehen:

Außen wird er vermutlich eine feste, dünne Kruste aus Eisenkernen besitzen. Erhebungen wird man auf seiner Oberfläche vergeblich suchen; die gewaltige Gravitation lässt "Gebirge" von allerhöchstens 1 mm zu.

Das Magnetfeld eines solchermaßen kollabierten Sterns erreicht eine unvorstellbare Stärke (siehe auch Magnetare). Zusammen mit seiner hohen Rotationsgeschwindigkeit wirkt er wie ein riesiger Dynamo und kann unter bestimmten Umständen als Pulsar erscheinen.

Das weitere Ende des Neutronensterns ist weniger dramatisch.
Mit Sicherheit wird er im Laufe der Zeit (Jahrmilliarden!) zum einen seine Rotation verlieren. Darüber hinaus wird er sich nach und nach völlig abkühlen, bis nur noch ein schwarzer, unheimlich kompakter Körper im All schwebt, ähnlich dem Ende Weißer Zwerge. Möglicherweise gibt es im Kosmos Abermilliarden solcher erkalteter Schlackeklumpen, doch die extrem lange Abkühlphase lässt vermuten, dass alle bisher entstandenen Neutronensterne noch sichtbar sind. Zudem ist es auch möglich, dass der Stern aufgrund seines extrem starken Gravitationsfeldes wieder interstellare Materie einfängt (vielleicht sogar einen kompletten Stern, wenn er einen Begleiter hat). Dann wird er sicherlich beim Überschreiten einer bestimmten Massegrenze zum Schwarzen Loch kollabieren. Noch dramatischer verläuft die Begegnung zweier Neutronensterne oder eines solchen mit einem Schwarzen Loch. Sie werden sich dann umkreisen, wie auf Beute lauernde Raubtiere. Die Geschwindigkeiten werden immer mehr zunehmen, je näher sich die Objekte kommen. Kurz vor der Verschmelzung zu einem Schwarzen Loch geschieht dies mit fast Lichtgeschwindigkeit. Dabei werden extrem starke Gravitationswellen generiert, die uns vielleicht eines Tages von solchen Ereignissen erzählen werden.

Geht es noch dichter? Quarksterne!

Neuerdings geht man nicht mehr davon aus, dass ein Neutronenstern nur aus Neutronen aufgebaut ist. Es könnte sein, dass er aus so genannten Hyperonen besteht. Das sind schwere Teilchen (Baryonen), die nicht nur wie Protonen und Neutronen aus Up- und Down- Quarks bestehen, sondern auch Strange- und Charmequarks enthalten. Ein solches Gebilde wäre dann etwas "weicher", kompressibler als ein Stern aus Neutronen und könnte einen Durchmesser unter 20 [Km] aufweisen. Seine Rotationszeit darf dann Werte bis herunter zu 1 [ms] annehmen, ohne dass der Stern zerrissen wird. Man kennt heute eine ganze Reihe von Pulsaren, die im Millisekundenbereich rotieren, sie könnten also aus Hyperonen bestehen.

Quarks wurden in den sechziger Jahren von den Physikern Murray Gell-Mann und George Zweig als Teilchen- Modell entwickelt, wonach Protonen und Neutronen aus ihnen aufgebaut sind. Zunächst wurden nur 3 verschiedene Quarks postuliert, Up-, Down- und Strange Quarks. Später wurden noch weitere Quarks mit Namen Top- Charme- und Bottom Quarks nachgewiesen. Das sind also (neben den Elektronen) die kleinsten Bausteine der Materie und sie werden zusammengehalten durch sogenannte Gluonen (= Klebeteilchen). Quarks kann man nicht als freie Teilchen beobachten, sie lassen sich aber identifizieren, wenn man in den großen Teilchenbeschleunigern Atomkerne mit hohen Geschwindigkeiten kollidieren lässt. Hier konnte man jetzt sogar einen neuen Zustand der Materie nachweisen, ein sogenanntes Quark- Gluon- Plasma.

Durch die Zusammenarbeit der beiden Observatorien Chandra und Hubble konnten nun gleich 2 Objekte untersucht werden, die eigentlich zu klein für Neutronensterne sind.

Quarkstern RXJ1856.3-3754So wie hier das Objekt mit Namen RXJ1856.3-3754, das in nur 400 Lichtjahren Entfernung in der südlichen Krone liegt. Neben einer erschreckend hohen Temperatur von 700 000 [K], das ist mehr als 100 Mal heißer als die Sonne (!), hat der "Stern" auch nur einen Durchmesser von gerade 11 [Km]. Das aber ist viel zu klein für einen Neutronenstern im üblichen Sinn, es kann sich vermutlich nur um einen Quarkstern handeln.

3c583C58, ein weiterer Kandidat für einen Quarkstern. Seine Oberflächentemperatur liegt ebenfalls knapp unter einer Million [K]! Dieser Neutronenstern stammt wahrscheinlich aus einer Supernova, die bereits im Jahr 1181 von japanischen und chinesischen Astronomen beschrieben wurde. Das bisherige Modell der Abkühlung von Neutronensternen muss durch seine Existenz neu überdacht werden.

Im Unterschied zu den aus Hyperonen aufgebauten Sternen (man sollte besser sagen: kompakte Objekte!) bestehen Quarksterne nicht mehr aus diskreten Baryonen, sondern vermutlich existiert zumindest in ihrem Kern eine reine Quark- Materie. Ein solcher Materiezustand wäre noch ein wenig kompressibler als ein aus Hyperonen bestehendes Objekt und könnte damit eine Erklärung für die neuentdeckten Sterne darstellen. Ein weiterer Nachweis könnte erbracht werden, wenn es gelingt einen Pulsar mit einer Rotationsperiode von unter 1 [ms] zu finden.

Wir wissen heute schon sehr viel über diese exotischen Objekte mit Namen Neutronenstern, nur ein Bruchteil davon ist hier wiedergegeben. Dennoch steht man auch hier mit jeder neuen Entdeckung wieder an einem neuen Anfang an dem es gilt, unzählige Fragen zu beantworten.

Neutronensterne waren lange Zeit nur theoretische Objekte, bis im Jahre 1967 die britische Studentin Jocelyn Bell mit einem Radioteleskop eine Radioquelle entdeckte, welche Impulse mit einer außergewöhnlichen Regelmäßigkeit aussandte. Man glaubte damals schon, die ersten extraterrestrischen Intelligenzen gefunden zu haben, die dort munter im Kosmos umherfunkten.

Leider war aber das nicht die Quelle der bis dahin unbekannten Signale. Zudem wurden bald immer mehr dieser punktförmigen Radioquellen entdeckt und man stellte fest, dass sie nicht nur Pulse im Radiowellenbereich (hier vor allem Meterwellen) emittierten, sondern genauso im Bereich des sichtbaren Lichts, im Röntgen- und sogar im Gammabereich nachzuweisen waren. Es musste also eine natürliche Ursache für die Impulse geben, künstlichen Ursprungs konnten sie jedenfalls nicht sein.

Diese Pulse zeichnen sich durch einige Besonderheiten aus:

 

[H2SO4]

* Bisher wurden Pulse mit Periodenlängen von etwa 0.0008 bis herauf zu max. 4.3 Sekunden gefunden.
* Die Pulse wiederholen sich mit außerordentlicher Regelmäßigkeit
* Die Dauer des Impulses beträgt rund 1/30 der Periodenlänge
* Die Periodendauer wird im Laufe der Zeit größer

Anzumerken ist hier noch, dass die Stärke der Impulse starken Schwankungen unterworfen sein kann.

Wie kann man nun diese Pulse interpretieren? Schon allein aus der Kürze der Perioden lässt sich folgern, dass es sich hier nicht um Doppelsternsysteme (Bedeckungsveränderliche) handeln kann, da auch in sehr engen Systemen die Umlaufzeiten mindestens im Stundenbereich liegen. Auch die Rotation eines "normalen" Sterns liegt im Stundenbereich, ebenso wie die Pulsation (zeitlich begrenzte Ausdehnung mit anschließender Kontraktion der Sternhülle).

Nach dem Ausklammern all dieser Möglichkeiten dynamischer Prozesse bleibt als Schlussfolgerung noch die schnelle Rotation eines Körpers. Und damit lag man nun genau richtig, so schnell rotieren können nur Neutronensterne und es stellte sich bald heraus, dass diese Annahme zutraf.

Pulsar in binärem SystemKünstlerische Darstellung eines Millisekunden- Pulsars. Dieser befindet sich in einem binären System und ist umgeben von einer Akkretionsscheibe, deren Material er ständig von seinem Begleiter, einem Roten Riesen, absaugt. Durch die auftreffende Materie wird der Neutronenstern immer schneller, weil er den zusätzlichen Drehimpuls der Materie erhält. So wie in dieser Darstellung sieht wahrscheinlich das System SAX J1808.4-3658 aus, eine starke, gepulste Röntgenquelle im Sternbild Sagittarius (Schütze).

Was aber muss passieren, damit ein Stern (um den es sich ja hier zweifelsfrei handelt) so schnell rotiert? Im Kapitel über Neutronensterne wurde dies bereits angedeutet. Beim Gravitationskollaps eines Sterns zum Neutronenstern verringert sich dessen Radius um den Faktor 100 000 (105). Der Drehimpuls eines Körpers berechnet sich aus dem Quadrat des Radius, multipliziert mit der Winkelgeschwindigkeit. Zur Erhaltung des Drehimpulses muss demzufolge die Winkelgeschwindigkeit um den Faktor 1010 zunehmen! Hierin liegt das Rätsel der schnellen Rotation begründet. Der ehemalige Stern, der für eine Umdrehung Tage oder Stunden brauchte, rotiert jetzt in Sekundenbruchteilen. In der selben Größenordnung wie die Rotationsgeschwindigkeit nimmt auch das Magnetfeld des Neutronensterns zu, welches dann im Bereich von Milliarden Tesla liegt.

Nun haben wir die notwendigen Voraussetzungen, um eine Erklärung für die Funkimpulse der Neutronensterne zu finden. Das gigantische Magnetfeld des Pulsars ist meist gegen seine Rotationsachse geneigt. Es erzeugt in der Umgebung des Körpers ein elektrisches Feld, welches mit Spannungen von Billiarden Volt (!) als ultrastarker Teilchenbeschleuniger fungiert.

Auf der Oberfläche des Neutronensterns sind noch Protonen und Elektronen vorhanden, und diese werden jetzt entlang der Feldlinien des Magnetfeldes beschleunigt, in Richtung der Polregionen. Die Beschleunigung ist so groß, dass die Teilchen annähernd Lichtgeschwindigkeit erreichen. Ihre kinetische Energie steigt dabei derartig an, dass sie in einem schmalen Kegel zu den Polkappen hin so genannte Synchrotronstrahlung emittieren. Dieser, einem Leuchtfeuer vergleichbare Kegel, rotiert mit der Rotationsgeschwindigkeit des Neutronensterns. Die ultraschnellen Teilchen erhalten einen Energieinhalt, der ihrem Energie- Masse- Äquivalent (E = mc2) millionenfach überlegen ist. Man geht auch neuerdings davon aus, dass die Teilchen nicht nur von der Sternoberfläche stammen, sondern es sich dabei ebenso um Elektronen oder Positronen handeln kann, die spontan als virtuelle Teilchenpaare aus dem Quantenvakuum in der Umgebung des Neutronensterns entstehen können.

Immer dann, wenn der erzeugte Strahl wie ein Blitz die Erde streift, registrieren wir einen Impuls dieser Synchrotronstrahlung. Ist die Achse des Pulsars so geneigt, dass der Strahlenkegel nicht in Richtung Erde zeigt, können wir diesen Stern auch nicht als Pulsar identifizieren.

Wirkungsweise eines PulsarsDie vom Neutronenstern abgestrahlten, enormen Energiemengen müssen nun auch irgendeine Wirkung hinterlassen. Das ist auch der Fall, denn die Energie wird aus der Rotationsenergie des Pulsars bezogen, daher nimmt die Rotationsgeschwindigkeit ständig ab. Das heißt, die Periodenlänge der Pulse wird immer größer. Irgendwann muss dann logischerweise die Rotation zum Stillstand kommen. Ebenso wird sich in fernster Zukunft das Magnetfeld verlieren, denn es wird durch eine Art Dynamoeffekt im Innern des Neutronensterns aufgrund seiner Rotation generiert.

Jetzt lassen sich noch weitere Schlussfolgerungen ziehen:
Sehr schnell rotierende Neutronensterne, also mit kurzer Periodendauer, sind noch jung, pulsieren sie bereits im Sekundenbereich, so werden sie ihr Leuchtfeuer bald einstellen. Man kann berechnen, dass nach etwa 10 Millionen Jahren die Rotation eines Neutronensterns so langsam geworden ist, dass er nicht mehr als Pulsar in Erscheinung tritt.

Merkwürdig dabei ist, dass bis heute noch kein Pulsar entdeckt wurde, der eine kürzere Periodendauer als 8 Tausendstel Sekunden aufweist. Das aber sollte gerade bei jungen Pulsaren möglich sein, die feste Oberfläche des Sternkörpers würde es jedenfalls zulassen. Eine Erklärung liegt möglicherweise darin, dass Vibrationen des Neutronengases (so genannte r-Moden) durch Gravitationswellen verstärkt werden, wodurch ein zusätzlicher Bremseffekt entsteht. Hierdurch wird die anfängliche hohe Rotationsgeschwindigkeit unmittelbar nach dem Kollaps bereits wieder verlangsamt. Wissenschaftler hoffen heute, diese Gravitationswellen bald nachweisen zu können.

Nun gibt es aber Pulsare, welche ihre Periodendauer (im Millisekundenbereich) nicht oder nur kaum verändern, und man hat einige Anzeichen dafür ermittelt, dass es sich um alte Sterne handeln muss. Man vermutet hier die Entstehung des Neutronensterns in einem Doppelsternsystem, was recht häufig vorkommt. Der Neutronenstern akkretiert Materie von seinem Begleiter und nimmt dabei den Drehimpuls dieser Materie auf. Sie sammelt sich zunächst in einer den Neutronenstern umgebenden, rotierenden Akkretionsscheibe, um erst dann auf die Sternoberfläche nieder zu gehen. Somit stammt der zusätzliche Drehimpuls aus der Akkretionsscheibe.

Es gibt aber noch eine Ungereimtheit zu klären: Bei diesen Pulsaren sollte man, da sie Teil eines Sternsystems sind, auch eine Bahnbewegung finden. Das ist aber manchmal leider nicht der Fall. Hier bleibt nur die Vermutung, dass der andauernde Beschuss des Begleitsterns mit den mehr als hochenergetischen Teilchen ihn regelrecht verdampft hat.

Der Krabben- Nebel M1 im Stier Der Krabben- Nebel M1 im Sternbild Stier in 7000 Lichtjahren Entfernung. Einer der schönsten Anblicke am Himmel entstand durch eine Supernova im Jahre 1054. Heute hat der Nebel eine Ausdehnung von 10 Lichtjahren, in seinem Zentrum befindet sich ein pulsar.

Man kann die Pulslänge der emittierten Strahlung sehr genau bestimmen. Und wir wissen nun, dass sie eigentlich im Laufe der Zeit durch Abbremsung der Rotation größer werden wird. Manchmal werden die Pulse jedoch um einen kleinen Betrag beschleunigt, als wenn jemand dem Stern einen Tritt, einen zusätzlichen Impuls versetzt. Diese "Ausrutscher", Glitches genannt, haben aber eine natürliche Ursache: Der rotierende Stern wird durch Trägheitskräfte etwas abgeflacht (wie beispielsweise die Erde auch), wodurch an seinem Äquator ein Wulst entsteht. Wenn die Rotation sich nun verlangsamt, versucht sich diese Wulst zu verringern. Es bauen sich dabei Spannungen in der festen Kruste des Neutronensterns auf, und irgendwann werden die Kräfte so groß, dass die Kruste zerspringt. Dies verleiht dem Stern den zusätzlichen Drehimpuls.

Es gibt allerdings noch eine andere Ursache für die Glitches. Die feste Kruste des Neutronensterns gleitet auf dem flüssigen Kern. Die Verlangsamung der Rotation wirkt sich zuerst auf die Kruste auf, und es entstehen nun unterschiedliche Rotationsgeschwindigkeiten zwischen Kruste und Kern. Die Abbremsung wird durch Reibung nach innen weitergegeben, allerdings nicht gleichmäßig sondern ruckartig. Es baut sich so eine starke Reibungskraft auf, die plötzlich nach innen freigelassen wird, hierdurch erhält die Kruste quasi den Tritt.
Durch die umfangreiche Untersuchung dieser Glitches konnten die Wissenschaftler viele theoretische Vorhersagen bezüglich des Aufbaus von Neutronensternen bestätigen.

Pulsar CTA 1Im Sternbild Cepheus hat das Fermi Gamma- ray Space Telescope, ursprünglich mit Namen GLAST, den ersten Pulsar entdeckt, der ausschließlich im Gammabereich "funkt". Im genannten zirkumpolaren Sternbild findet sich der Überrest (remnant) einer Supernova, die vor 10 000 Jahren explodierte. Der als CTA 1 bezeichnete Gasnebel ist 4600 Lichtjahre von der Erde entfernt. Fermi hat mit dieser Entdeckung eine ganz neue Klasse von Pulsaren eröffnet. Bis heute sind etwa 1800 Pulsare gefunden worden, die meisten von ihnen strahlen im Radiobereich und weisen ein Alter von 1 Million Jahren auf. Die neue Klasse beinhaltet zwar nur 10 Objekte, deren Strahlungsemission jedoch im Hochenergiebereich angesiedelt ist - und es sind junge Neutronensterne. So ist dann auch die Strahlungsleistung des neuen Gamma- Pulsars gleich um den Faktor 1000 stärker als die Leuchtkraft der Sonne. Alle 316,86 Millisekunden wird die Erde von ihm mit einen Gammablitz bedacht, er rotiert also rund 3 Mal in einer Sekunde um seine Achse. Die Gammastrahlen werden erzeugt, weil dort geladene Teilchen entlang der Magnetfeldlinien bis fast auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigt werden. Weil die Strahlung durch die Rotation genährt wird, zerrt das an der Rotationsenergie. Hierdurch wird die Rotationsgeschwindigkeit dieses Pulsars alle 87 000 Jahre um 1 Sekunde verlangsamt.

Im Sternbild Cepheus finden wir übrigens einen interessanten Stern, ´ Cep, der gleich einer ganzen Klasse von Sternen ihren Namen gibt: den Cepheiden. Bei diesen veränderlichen Sternen stehen Periode und Leuchtkraft in einer sehr festen Beziehung, weshalb sie als so genannte Standardkerze zur Entfernungsbestimmung dienen.

Magnetare sind, ähnlich wie die Pulsare, eine besondere Klasse von Neutronensternen.
Wie wir in den vorhergehenden Kapiteln gesehen haben, entstehen Neutronensterne, wenn massereiche Sterne (mehr als ca. 8 Sonnenmassen) an ihrem Lebensende im gigantischen Blitz einer Supernova- Explosion vergehen. Im Innern des Sterns hat sich eine kosmische Katastrophe zugetragen, als das Zentrum zu einem Neutronenstern kollabierte. Übrig bleibt vom einstigen Giganten mit einem Durchmesser im Bereich von Millionen Kilometern eine superkompakte Kugel von 10- 30 [Km] und eine ins All geschleuderte Wolke aus Gas und Staub.

Diese Kugel behält allerdings noch einige Eigenschaften des ursprünglichen Sterns. So weist sie beispielsweise noch denselben Drehimpuls auf, weshalb Neutronensterne mit bis zu 1000 Umdrehungen pro Sekunde rotieren. Ist der Neutronenstern gerade gebildet, findet auch in ihm Konvektion statt. Das bedeutet, dass Zellen heißer Neutronenflüssigkeit aufwärts steigen, sich an der Oberfläche abkühlen und wieder absinken. Das alles geschieht sehr schnell: Die Konvektion findet im Millisekundenbereich statt, wobei eine einzelne Konvektionszelle kleiner als 1 [Km] ist. Rotiert der Neutronenstern ebenfalls im Millisekundenbereich, so entsteht vorübergehend ein ultrastarker Dynamo, der ein wahrhaft gigantisches Magnetfeld erzeugt: Die magnetische Flussdichte kann bis zu 1011 [T] ([T] = Tesla) betragen (im Vergleich: das Magnetfeld der Erde weist je nach Lage 0,30 × 10-4 [T] bis 0,70 × 10-4 [T] auf). Es ist ein Magnetar entstanden.

Aufbau eines MagnetarsSo stellt sich nach heutigem Wissensstand der Aufbau eines Magnetars dar. Unter einer sehr dünnen Schicht aus heißem Eisenplasma befindet sich eine feste Kruste in kristalliner Form. In dieser Kruste entladen sich manchmal aufgebaute Spannungen als Sternbeben. Darunter befindet sich supraflüssige und supraleitende Neutronenflüssigkeit, den Kern stellt man sich als einen festen Block vor, der vielleicht aus Quarks bestehen könnte. Dies bleibt allerdings vorerst reine Spekulation, da wir solche extremen Bedingungen in keinem Labor simulieren können.

Um sich eine Vorstellung von der Stärke eines solchen Magnetfeldes machen zu können, besuchen wir in Gedanken einen Magnetar:

Bereits aus einer Entfernung von 200 000 [Km] wird er unsere Kreditkarten löschen und uns die Münzen aus der Geldbörse ziehen. Der Verlust unserer Zahlungsmittel wäre dann aber bei weiterer Annäherung unsere geringste Sorge! Solch ein Magnetfeld ist für jeden Organismus absolut tödlich, da es direkt die Atome und Moleküle beeinflusst. Wir sollten also lieber auf respektvoller Distanz bleiben. Unsere Körper würden zudem vom Gezeiteneffekt der übermächtigen Gravitation in die Länge gezogen wie Bandnudeln. Den Rest würde uns dann noch die extreme Gamma- bzw. Röntgenstrahlung besorgen. Doch auch aus einem anderen Grund sollten wir von unserem Besuch Abstand nehmen, denn es gäbe nicht viel für uns zu sehen: Die größten Gebirge der Erde wären auf einem Neutronenstern auf die Größe einer Ameise zusammengequetscht. Die ungeheure Gravitation eines Neutronensterns lässt keine Erhebungen zu.

Das enorme Magnetfeld hat auf den jungen Neutronenstern einen bedeutenden Einfluss, denn es bremst seine Rotation. Das geschieht sehr schnell und ein großer Teil der ursprünglichen Rotationsenergie wird der Schockwelle der Supernova zusätzlich hinzugefügt. Bereits nach rund 10 Sekunden ist die Rotationszeit des Sterns länger als die Konvektionszeit, und der Dynamo "schaltet" ab. Inzwischen hat sich der Stern schon etwas "abgekühlt", die Konvektion stoppt und es kristallisiert eine Kruste an der Oberfläche. Ein erheblicher Teil des Magnetfeldes (bis zu 1010 [T]) wird nun quasi in die Kristallstruktur der Kruste eingefroren und bleibt so erhalten.

Magnetare sind sicherlich die stärksten Magnete im gesamten Kosmos. Wie auch schon bei den Pulsaren erwähnt, bremst ein solches Magnetfeld die Rotation. Bei den Magnetaren ist es so stark, dass die Rotation um den Faktor 10 000 stärker abgebremst wird als bei üblichen Neutronensternen.

MagnetarDiese Animation veranschaulicht den plötzlichen Ausbruch von Gammastrahlung auf einem Magnetar. Das extreme Magnetfeld erzeugt gewaltige Spannungen in der Kruste des Neutronensterns, die sich in Sternbeben entladen. Durch diesen Vorgang wird ein Gammastrahlenflash ausgelöst.

Das Magnetfeld zeigt darüber hinaus auch noch andere Wirkungen. Es durchwalkt und verformt die Kruste, in dessen Folge sich ungeheure Spannungen aufbauen, welche sich dann in Analogie zu Erdbeben in Sternbeben entladen. Die Kruste kann dabei sogar aufreißen, und durch diese Vorgänge werden äußerst energiereiche Gamma- oder Röntgenblitze (Flash) ausgesandt. Man nennt solche Pulsare daher auch Soft Gamma-ray Repeater (SGR), weil sie im Gegensatz zu den Gamma- Bursts immer wieder von derselben Quelle empfangen werden. Die Ausbrüche harter Gamma- bzw. Röntgenstrahlung dauern nur einige Sekunden, hierbei wird aber soviel Energie freigesetzt, wie die Sonne in einem ganzen Jahr emittiert. Darauf hin folgt eine ruhige Phase des Magnetars von Monaten oder Jahren.

Man nimmt an, dass ein Magnetar in den ersten 10 000 Jahren seiner Existenz als Gammapulsar auftritt, danach dann noch vielleicht 30 000 Jahre im Röntgenbereich seine Impulse aussendet. Die Rotation verlangsamt sich immer mehr, das Magnetfeld wird stetig schwächer, der Neutronenstern erkaltet und zurück bleibt ein dunkler, supermassiver Ascheklumpen. Berechnungen zufolge könnten allein in unserer Galaxie zwischen 1 und 100 Millionen solcher "Sternleichen" umhergeistern, die allerdings noch längst nicht völlig abgekühlt sein werden. Dennoch sollten raumfahrende Intelligenzen vor solchen Schwerkraftmonstern auf der Hut sein..

Krümmungen:

Zu Beginn unserer Reise zu den wohl skurrilsten Objekten im Universum sollten wir uns ein wenig mit Krümmungen vertraut machen. Sie werden nämlich noch eine bedeutende Rolle spielen.

 

[H2SO4]

Die Allgemeine Relativitätstheorie (ART) ist eine Theorie der Gravitation. Seit Isaac Newton der berühmte Apfel auf den Kopf fiel, wissen wir alle was Gravitation ist: Die Anziehungskraft, die zwischen zwei Massen herrscht. Die Kraft also, die uns auf dem Erdboden festhält und verhindert, dass wir in den Weltraum entschweben. Solange die Massen und damit die Anziehungskräfte nicht sehr groß sind, können wir beruhigt mit dem Newtonschen Gravitationsgesetz weiterrechnen wie bisher. Wenn allerdings die Massen und damit die Gravitation sehr groß werden, müssen wir die ART zu Rate ziehen, denn hier versagt Newtons Gesetz. Einsteins Theorie besagt nun, dass die Gravitation nicht wie bei Newton eine Kraft ist, mit der sich zwei Körper anziehen, sondern dass Materie die Raumzeit krümmt. Alles sich bewegende im Weltraum muss diesen Krümmungen folgen, jede Materie und sogar das Licht.

Die Materie sagt der Raumzeit, wie sie sich zu krümmen hat, und die Raumzeit sagt der Materie, wie sie sich bewegen muss

Stellen wir uns einmal einen Billardtisch vor. An einer Schmalseite haben wir zwei schiefe Ebenen aufgestellt, von der wir jetzt gleichzeitig zwei Kugeln starten. Jedem ist sofort klar, dass die beiden Kugeln völlig parallel bis zur gegenüberliegenden Bande laufen werden. Wenn aber eine kleine Erhebung auf dem Tisch ist, so laufen die Kugeln auseinander:

Es könnte auch jemand eine Beule in den Tisch geschlagen haben, dann werden sich die Bahnen der Kugeln überschneiden: Wir sehen also, dass die ehemals parallelen Bahnen der Kugeln gekrümmt werden, und zwar in Abhängigkeit von der Geometrie des Untergrundes. Die Anwesenheit von Masse verändert nun in ähnlicher Weise die Geometrie der Raumzeit, sie wird gekrümmt. Sterne, Planeten oder Monde müssen nun nicht mehr den Newtonschen Kräften der Gravitation folgen. Sie bewegen sich frei entlang den Krümmungen der Raumzeit! Gravitation ist nicht polarisiert, sie wirkt stets anziehend, deshalb entspricht die Krümmung der Raumzeit immer einer Beule bzw. Mulde.

Solange wir uns mit nur wenigen Dimensionen beschäftigen, sind Krümmungen leicht begreiflich. Betrachten wir dazu eine einfache geometrische Figur, den Kreis:

In der Skizze sind zwei Kreise mit völlig unterschiedlichem Durchmesser aufgezeichnet. Es ist leicht einzusehen, dass der kleine Kreis eine viel stärkere Krümmung hat als der große. Wenn wir den Durchmesser eines Kreises nun immer größer wählen, ihn zum Schluss unendlich groß werden lassen, dann wird die Krümmung am Ende verschwinden (sie ist dann gleich Null) und wir erhalten eine Gerade.
Lassen wir dagegen den Kreisradius immer kleiner werden, wird die Krümmung immer stärker. Am Ende ist aus dem Kreis ein Punkt geworden, der unendlich klein ist. Die Krümmung des Kreises ist jetzt unendlich groß! Ähnliches geschieht mit der Raumzeit im Innern eines Schwarzen Lochs, hier ist alle Materie zu einem punktförmigen Gebilde zusammengequetscht und die Raumzeit wird unendlich gekrümmt!

Doch zurück zum Kreis: Das ist ein einfaches, eindimensionales geometrisches Gebilde. Der Kreis hat einen Umfang bzw. eine "Länge", aber keine Breite und Höhe. Daher ist seine Krümmung leicht vorstellbar. Die Beschreibung von Krümmungen wird aber schnell kompliziert, wenn mehr Dimensionen im Spiel sind.

Gehen wir zunächst einen Schritt weiter und fügen dem Kreis eine zweite Dimension hinzu, die Höhe, womit wir einen Zylinder erhalten:

Wenn wir nun die Oberfläche des Zylinders betrachten, so benötigen wir zwei Angaben zur Beschreibung der Krümmung. Die Zylinderachse, wie man sieht, weist allerdings eine Krümmung von Null auf. Senkrecht dazu haben wir wieder die Krümmung des Kreises vor uns. Die Gesamtkrümmung ist der Kehrwert der Krümmungsprodukte, im Falle des Zylinders also praktisch Null. Zum Beweis können wir den Zylinder aufschneiden und völlig plan auf einer Fläche ausbreiten. Das erhaltene Rechteck entspricht voll und ganz der euklidischen Geometrie und versinnbildlicht eine flache Raumzeit.

Wir bewegen uns noch immer im zweidimensionalen Raum, betrachten jetzt aber eine Kugeloberfläche. Selbst wenn wir nur ein kleines Stück herausschneiden und versuchen es plan hinzulegen, wird das nicht mehr gelingen! Die Fläche reißt ein, weil der Flächeninhalt kleiner ist als der eines Kreises mit demselben Durchmesser.

Die Geometrie des Euklid verlassen wir nun und betreten das Reich der gekrümmten Räume, diese Mathematik wurde von Bernhard Riemann bereits im 19. Jahrhundert entwickelt. Die Kugeloberfläche als einfachstes Beispiel zeigt, dass die Gesetze der euklidischen Geometrie nicht mehr anwendbar sind.

Wenn wir versuchen, eine gerade Linie von einem Punkt auf der Erde zu einem anderen zu ziehen, so ist diese Linie immer Teil eines Großkreises. Diese, auf der positiven Krümmung einer Kugeloberfläche verlaufenden Linien nennt man Geodäten. Allen möglichen Geodäten gemeinsam ist das Kugelzentrum als Mittelpunkt, Parallele sind nicht mehr möglich. Zeichnen wir einen Kreis auf die Oberfläche, so ist das Verhältnis Umfang : Radius nicht mehr 2À, sondern kleiner als bei einem euklidischen Kreis! Bei einem auf die Kugel gezeichneten Dreieck ergeben sich mehr als 180° für die Winkelsumme.

Krümmungen verändern sich in der Natur von Millimeter zu Millimeter, verlaufen recht wild umher. Die Unebenheiten der Erdoberfläche (z.B. Gebirge) sind ein anschauliches Beispiel für dreidimensional verlaufende Krümmungen. Nun wird es allerdings schon recht kompliziert, diese Krümmungen zu beschreiben!

Krümmungen können durchaus auch negativ verlaufen. Während die grundlegende Form positiver Krümmungen die Kugeloberfläche ist, steht eine sattelförmige Oberfläche für negative Krümmungen:

Wenden wir uns nun der vierdimensionalen Raumzeit zu. Wir sehen Raum und Zeit in unserem Alltag gewohnheitsmäßig getrennt voneinander, aber das entspricht nicht der Realität. Stellen Sie sich einmal ein Universum ohne Zeit vor. Es wäre völlig unsinnig, denn es könnten darin keine Ereignisse stattfinden. Damit aber ein Ereignis stattfinden kann, benötigt man einen Ort (3 Raumdimensionen), an dem es ablaufen kann und man muss wissen, wann das erfolgte (1 Zeitdimension). Ohne Zeit gäbe es nicht die kleinste Bewegung, kein Planet würde einen Stern umlaufen, nicht mal ein Elektron einen Atomkern "umkreisen". Materie könnte also gar nicht existieren (höchstens Strahlung), es gäbe praktisch nichts als Raum. Hermann Minkowski erkannte schon 1908, dass Raum und Zeit unzertrennlich zu einer Einheit verbunden sind. Wir haben es in der Tat mit einem eigenständigen, vierdimensionalen Gebilde zu tun, dem Raumzeit- Kontinuum. Minkowskis Raumzeit ist flach, quasi euklidisch. Wenn die Geschwindigkeiten klein sind, können wir auch beruhigt Minkowskis Raumzeit anwenden, ebenso wie die Newtonschen Gesetze oder die Spezielle Relativitätstheorie. Das gilt aber nicht mehr, wenn die Geschwindigkeiten hoch werden (relativistisch), oder wenn große Massen ins Spiel kommen!

Krümmung der RaumzeitStellen wir uns die vier Dimensionen auf ein zweidimensionales, gespanntes Tuch reduziert vor. Legt man einen Gegenstand auf das Tuch, so wird es sich nach unten "ausbeulen", es wird gekrümmt. Je größer die Masse ist, umso stärker ist diese Krümmung. Legen wir ein Schwarzes Loch auf das Raumzeit- Tuch, so wird die Krümmung sogar unendlich! Alle Körper im Kosmos krümmen nun die Raumzeit in dieser Weise, mehr oder weniger, je nach ihrer Masse. Die Krümmung von Masse ist immer positiv. Die umgebende Raumzeit reagiert darauf mit einer negativen Krümmung, sie wird sattelförmig verzerrt. Es entsteht quasi eine "Beule" in der Raumzeit und alles, Materie oder Licht, muss diesen Krümmungen folgen. Nach und nach heben sich die Krümmungen gegenseitig auf, je weiter man sich von der Masse entfernt.

Bei kleinen Körpern wie der Erde wirken sich die Raumzeitkrümmungen kaum bemerkbar aus, sie werden erst bei großen Massen spürbar. So wird z.B. das Licht eines Sterns beim Vorübergang nahe der Sonnenscheibe um einen kleinen, aber messbaren Winkelbetrag abgelenkt. Die Position des Sterns verschiebt sich dabei etwas am Himmel, weil die Sonne die Raumzeit krümmt und das Licht dieser Krümmung folgen muss. Große Massen wie Galaxien oder Galaxienhaufen wirken durch ihre starken Krümmungen sogar als Gravitationslinsen.

Betrachten wir das Universum auf großen Skalen, stellen wir fest, dass es überwiegend aus leerem Raum besteht. In dieser großräumigen Sichtweise sind deshalb auch keine nennenswerten Krümmungen festzustellen, so dass man von einer euklidischen oder "glatten" Raumzeit sprechen kann, einer Raumzeit also ohne Krümmungen. Nur an Orten großer Massekonzentrationen (Sterne, Galaxien) wird man Krümmungen finden.

Glatte RaumzeitStellen wir uns nun noch vor, wir könnten mit einem Mikroskop, welches beliebige Vergrößerungen erlaubt, die Raumzeit betrachten. Hier sehen wir einen Ausschnitt der Raumzeit, der eine Ausdehnung von nur einem Billionstel [cm] hat. Wir sehen - nichts! Die Raumzeit ist so glatt wie wir sie bereits kennen. Man kann das gut mit einer Flüssigkeit vergleichen: Betrachten Sie ein Glas Wasser, so erscheint die Oberfläche völlig glatt.

Gekräuselte RaumzeitUnser Supermikroskop kann aber noch mehr, und so nutzen wir unsere Chance und schauen uns einen Abschnitt an, der nur noch 10-30 [cm] misst. In diesem unvorstellbar kleinen Segment sehen wir, dass Bewegung in die Raumzeit kommt. Wir erkennen leichte Kräuselungen, so, als wenn ein sanfter Wind auf der Oberfläche eines Sees kleine Wellen entstehen lässt. In unserem Wasserglas- Beispiel könnten wir nun erste Strukturen erkennen, die sich durch die räumliche Anordnung der Wassermoleküle ergeben.

Chaotisch fluktuierende RaumzeitJetzt haben wir die Vergrößerung noch einmal um den Faktor 1000 herauf gefahren und befinden uns im Bereich der Planck- Wheeler- Länge, einer Strecke von nur noch 10-33 [cm]. Erstaunt stellen wir fest, dass aus den leichten Kräuselungen eine wilde Meeresbrandung geworden ist. Keine Regelmäßigkeit mehr kann unser Auge erkennen, die Raumzeit ist zu einem chaotischen Auf und Ab geworden. Das sind die Fluktuationen der Raumzeit, von deren tatsächlicher Existenz wir aber bis heute noch nicht sicher wissen. Die Oberfläche des Wassers würde uns ähnlich erscheinen. Wassermoleküle verlassen den Flüssigkeitsverbund und steigen chaotisch auf (das Wasser verdunstet), während gleichzeitig feinste Tröpfchen kondensierter Moleküle zurück fallen. Die Flüssigkeitsoberfläche ist in ständiger chaotischer Bewegung, als würde das Wasser kochen.

Wir haben nun die Raumzeit von den größten kosmischen Skalen bis herab zur kleinsten denkbaren Ausdehnung kennen gelernt und wie sie von Materie beeinflusst wird. Damit können wir uns jetzt in das Abenteuer Schwarze Löcher wagen.

Wenn es auch schwer fällt, kann man sich doch noch in etwa vorstellen, wie ein Stern an seinem Entwicklungsende zu einem Weißen Zwerg oder gar Neutronenstern umgewandelt wird. Wie es zu diesen Endstadien kommt, sahen wir in den vorausgehenden Kapiteln. Sicher ist es keine leichte Aufgabe, sich von den ungeheuren Materiedichten dieser Objekte ein "Bild" zu machen. Oder können Sie sich etwa vergegenwärtigen, einen Teelöffel voll Materie in der Hand zu halten, der ein Gewicht von einer Milliarde Tonnen hat?

Ungleich schwerer ist es sich auszumalen, was beim Kollaps eines viele Sonnenmassen schweren Sterns passiert. Unsere Sonne ist mit ihrer Masse von rund 2 × 1030 [kg] ein wirkliches Leichtgewicht, wenn auch

2 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 Tonnen

eine beeindruckende Größe darstellen. Sie ist mit einem Durchmesser von 1,5 Millionen [km] auch nur ein Zwerg unter den Sternen und kann aufgrund dieser Zahlen nie zu einem Schwarzen Loch kollabieren. Hierzu bedarf es einer viel größeren Materiemenge, sagen wir ein Stern von mindestens rund 40 Sonnenmassen (eine exakte Grenze, die darüber entscheidet, ob aus dem Stern ein Schwarzes Loch oder ein Neutronenstern entsteht, kann nicht angegeben werden). Sterne können durchaus auch eine 100fache Sonnenmasse erreichen und so leicht auf Durchmesser von deutlich über 1 Milliarde [km] verweisen.

Und nun dürfen Sie sich einmal vorstellen, wie eine derart gewaltige Gaskugel in sich selbst zusammen bricht und am Ende einen Durchmesser von - Null - hat!

 

[H2SO4]

Wie aber kann nun überhaupt aus einem Stern ein Schwarzes Loch entstehen? Im Zentrum eines Sterns (später auch in Schalen um den Kern) werden chemische Elemente durch Kernfusionsprozesse zu höheren Elementen verschmolzen, wobei Energie (Strahlung) freigesetzt wird. Der Strahlungsdruck und vor allem der Druck des extrem heißen Gases setzt der nach innen gerichteten Gravitation eine gleichstarke Kraft entgegen. Solange Fusionen ablaufen können, befindet sich der Stern in einem hydrostatischen Gleichgewichtszustand. Hydrostatisch deshalb, weil sich Gase, die wie in einem Stern unter hohem Druck stehen, ähnlich wie Flüssigkeiten verhalten. Irgendwann aber ist alles an Kernbrennmaterial verbraucht und es wird keine Energie mehr freigesetzt. Dieser Fall tritt spätestens dann ein, wenn das Zentrum aus einer riesigen Eisenkugel (das Eisen ist unter diesen Bedingungen gasförmig!) besteht, denn Eisen kann nicht weiter zu höheren Elementen fusioniert werden. Das Innere des Glutballs kühlt ab und damit lässt der Gegendruck nach. Die Folge davon ist, dass sich der Stern unter seiner eigenen Last zusammenzieht.

Ist der Stern bis zu 1,4 Sonnenmassen schwer, stoppen die Fusionen bereits, wenn aus dem Wasserstoff im Zentrum Kohlenstoff und Sauerstoff entstanden sind. Unter seinem eigenen Gewicht kontrahiert der Stern immer weiter. Die Temperatur im Innern steigt dadurch zwar weiter an, sie genügt jedoch nicht, um weitere Fusionen zu zünden. Bei Erreichen von etwa Erdgröße entarten die Elektronen, der so gebildete neue Druck stabilisiert den jetzt entstandenen Weißen Zwerg.

Zwischen 1,4 und etwa 2 Sonnenmassen schweren Restkernen, die nun bis hin zum Eisen fusioniert sind, führt die Energiekrise des Sterns zu noch kompakteren Körpern. Die Gravitation wird übermächtig und presst die Materie derart zusammen, dass sogar die Elektronen mit den Protonen zu Neutronen verschmelzen. Der Stern besteht jetzt fast nur noch aus diesen Neutronen. Bei einem Durchmesser von rund 20 [km] ist die Dichte so unvorstellbar groß, dass die Neutronen entarten und der Gravitation doch noch einmal Einhalt gebieten. Der nun gebildete Neutronenstern wird schlagartig inkompressibel und ist so dicht, dass ein Kubikzentimeter Materie 1 Milliarde Tonnen wiegt! Die restliche Hülle des Sterns stürzt mit 40 000 [km/s] auf die ultraharte Kugel und wird in Form einer Schockwelle zurückgeworfen. Eine Supernova explodiert und setzt ungeheure Energiemengen frei.

Ihren wahren Triumph feiert die Gravitation allerdings erst jetzt, wenn nämlich die Masse der Eisengaskugel im Sternzentrum mindestens zwischen etwa 2 und 3 Sonnenmassen beträgt und die Fusionen beendet sind. Es gibt nun keine Kraft mehr in der Natur, die der Gravitation entgegen wirken könnte. Innerhalb von Sekundenbruchteilen fällt das Zentrum in sich zusammen. Es gibt kein Halten mehr bei Erreichen der Erdgröße wie beim Weißen Zwerg, der Kollaps des Sterns stoppt auch nicht bei der Abmessung eines Neutronensterns. Der Zusammenbruch geht immer weiter, bis alle Materie in einem unendlich kleinen Punkt verschwunden ist, der so genannten Singularität.

Kollaps eines SternsWir befinden uns in sicherer Entfernung von einem Stern, der gerade den Gravitationskollaps zu einem Schwarzen Loch erfährt. Haben wir zunächst noch die riesige Scheibe vor Augen, sehen wir die recht schnelle Schrumpfung - der Stern fällt in sich selbst zusammen. Doch etwas stimmt hier nicht! Der Durchmesser verjüngt sich nicht, wie oben gesagt, auf Null. Scheinbar stoppt die Schrumpfung bei einem bestimmten Durchmesser und die restliche Scheibe wird nur noch dunkler und verschwindet dann völlig. Wo liegt der Fehler?

Zunächst muss hier gesagt werden, dass wir bis heute nicht wissen, was genau beim Gravitationskollaps eines sehr massereichen Sterns geschieht. Es ist möglich, dass die Sternhülle in einer Supernovaexplosion fort geblasen wird. Dann stimmt der obige kleine Film nicht, wir würden stattdessen nur einen extrem hellen Lichtblitz sehen können.

Wenn sich jedoch ein Schwarzes Loch bildet, so muss man wissen, dass solche Objekte keine feste Oberfläche aufweisen. Die herabstürzenden Gasmassen der Hülle würden nicht wie beim Neutronenstern abprallen, sondern einfach in das sich bildende "Loch" einströmen und unseren Blicken entschwinden.

Doch ist immer noch nicht klar, wieso wir nicht sehen können, dass der Stern tatsächlich immer weiterschrumpft bis zu einem verschwindend kleinen Punkt!
Hierzu muss man sich vergegenwärtigen, dass bei zunehmender Schrumpfung des Sterns die Massendichte der Materiekugel immer höher wird. Dabei steigt auch die Anziehungskraft an der Sternoberfläche immer weiter an, so dass jetzt sogar die Teilchen des Lichts, die Photonen, beträchtliche Arbeit aufwenden müssen, um dieser Anziehungskraft zu entkommen. Das bedeutet, dass Licht rotverschobener, wird. Das sichtbare Licht wird in Richtung des energiearmen Rot verschoben, wird dann Infrarot, zur Mikrowelle, zur Radiowelle usw., je größer die Gravitation wird. Der Stern wird also für uns immer unsichtbarer und weil das Licht auch gleichzeitig energieärmer wird, erscheint er immer dunkler.

Stellen Sie sich nun die Materiemenge von z.B. 40 Sonnenmassen, dem Rest des ehemaligen Gasballs von über 1 Milliarde [km] Ausdehnung (massereiche Sterne stoßen während ihres Lebens viel Materie in den Raum ab), auf eine Kugel von 120 [km] Durchmesser zusammengepresst vor. Die Gravitationskraft an der "Oberfläche" dieser Kugel ist jetzt so groß geworden, dass die Photonen nicht mehr entweichen können. Anders gesagt, wird die Rotverschiebung jetzt unendlich groß, die Fluchtgeschwindigkeit entspricht genau der Lichtgeschwindigkeit! Exakt bei Erreichen des kritischen Radius erlischt daher der Stern, wir können nicht mehr sehen, ob er noch weiter schrumpft oder überhaupt noch existiert. Scheinbar "friert" die Schrumpfung bei Erreichen dieser magischen Grenze ein, weshalb die Astronomen früher diese Kollapsare auch Gefrorene Sterne nannten.

Der kollabierte Stern entzieht sich nicht nur im sichtbaren Licht unseren Blicken. Informationen jeglicher Art können im materiefreien Raum, wie man (grob gesehen) den Raum zwischen den Sternen vorfindet, nur durch elektromagnetische Wellen übertragen werden. Die kleinste Energieeinheit jeder Welle aber ist stets das Photon, so dass weder Radio-, Wärme-, Röntgen- oder Gammastrahlung oder irgendeine andere den implodierten Stern verlassen können. Er ist somit im wahrsten Sinne des Wortes eingefroren: Seine Ausdehnung erstarrt, alle Informationen aus seinem Innern "gefrieren" und es wird tatsächlich nicht einmal mehr Wärme von dem gerade noch superheißen Stern ausgehen. Der amerikanische Wissenschaftler John Wheeler bedachte 1969 die gefrorenen Sterne mit dem sehr zutreffenden Ausdruck Schwarzes Loch. Alles was sich innerhalb der kritischen Grenze befindet oder ereignet, bleibt für immer darin gefangen. Nichts kann daraus entkommen, deshalb sind Schwarze Löcher auch wirklich schwarz!

Im nächsten Abschnitt werden wir sehen, was der kritische Radius genau ist, was unterhalb geschieht und was verschiedene Beobachter sehen können - oder auch nicht.

Wie wir gesehen haben, verschwindet der kollabierte Stern bei Erreichen einer bestimmten Grenze, dem kritischen Radius, nicht nur von unserer "Bildfläche", er schneidet sich völlig vom übrigen Universum ab. Der deutsche Astronom Karl Schwarzschild (1873-1916) hatte bereits 1916 aus der Einsteinschen Formulierung der Gravitationsgesetze, erschienen 1915 als Allgemeine Relativitätstheorie, die Krümmung der Raumzeit in der Umgebung eines nicht rotierenden Sterns abgeleitet. Wenig später berechnete er aus Einsteins Feldgleichungen auch die Raumzeitkrümmung innerhalb des Sterns. Beide Arbeiten legte er Einstein vor, der sie sofort begeistert veröffentlichte. Kurz darauf verstarb Schwarzschild an den Folgen einer Erkrankung, die er sich an der russischen Front zugezogen hatte.

Aus seinen Ableitungen folgte, dass es für jede Masse einen kritischen Radius gibt. Wird dieser unterschritten, existiert keine Kraft mehr in der Natur, die der Gravitation noch etwas entgegen setzen könnte. Unweigerlich setzt bei Erreichen dieser Ausdehnung der Kollaps zum Schwarzen Loch ein!

Dieser Schwarzschild- Radius beträgt beispielsweise für die Sonne lediglich 2,95 [km], für die Erde weniger als 1 [cm] und für einen Menschen gerade noch 10-23 [cm].

Wenn wir also Sonne, Erde oder Mensch derart zusammen pressen würden, entstünde jeweils ein Schwarzes Loch! Allerdings können wir vorerst beruhigt sein, denn es ist keiner noch so großen Kraft möglich, aus unsereins Schwarze Löcher zu zaubern. Von derart großen Kräften kann man sich kaum eine Vorstellung machen. Oder können Sie sich einen Apparat denken, der den gesamten Eiffelturm zu einer Kugel von 1 [cm] Durchmesser zusammenstaucht? Das wäre nur ein Kinderspiel im Vergleich zu dem, was die Gravitation aus einem Stern machen kann (weiter unten können Sie leicht selbst berechnen, was die Gravitation mit dem Eiffelturm anstellen könnte)!

Man bezeichnet eine solche Grenze auch als Ereignishorizont, weil jedes hinter diesem Horizont stattfindende Ereignis einem außenstehenden Beobachter für ewig verborgen bleibt. Wir rekapitulieren: Photonen innerhalb dieser Grenze sind unendlich rotverschoben bzw. können sie nicht überwinden, weil sie nicht schneller als Lichtgeschwindigkeit fliegen, die Fluchtgeschwindigkeit im Innern aber darüber liegt.

Sterne mit einem inneren Kern von mehr als etwa 3 Sonnenmassen werden bei ihrem Schrumpfungsprozess den kritischen Radius unterschreiten. Die Eigengravitation dieser Masse ist so stark, dass es für die weitere Verdichtung des Sterns kein Halten mehr gibt. Der Zusammenbruch zum Schwarzen Loch ist nun endgültig und unausweichlich.

Schwarzschild- Radius

Die kritische Grenzgröße rs, der Schwarzschild- Radius, wird berechnet nach:
rs = 2 × G × M/c2

 

[H2SO4]

wobei G die Gravitationskonstante (G = 6,67259·10-11[m3kg-1s-2]), M die Masse des Sterns und c die Lichtgeschwindigkeit ist.

Wie kommt man ausgerechnet auf diese Formel?
Wenn ein Körper ein Gravitationsfeld verlassen will, muss seine kinetische Energie größer als die potentielle Energie sein. Um nun die Entweichgeschwindigkeit aus einem Gravitationsfeld zu berechnen, das von einem Körper mit der Masse M und dem Radius r ausgeht, kann man die potentielle Energie GM/r der kinetischen Energie v2/2 eines Teilchens mit einer angenommenen Masse von 1 gleichsetzen. Wenn die kinetische Energie des Teilchens größer ist, kann es entweichen. Löst man die Gleichung auf, erhält man als Entweichgeschwindigkeit (2GM/r)1/2 .

Bei einem Schwarzen Loch ist die Entweichgeschwindigkeit am Ereignishorizont gleich der Lichtgeschwindigkeit, also können wir v = c setzen.
Das Ganze sieht dann so aus:
c2 /2 = GM/R
c2 = 2GM/R
Rc2 = 2GM
R = 2GM/c2

00 = 102 Eingabe : 1e2
1 000 000 = 106 Eingabe : 1e6
0,001 = 10-3 Eingabe : 1e-3
Einige Beispiele von Massen:

* Mensch: 75 [kg]
* Erde: 5.98e24 [kg]
* Sonne: 1.99e30 [kg]
* Stellares Schwarzes Loch: 3 Sonnenmassen = 6e30 [kg]
* Supermassives Schwarzes Loch: 2e36 [kg]

Masse in [kg]:

Der Schwarzschildradius beträgt [m]

Der Schwarzschildradius stellt also eine Grenze dar, mit der sich das Schwarze Loch vom Rest des Universums abschneidet. Unterhalb dieser Grenze kann kein Signal das Loch verlassen, ein außenstehender Beobachter kann deshalb kein Ereignis mehr erkennen. Sobald sich der Ereignishorizont ausgebildet hat, wird die Raumzeit in zwei Zonen unterteilt: Außerhalb des Horizonts können wir beliebig mit elektromagnetischen Wellen (Licht-, Radiowellen etc.) kommunizieren, Ereignisse beobachten usw. Innerhalb des Horizonts gelten jedoch andere Regeln. Signale können nicht mehr beliebig zwischen Ereignissen ausgetauscht werden, sondern müssen unausweichlich zum Zentrum eilen.

Nebenstehend ist ein Schwarzes Loch skizziert um zu verdeutlichen, dass der Ereignishorizont bzw. Schwarzschildradius dessen Ausdehnung bestimmt. Diese Größe ist ausschließlich von der Masse im Zentrum abhängig. Alles was sich innerhalb dieser Grenzen abspielt, bleibt uns für immer verborgen.

Damit befinden wir uns auch schon mitten im Schwarzen Loch. Zunächst stellt sich uns die Frage, was ist eigentlich aus dem Rest des Sterns geworden? Wir konnten ja nicht mehr sehen, ob er überhaupt noch weiter schrumpft. Stellen wir uns dazu vor, wir würden als "unzerstörbare" Beobachter den Kollaps des Sterns auf seiner Oberfläche miterleben. Zunächst werden wir nur bemerken, dass der Stern beginnt zu schrumpfen.

Armer Astronaut!Die Geschwindigkeit der Kontraktion wird aber zunehmend schneller und schon bald erreichen wir den Ereignishorizont. Hiervon "spüren" wir jedoch rein gar nichts! Der Ereignishorizont ist ja keine materielle Grenze, die uns irgendwie behindern würde. Lediglich Informationen und leider auch wir können nicht mehr nach außen gelangen. Inzwischen haben wir tüchtig "Fahrt" aufgenommen, den Horizont haben wir nämlich bereits mit Lichtgeschwindigkeit überschritten. Und es wird immer schneller, der Stern zu unseren Füßen schrumpft unaufhörlich weiter, bis er schließlich einen Durchmesser von - Null erreicht hat! Das allerdings bekommen wir nur noch am Rande mit, denn kurz vor Erreichen dieses Punktes fallen wir mit Überlichtgeschwindigkeit. Das ist hier möglich, weil die Raumzeit völlig verzerrt ist und nichts mehr mit unserem gewohnten Universum gemein hat. In unserem "normalen" Dasein waren wir noch zeitartige Wesen, weil unser Leben uns durch die Zeit führte. Bei Überschreitung des Horizonts wurden wir lichtartig, da wir uns mit Lichtgeschwindigkeit bewegten und Zeit daher für uns keine Rolle mehr spielte. Auf unserem Weg zur Singularität sind wir nun raumartig geworden, wir haben tachyonische Eigenschaften angenommen, weil wir uns jetzt mit Überlichtgeschwindigkeit ins Abenteuer stürzen. Unsere Unzerstörbarkeit nutzt nun leider auch nicht mehr viel. Durch immer stärker werdende Gezeitenkräfte wird unser geschundener Körper zum Schluss unendlich in die Länge gezogen, wobei er auch noch unendlich dünn zusammen gequetscht wird. Wenn man mit den Füßen voran nach unten fliegt, so wirkt auf sie eine viel größere Anziehungskraft aus als auf den Kopf. Diese Gezeitenkräfte machen sich jetzt extrem bemerkbar. Am Ende sind selbst all unsere Atome bis zur Unendlichkeit verzerrt, wenn sie mit dem zentralen Punkt verschmelzen.

Der einstige Stern riesiger Ausdehnung ist zu einem (fast) unendlich kleinen Punkt geschrumpft. Diesen Punkt im Zentrum des Schwarzen Loches nennt man Singularität. Der Stern implodiert nach der Allgemeinen Relativitätstheorie zu einem Punkt unendlich kleiner Ausdehnung und unendlich hoher Dichte. Die Gravitation ist hier unendlich hoch, die Krümmung der Raumzeit ebenfalls, so dass sie aufhört zu existieren. Auch die Gezeitenkräfte werden in der Singularität unendlich: Gegenstände werden in der einen Richtung unendlich gedehnt und gleichzeitig in einer anderen Richtung unendlich zusammengepresst.

Die Unendlichkeiten der Singularität erhält man irrtümlich, wenn sie nur mit Hilfe der Allgemeinen Relativitätstheorie beschrieben wird. Unendlichkeiten kommen in der Natur höchst selten vor (oder gar nicht), daher braucht man andere Hilfsmittel. Sicher ist, dass wir uns bei einer Singularität im Bereich der Quantenebene bewegen. Doch sie lässt sich nicht einfach mit der klassischen Quantenphysik beschreiben, weil die Gravitation hier alles dominiert. Im Innern Schwarzer Löcher haben alle unserer physikalischen Gesetze keine Gültigkeit mehr.

Quantenschaum So ist man immer noch auf der Suche nach der Quantengravitation, einer Theorie, welche die Allgemeine Relativitätstheorie mit der Quantenmechanik vereinigt. Mit ihrer Hilfe lässt sich die Singularität vermutlich als Quantenschaum beschreiben mit einer Ausdehnung von 10-33 [cm], der so genannten Planck- Wheeler- Länge. Man stellt sich vor, dass der Raum der Singularität auf diesen winzigen Skalen nicht mehr glatt ist, so wie wir ihn normalerweise kennen, sondern eher rauh und eine zufällige, schaumartige Struktur aufweist. Genauso ist es möglich, dass wir es hier neben den vier gewohnten mit weiteren, zusätzlichen Dimensionen zu tun haben. Die Topologie des Quantenschaums ist nicht mehr fixiert, sondern wird nur noch durch Wahrscheinlichkeiten beschrieben.

Bevor wir uns weiter mit dem Innern Schwarzer Löcher beschäftigen, müssen wir nochmals zurück zum Ausgangspunkt, zu dem Moment also, an dem der Stern beginnt zu kollabieren. Zum Glück brauchen wir nun aber den Höllenritt auf dem Stern nicht selbst durchzustehen, sondern wir überlassen das einem abgehärteten Astronauten. Dieser hat eine Uhr mitgenommen, die völlig synchron mit unserer Borduhr geht. Während wir in sicherem Abstand den Stern umkreisen, beginnt nun dessen Kollaps. Zusätzlich sendet die Uhr des Astronauten jede Sekunde ein Funksignal aus, so dass uns seine Zeit stets bekannt ist.

Zu Beginn der Kontraktion winkt uns der Astronaut noch schnell fröhlich zu und wir sehen, dass beide Uhren exakt dieselbe Zeit anzeigen. Wir beobachten die Schrumpfung, die nun immer schneller erfolgt. Nach unserer Berechnung erreicht der Stern exakt um 8:30 Uhr den kritischen Radius. Bis 8:29 Uhr können wir nichts Besonderes bemerken, die Uhren laufen synchron und der Astronaut schrumpft weiter mit dem Stern. Das bleibt auch so bis 8:29 Uhr und 59 Sekunden. Nun ändert sich aber alles dramatisch: Das 8:30 Uhr Signal trifft nicht mehr bei uns ein! Die Lichtwellen des Sterns (und die vom Astronauten) kommen in immer größeren Abständen an, je mehr sich der Stern dem Ereignishorizont nähert. Das bedeutet, dass die Lichtsignale immer röter werden (Rotverschiebung). Jetzt haben wir sehr viel Geduld aufzubringen, denn es wird unendlich lange dauern, bis der arme Astronaut im sich bildenden Schwarzen Loch verschwindet! Sehen könnten wir das leider nie, denn aufgrund des immer röter und gleichzeitig auch dunkler (weil energieärmer) werdenden Lichts würden wir den Astronauten gar nicht mehr sehen. Wir könnten lediglich ein Anwachsen des Horizonts feststellen, weil das Schwarze Loch ja um eine "Astronautenmasse" größer geworden ist.

Der Astronaut bekommt davon natürlich nichts mit.

Armer Astronaut!Er "erlebt" denselben Vorgang, wie wir ihn zuvor auf unserer Reise beobachteten. Seine Uhr geht völlig normal, und um Punkt 8:30 Uhr passiert er den Ereignishorizont, um Sekundenbruchteile später lang gezogen wie eine Spaghetti in der Singularität zu verschwinden.

Wieso diese Unterschiede aus den beiden Blickwinkeln?

Die gravitative oder relativistische Rotverschiebung des Lichts (und aller anderen elektromagnetischen Wellen) haben wir schon kennen gelernt. Bis jetzt wurde aber die Zeit noch nicht berücksichtigt! Gravitation, wenn sie genügend stark ist, kann merklich die Zeit beeinflussen, und zwar verlangsamen. Es handelt sich dabei um die gleiche Zeitdehnung, wie sie spürbar wird, wenn man sich der Lichtgeschwindigkeit nähert. Wenn sich nun der Ereignishorizont um den Stern schließt, so tritt derselbe Effekt ein, als wenn man sich mit exakt Lichtgeschwindigkeit bewegen würde: Für einen außenstehenden Beobachter bleibt die Zeit im betrachteten System stehen! Auch deshalb dauert es für uns unendlich lang, bis der arme Astronaut im Loch verschwindet. Er ist nun lichtartig geworden und ist damit wie ein Photon ohne Zeit.

 

[H2SO4]

Kollaps eines SternsHier ist als Raumzeitdiagramm der Kollaps eines Sterns dargestellt. Wir sehen, wie der Radius von unten beginnend, im Laufe der Zeit ständig kleiner wird. Lichtstrahlen können den Stern noch problemlos verlassen (eingezeichnet sind auch Lichtkegel, die sich vorerst noch in unserem Universum entfalten können). Wenn der kritische Radius erreicht ist, wird die Krümmung der Lichtkegel nach innen so groß, dass Licht nicht mehr entkommen kann. Wir sehen einen Lichtstrahl, der in diesem Moment emittiert wurde (rechts) und einen, der nach Schließen des Horizonts entstand (links). Letzterer kann nun nicht mehr entweichen, sondern wird zur Singularität hin gezwungen. Die Fluchtgeschwindigkeit ist gleich oder größer als die Lichtgeschwindigkeit. Geodäten von massebehafteten Teilchen, die sich noch außerhalb des Horizonts befinden, sind zeitartig. Das heißt, ihre Weltlinien liegen innerhalb eines Lichtkegels. Exakt auf dem Horizont sind sie lichtartig, da sie sich hier bereits mit Lichtgeschwindigkeit bewegen. Im Schwarzen Loch selbst werden die Weltlinien raumartig, Zeit verliert hier ihre Gültigkeit und das Teilchen rast mit Überlichtgeschwindigkeit auf die Singularität zu. Innerhalb des Lochs ist das möglich, weil die uns bekannte Raumzeit nicht mehr existiert.
Anzumerken ist an dieser Stelle, dass der Kollaps eines Sterns nur modellhaft beschrieben wurde. In der Realität kontrahiert ja zuerst das im Vergleich zum übrigen Stern kleine Zentrum zu einem Schwarzen Loch, und das innerhalb von Sekundenbruchteilen. Es hat sich also längst gebildet, wenn wir von außen immer noch auf die glühende Hülle sehen und vielleicht noch nicht einmal erahnen können, welche Katastrophe sich im Innern abspielte.

Schwarze Löcher haben wirklich seltsame Eigenschaften. Uns ist nun klar, dass die Gravitation dieser Gebilde ungeheure, besser gesagt unvorstellbare Größen annimmt. Nicht nur jede ins Loch einfallende Materie wird bis zur Unkenntlichkeit zerstört und verzerrt, ja selbst die Raumzeit wird arg gebeutelt. Das geht so weit, dass ihre Krümmung nach der Allgemeinen Relativitätstheorie in der Singularität unendlich wird. Raum und Zeit hören auf zu existieren!

Stellen wir uns die Raumzeit nochmals als ein gespanntes Tuch vor. Ist keine Materie zugegen, ist es flach und glatt. Legt man aber einen Gegenstand darauf, so wird das Tuch je nach Gewicht des Gegenstandes mehr oder weniger stark ausgebeult - es wird gekrümmt. Ein Schwarzes Loch beeinflusst die Raumzeit so stark, dass die Krümmung in dessen Zentrum unendliche Werte annimmt. Im nebenstehenden Diagramm sind der Horizont und die Singularität angedeutet, letztere befindet sich am untersten Punkt. In Wirklichkeit kann man das Geschehen nicht zeichnerisch darstellen, weil der Trichter unendlich lang und dünn werden müsste.

Wir wissen jetzt, was beim Kollaps eines Sterns zum Schwarzen Loch geschieht und was Beobachter an verschiedenen Orten ("Bezugssystemen") sehen würden. Aber bemühen wir doch noch einmal unseren armen Astronauten und lassen ihn eine Reise in das "fertige" Schwarze Loch unternehmen! Dazu muss er ungewöhnliche, übermenschliche Eigenschaften aufweisen, die es in der Realität natürlich nicht gibt. Doch er ist ja schon recht gut abgehärtet...

Wie oben gezeigt, ist die Krümmung der Raumzeit bereits in der Umgebung des Ereignishorizonts recht groß. Der Astronaut beginnt also seinen Abstieg zum Loch, indem er es vorsichtig umkreist. Er beginnt mit einer Umlaufbahn von z.B. 100 000 [km] Länge. Bereits jetzt spürt er deutlich, dass seine Füße stärker angezogen werden als sein Kopf, doch diese mörderischen Kräfte, die ihn am Ende zerreißen werden, ist er ja bereits gewohnt.
Während er jetzt weiter sinkt, beobachtet er, wie unter ihm das Schwarze Loch immer mehr an Größe zunimmt. Seltsamerweise nimmt nun der sichtbare Himmelsausschnitt im selben Maße ab, wie das dunkle Loch unter dem Astronauten anwächst. Das geht sogar so weit, dass sich das Schwarze Loch scheinbar auch seitlich um den Astronauten schließt, obwohl er noch weit vom Horizont entfernt ist. Wie ist das möglich?

LichtablenkungDer Astronaut sieht den Himmel in einem immer kleiner werdenden Durchmesser, je tiefer er zum Loch absinkt. Durch die ungeheure Gravitation in der Nähe des Horizonts werden die Lichtstrahlen immer mehr abgelenkt. Selbst das Licht von Sternen, die sich querab in horizontaler Position (90° vom Zenit) befinden, sieht der Astronaut nun direkt von vorn kommen. Anders ausgedrückt: Die Lichtstrahlen werden gezwungen, den immer stärkeren Krümmungen der Raumzeit zu folgen!

Aufbau eines Schwarzen LochsHier eine Skizze, in die wir verschiedene Abstände von der Singularität eingezeichnet haben. Der Ereignishorizont befindet sich im Abstand von einem Schwarzschildradius, also 1 rS. Im Abstand von 1,5 rS finden wir eine Bahn, auf der ein unter günstigstem Winkel eingebrachtes Photon sich gerade noch aufhalten kann. Man nennt diese Bahn daher auch Photonensphäre. Das Photon würde hier unendlich lang das Loch umkreisen. Bei geringster Unterschreitung dieses Abstandes wäre sein Absturz ins Loch allerdings besiegelt. Für den Astronauten gilt etwas anderes: will er das Loch nur umkreisen und sich eine Chance zur Rückkehr offen halten, so darf er sich in einer Distanz von höchstens 3 rS aufhalten, ansonsten ist er für immer verloren!

Das statische SchwarzschildlochNun können wir ein plastisches "Bild" eines Schwarzen Lochs zeichnen. Dass die Singularität eigentlich nicht dargestellt werden kann ist uns klar: Sie ist (fast) unendlich klein. Der Schwarzschildhorizont ist die absolute Grenze zwischen dem uns bekannten Weltraum und einem "irgendwas dahinter". Es ist ein "point of no return", wer ihn überschreitet, kann nie mehr zurück. Umschlossen wird das Loch im Abstand von 1,5 Schwarzschildradien von einer weiteren Grenze, der schon genannten Photonensphäre. Sobald diese Distanz minimal unterschritten wird, gibt es auch für das Licht kein Entrinnen mehr.

In dieser Computersimulation ist ein künstlicher Himmelsauschnitt dargestellt, wie der Astronaut das Schwarze Loch bei seiner Annäherung erblicken würde. Im linken Bild erkennt man die drei Gürtelsterne des Sternbilds Orion. In die rechte Bildhälfte wurde ein Schwarzes Loch "eingerechnet". Das Loch selbst ist natürlich nicht sichtbar, man sieht aber deutlich die Verzerrungen, die von seinem Gravitationsfeld hervorgerufen werden. Es wirkt aus dieser Distanz bereits als Gravitationslinse und erzeugt Doppelbilder der hinter ihm liegenden Sterne. Würde man sich dem Loch noch weiter nähern, so könnte man aus einem Blickwinkel das gesamte Weltall überschauen.

Unser tapferer Astronaut ist dem Ereignishorizont nun schon ziemlich nah gekommen. Die Raumzeitkrümmungen wirken sich immer stärker aus und das Licht des ganzen Universums wird in einen kleinen hellen Abschnitt seines Sichtfelds gebündelt. Selbst das Licht der hinter dem Beobachter liegenden Quellen kommt nun von vorn auf ihn zu (das wäre nicht der Fall, könnte er anhalten). Je tiefer er sinkt, umso kleiner wird die Sichtöffnung, dafür schließt sich immer mehr der schwarze Ereignishorizont des Lochs um den Astronauten.

Raum und Zeit werden mit dem Licht und unserem Astronauten ins Schwarze Loch gezogen. Genau in dem Moment, als er den Ereignishorizont überquert, wirft er einen Blick in die Unendlichkeit! Die Beeinflussung der Zeit durch die Gravitation erfährt er nun in voller Pracht. Obwohl seine Uhr für ihn völlig "normal" weiterläuft, sieht er jetzt die Vorgänge im Universum wie in einem wahnsinnigen Zeitraffer ablaufen. Doch schon ist dieser Anblick vorüber, denn nun ist der tapfere Astronaut im Innern des Schwarzen Lochs.

Jetzt wird es noch exotischer! Immer noch kann er Licht aus unserem Universum sehen, vielleicht als verschwommenes Halo. Wenn er genau hinsieht, kann er denselben Film wie zuvor anschauen, nur läuft dieser jetzt rückwärts. Nach einer Weile kann er sogar sehen, wie er aus dem Schwarzen Loch steigt und erlebt rückwärts noch einmal alle Ereignisse bis zu seinem Start. Erst wenn unser Held in die Mitte des Lochs gelangt, wird er nichts mehr von unserem Universum sehen, denn nun gelangt er in die fürchterliche Singularität, in der die physikalischen Gesetze ihre Gültigkeit verlieren.

Eine solche Reise in ein Schwarzes Loch ist natürlich nur fiktiv. Wie wir noch sehen werden, sind die meisten Schwarzen Löcher von einer Scheibe glühend heißen Plasmas umgeben. Hinzu kommen Gezeitenkräfte, die jeden noch so stabilen Körper bis zur Unkenntlichkeit zerfetzen. Selbst bei superschweren Ausgaben dieser Objekte, bei denen die Gezeitenkräfte am Horizont noch erträglich wären, stürzt jede Materie ab dem Horizont unweigerlich mit Lichtgeschwindigkeit zur Singularität. Falls man überhaupt bis zum Horizont gelangen würde, denn die meisten Löcher rotieren, sehr schnell, und die mitrotierende umgebende Raumzeit zwingt allem diese Bewegung mit bis zur halben Lichtgeschwindigkeit auf...

Die Folgerungen der Allgemeinen Relativitätstheorie Einsteins lassen noch weitere, interessante Aspekte zu: Es gibt Symmetrien der Zeit. Das bedeutet, dass Zeit vorwärts und rückwärts laufen könnte (siehe hierzu auch Hawkings Universum). Daraus lässt sich folgern, dass die Zeit, wenn sie am Ereignishorizont eines Schwarzen Loches bereits stehen bleibt, sich in der Singularität umkehrt und dann rückwärts laufen könnte. Wenn man diesen Gedanken weiter verfolgt, kommt man zum Schluss, dass es auch "umgekehrte" Schwarze Löcher geben könnte.

Ein Schwarzes Loch ist ein Objekt, aus dem nichts mehr entweichen kann. So wäre es denkbar, dass irgendwo im Universum ein Ort existiert, an dem die umgekehrte Version zu Tage tritt und in welche nichts hineingeraten, nichts eindringen kann. Im Gegenteil: es müsste Materie und Energie emittieren. Das könnte man als Weißes Loch bezeichnen. Das größte Weiße Loch war sicherlich unser Kosmos zum Zeitpunkt des Urknalls, ein winziger Ort, aus dem Energie nur so "sprudelte". Manche Astrophysiker glauben, dass die Materie und die Energien, die ein Schwarzes Loch aufsaugt, an einem ganz anderem Ort des Kosmos, vielleicht sogar in einem anderen (Parallel-) Universum oder in einer unbekannten Dimension wieder "ausgespuckt" werden.
Dies ist jedoch ein rein theoretisches, mathematisches Modell, ob Weiße Löcher tatsächlich existieren, ist niemandem bekannt.

Das stört unseren Astronauten jetzt aber auch nicht mehr. Er stürzt weiter zur Singularität. Wenn er in ihre Richtung sieht, erkennt er einen winzigen Lichtpunkt in der Mitte.

Blick auf die SingularitätDieses Licht in der Mitte kommt aus einem anderen Universum. Umgeben ist es von tiefer Schwärze, doch sieht er immer noch einen Halo, Licht aus unserem Universum. Je tiefer der Astronaut sinkt, umso schmaler wird der dunkle Rand. Kurz bevor er endgültig in der Singularität verschwindet, sieht er vor allem Licht und er kann erkennen, was sich im anderen Universum abspielt. Nur - die Zeit dort verläuft der unseren genau entgegengesetzt.

Ein Wurmloch verbindet zwei UniversenSchon 1935 erkannten Einstein und Nathan Rosen, dass die Allgemeine Relativitätstheorie "Brücken" in der Raumzeit zulässt (Einstein-Rosen-Brücke). Heute bezeichnen wir diese als Wurmlöcher. Sie stellen quasi einen Verbindungstunnel dar zwischen einem Schwarzen und einem Weißen Loch, möglicherweise könnten Wurmlöcher sogar zwei Universen miteinander verbinden. Durch diesen Tunnel könnte das Licht gelangen, das unser Astronaut sah, kurz bevor er auf Nimmerwiedersehen in der Singularität verschwand. Bitte planen Sie nun aber keine Reise durch ein Wurmloch in ein anderes Universum! Solche Wurmlöcher schnüren sich in der Mitte fast unendlich dünn ein, und bei der geringsten Störung reißt die Brücke sofort ab. Zudem: Nicht einmal unser äußerst robuster Astronaut hat den Sturz in die Singularität überlebt...

Vieles von dem, was der tapfere Held auf seiner Reise sah, ist Spekulation. Niemand weiß, ob es andere Universen gibt, ob Weiße Löcher oder Wurmlöcher existieren oder wie es im Innern Schwarzer Löcher aussieht. Aber wir erkennen, welche Faszination von diesen simplen Gebilden ausgeht. Sehen wir nun, was geschieht wenn Schwarze Löcher auch noch rotieren!

Bis jetzt haben wir Schwarze Löcher als einfache, simple Gebilde kennen gelernt, was sie im Grunde auch sind. Man kann sie recht kurz beschreiben durch ihre Masse und dem daraus folgenden Radius. Eine Lösung der Einsteinschen Feldgleichung ("Reissner-Nordström-Lösung") weist darauf hin, dass Schwarze Löcher eine elektrische Ladung besitzen können, was ein weiterer Aspekt ihrer Beschreibung wäre. Es spricht nichts dagegen, dass aus dem Loch elektrische Feldlinien herausragen. Wären sie positiv geladen, würden z.B. Elektronen angezogen, bei negativer Ladung Protonen. Diese Teilchen würden bei ihrem Sturz ins Loch dessen Ladung recht schnell neutralisieren. Das aus dem Grund, weil Schwarze Löcher im Kosmos stets von Materie umgeben sind. Materie besteht aus Elektronen und Protonen (sowie Neutronen), also positiven und negativen Ladungen. Die elektrostatischen Anziehungskräfte eines geladenen Schwarzen Lochs sind eine Milliarde Milliarden Mal stärker als seine Gravitation, daher wäre seine Ladung in kürzester Zeit durch Anziehung der entgegengesetzt geladenen Teilchen neutralisiert. Eine weitere Betrachtung geladener Löcher erübrigt sich daher, denn in der Natur werden wir sie kaum antreffen.

Etwas sehr Wichtiges wurde bei den bisherigen Betrachtungen allerdings noch nicht beachtet: Alle Sterne, die wir beobachten können, rotieren! Bis jetzt führte unsere Reise lediglich zu "statischen" Schwarzen Löchern, also solchen, die nicht rotieren. Doch wenn ein Stern kollabiert, dann muss nach dem physikalischen Gesetz der Drehimpuls erhalten bleiben, es sei denn, er wird durch eine äußere Kraft gebremst. Weil es keine "Bremse" bei einem solchen Ereignis gibt, werden somit die allermeisten Schwarzen Löcher rotieren!

Damit haben wir alles beisammen, um ein Schwarzes Loch zu beschreiben:

Masse Drehimpuls Ladung

Mehr als das kann man niemals über ein Schwarzes Loch erfahren. Man kann hinfliegen und diese Größen messen, aber man wird nie herausbekommen, ob das Loch z.B. aus einem Stern entstanden ist oder vielleicht sogar aus Antimaterie besteht. Nun wird man sich fragen, was passiert denn mit dem Magnetfeld des Sterns, wenn er kollabiert? Es müsste doch zu ungeheurer Stärke verdichtet werden, noch viel mächtiger als bei den Magnetaren. Doch auch hier siegt die Gravitation. Die magnetischen Feldlinien werden immer mehr nach unten gebogen und wenn der Stern den kritischen Radius erreicht hat, ragt keine einzige mehr aus dem Loch heraus. Die Gravitation lässt es nicht zu, dass wir mehr als die drei oben genannten Größen erfahren! Diese Eigenschaften, die ein Schwarzes Loch zu einem "simplen" Gebilde machen, beschrieb 1971 John Wheeler mit dem prägnanten und durchaus zweideutigen Satz

Schwarze Löcher haben keine Haare!

John WheelerMit den Haaren ist natürlich all das gemeint, was aus dem Schwarzen Loch, dem Horizont, herausragen könnte. Mit seinem Satz erregte John Wheeler verständlicherweise einige Unruhe unter seinen Wissenschaftskollegen, doch bald legte sich die Aufregung über diese "Obszönität". Heute findet dieser Ausspruch in jeder Abhandlung über Schwarze Löcher seinen selbstverständlichen Platz.

Gegenstände wie Sterne, Hühner oder Autos sind komplizierte Gebilde. Um jedes noch so kleine Detail, bis in den atomaren Aufbau, beschreiben zu können, würde man viele Milliarden von Parametern benötigen. Ein Schwarzes Loch dagegen reduziert alles auf die drei genannten Größen. Es "vergisst" praktisch alles, woraus es entstanden ist und wie der ursprüngliche Aufbau beschaffen war. Masse, Drehimpuls und elektrische Ladung sind alles, was von Sternen, Hühnern oder Autos übrig bleibt, fallen sie in ein Schwarzes Loch. Schwarze Löcher sind die effektivsten Informationsvernichter im Universum (was der aktuellen Meinung von Stephen Hawking allerdings widerspricht, hierzu später aber mehr)!

Doch zurück zu Schwarzen Löchern, die rotieren.

Roy KerrDie Einsteingleichungen für rotierende, nicht geladene Schwarze Löcher sind vom neuseeländischen Mathematiker Roy Kerr erst 1963 gelöst worden, und man nennt solche Objekte nach ihm Kerrsche Löcher. Zunächst beschrieb seine Lösung die Krümmungen der Raumzeit um einen rotierenden Stern. Doch schon bald konnten Brandon Carter, Roger Penrose sowie R.Boyer und R. Lindquist nachweisen, dass Kerrs Lösung alle rotierenden Schwarzen Löcher umfasste. Und was ist an diesen Objekten nun anders als bei den Schwarzschild- Löchern?

Kerrsche Löcher rotieren nicht nur selbst, sondern zwingen allem in ihrer Umgebung diese Rotation auf! Alles, was sich in der Nähe des Horizonts aufhält. Licht oder andere Strahlung, Materie jeder Form und sogar die Raumzeit werden gezwungen, der Rotation des Lochs mit derselben Geschwindigkeit zu folgen. Man kann sich diesen Effekt (genannt frame- dragging) wie einen Strudel vorstellen. Das Mitreißen der Raumzeitgeometrie gilt im Prinzip für jeden rotierenden Körper (und wird dann nach ihren Entdeckern Lense-Thirring-Effekt genannt), ist aber verschwindend gering, solange der Körper nicht zum Schwarzen Loch kollabiert ist.

Rotation a = 0 Wenn Sie einmal den Stöpsel aus der Badewanne ziehen, sehen Sie, dass entfernt vom Abfluss die Wasseroberfläche (die "Raumzeit") noch relativ ruhig ist. Je näher man an den Abfluss herangeht, umso schneller und so wirbelnder werden die Bewegungen. Ähnlich auch beim Schwarzen Loch, direkt an der Oberfläche des Horizonts muss alles mit der Geschwindigkeit des Lochs rotieren. Hier zunächst in einem so genannten Einbettungs- Diagramm die umgebende Raumzeit eines nicht rotierenden Schwarzen Lochs, die Rotation entspricht a = 0. a ist der so genannte Kerr- Parameter, mit dem die Rotation Schwarzer Löcher bezeichnet wird. Er kann Werte zwischen 0 und +1 oder -1 annehmen. Der rote Kreis zeigt jeweils den Ereignishorizont.

 

[echnaton]

wow
da muss ich mir doch kein neues buch kaufen gehn :lol:

 

[H2SO4]

Rotation a = 1Bei einem mit maximaler Geschwindigkeit (a = 1) rotierenden Loch wird die umgebende Raumzeit in einer strudelartigen Form mitgerissen. Ein anderer anschaulicher Vergleich ist etwa ein Tornado, der einen ähnlichen Wirbel erzeugt. Wieso gibt es eigentlich eine maximale Rotationsgeschwindigkeit? Theoretisch könnte man doch einfach mit Drehimpuls behaftete Materie in das Loch werfen, um seine Rotation immer schneller werden zu lassen (der Drehimpuls muss ja erhalten bleiben). Da aber macht uns die Natur einen Strich durch die Rechnung.

Wenn Sie ihren Kaffee einmal extrem schnell umrühren, so wird ab einer bestimmten Drehzahl durch die Zentrifugalkraft das herrliche Getränk aus der Tasse spritzen, der Zusammenhalt der Flüssigkeit zerreißt. Auch Sterne können nicht mit jeder beliebigen Geschwindigkeit rotieren, denn sonst würden sie durch die Zentrifugalkräfte zerrissen. Das gilt auch für Weiße Zwerge, genauso wie für Neutronensterne, die nicht mehr als etwa 1000 Umdrehungen pro Sekunde durchführen können. Gilt das auch für ein Schwarzes Loch?

Durch die Zentrifugalkraft wird der Horizont (exakt ausgedrückt: die Ergosphäre, siehe weiter unten, der eigentliche Ereignishorizont wird nicht verformt) eines Schwarzen Lochs zusammengepresst, abgeplattet wie die Erde durch ihre Rotation. Irgendwann sollte er doch zerreißen, wenn wir immer mehr Materie mit Drehimpuls hineinwerfen? Leider nein. Es gibt für ein rotierendes Schwarzes Loch eine maximale Geschwindigkeit: Wenn es mit halber Lichtgeschwindigkeit rotiert (a = 1, = "Maximal- Kerr"), lassen es die Zentrifugalkräfte nicht mehr zu, dass Materie ins Loch fällt. Sie wird vom Horizont fortgeschleudert. Würde allerdings Maximal-Kerr tatsächlich exakt erreicht werden, könnten die Zentrifugalkräfte die Gravitation aufheben. Wir hätten dann ein Schwarzes Loch ohne Horizont geschaffen, denn der würde jetzt zerplatzen und wir könnten direkt auf die Singularität sehen!

Roger Penrose Man kann aber noch so trickreich vorgehen, wir können weder den Horizont zerstören, noch die Rotation beliebig steigern. Roger Penrose hat 1969 eine Hypothese aufgestellt, die so genannte Kosmische Zensur(cosmic censorship). Demnach ist es einem außenstehenden Beobachter zu keiner Zeit und an keinem Ort des Universums möglich, eine nackte Singularität zu erblicken, also eine Singularität ohne Ereignishorizont. Die Natur scheint uns das generell verwehren zu wollen. Jede echte ("intrinsische", ~aus sich selbst heraus) Singularität muss sich nach der Kosmischen Zensur hinter einem Ereignishorizont verbergen, vom Rest des Universums isolieren. Ein Beobachter kann eine Singularität nur erblicken, wenn er sich in das Schwarze Loch begibt. In der "Praxis" ist es also nicht möglich, dass ein Loch mit maximaler Geschwindigkeit rotiert, jedoch können viele Schwarze Löcher dem maximalen Drehimpuls sehr nahe komme

Beschäftigen wir uns nun ein wenig mit dem Horizont Kerrscher Löcher, besser gesagt den Horizonten:

ErgosphäreWie die Skizze schon andeutet, ist der Aufbau stark verändert gegenüber einem nicht rotierenden Loch. Außen umschließt eine so genannte Ergosphäre das Gebilde. Sie hat die abgeplattete Form eines Ellipsoids und stellt ein Gebiet um das Loch dar, in dem keine statisch ruhige Lage mehr möglich ist. Allem, was sich hier aufhält, Materie oder Strahlung, wird die Rotation des Schwarzen Lochs aufgezwungen (frame dragging). Die äußere Begrenzung der Ergosphäre wird deshalb auch statische Grenze genannt. Selbst wenn ein Körper Lichtgeschwindigkeit erreicht, kann er innerhalb der Ergosphäre keine statische Lage mehr einnehmen. Nicht eingezeichnet ist der Übersichtlichkeit halber hier die schon bekannte Photonensphäre, ein Bereich, in dem ein unter günstigem Winkel hinein gelenktes Photon gerade noch auf einer stabilen Bahn umlaufen kann, ohne in das Loch zu fallen.

Weder die Ergosphäre, Photonensphäre noch die statische Grenze stellen einen Ereignishorizont dar. Erst bei weiterem Eintauchen in das Kerr- Loch stoßen wir auf - zwei - Horizonte! Der äußere Horizont befindet sich vollständig innerhalb der statischen Grenze, an den Polen können Ergosphäre und äußerer Horizont sich überschneiden (bei a = 1). Dieser Horizont ist die eigentliche Grenze des Lochs, aus der keine Informationen mehr entweichen können. Darunter befindet sich ein zweiter Horizont, über dessen Bedeutung man sich noch nicht im Klaren ist. Noch weiter innen stoßen wir nun auf eine ringförmig aufgeblasene, jedoch unendlich dünne Singularität in der äquatorialen Ebene. Bei Maximal-Kerr liegt sie, wie dann auch der innere auf dem äußeren Horizont. Wird a = 0, haben wir es wieder mit einem Schwarzschild- Loch zu tun - die Singularität schrumpft zu einer Punktsingularität zusammen.

Hier eine weitere Darstellung, wie ein Kerr- Loch die Raumzeit und alles andere mit sich reißt (frame- dragging) und seine Rotation aufzwingt. Vielfach wird gesagt, dass durch die Ringsingularität völlig neue Möglichkeiten eröffnet werden: Man könnte sich oberhalb der Ringebene aufhalten oder sogar durch den Ring hindurch fliegen, zumindest bei supermassiven Löchern, da hier die Gezeitenkräfte noch erträglich wären. Der Ring stelle nicht das Ende der Raumzeit dar, wie es bei einer intrinsischen Punktsingularität der Fall ist. Prinzipiell könnten wir unseren Astronauten also wieder auf die Reise schicken, und nach manchen Vermutungen sollte er durch die Ringsingularität sogar andere Universen erreichen. Allerdings liegen solche Spekulationen jenseits jeder Realität, niemand kann den Sturz in ein Schwarzes Loch überleben! Zunächst einmal dürfte es keine Konstruktion und keinen Organismus geben, die den Belastungen der Rotation mit evtl. relativistischen Geschwindigkeiten schon in Horizontnähe widerstehen könnten. Direkt am Horizont hätte jeder Gegenstand Lichtgeschwindigkeit, um dann überlichtschnell weiter zu stürzen! Materie in der uns bekannten Form kann hier wohl nicht mehr existieren, weil die Geodäten der Teilchen raumartig werden. Das bedeutet, dass die Teilchen tachyonische Eigenschaften annehmen, sich außerhalb aller von uns fassbaren Grenzen bewegen. Deshalb bleibt fortan unser Astronaut von allen Blessuren verschont.

Mit freundlicher Genehmigung von J. Bergeron/Sky & Telescope

Damit kennen wir jetzt alle Arten von Schwarzen Löchern, die denkbar sind:

* Das Schwarzschild- Loch. Es ist statisch, rotiert also nicht und ist kugelsymmetrisch. Für seine Beschreibung genügt die Masse
* Das Schwarze Loch nach Reissner-Nordström: Es rotiert auch nicht, ist ebenfalls kugelsymmetrisch, aber elektrisch geladen
* Das Kerrsche Loch. Zu seiner Beschreibung braucht man Masse und Drehimpuls
* Die wahrscheinlichste Lösung eines Gravitationskollapses: Ein im Gleichgewicht befindliches, rotierendes Loch mit einer geladenen Masse. Es wird Kerr-Newman- Loch genannt.

Für die Masse eines Schwarzen Lochs ist keine Begrenzung bekannt, sie kann beliebige (!) Größen annehmen. Das gilt jedoch nicht für die Ladung und den Drehimpuls, ihnen ist ein oberes Limit gesetzt. Würde es überschritten, z.B. beim Kollaps eines Sterns, so könnte kein Schwarzes Loch entstehen, sondern eine nackte Singularität. Das aber verbietet die Kosmische Zensur!

Jetzt wollen wir uns ansehen was passiert, wenn Materie zu engen Kontakt mit Schwarzen Löchern hat.

Im letzten Kapitel wurde schon kurz erwähnt, dass Schwarze Löcher in der Realität in den allermeisten Fällen von Materie umgeben sein werden. Wie dicht diese Materie ist hängt davon ab, in welcher Region sich das Loch befindet. Hält es sich im intergalaktischen Raum auf, wird es nur von ein paar Atomen je Kubikmeter umgeben sein. An solchen Orten dürfte man allerdings selten auf Schwarze Löcher stoßen. Sie entstehen ja durch den Kollaps sehr massereicher Sterne, die sich aber durch ihre extrem schnelle Entwicklung nicht weit von ihrer Geburtsstätte entfernen können. Wenn wir also auf die Suche gehen wollen, sollten wir zunächst die Sternentstehungsgebiete in den Spiralarmen der Galaxien durchforsten. Hier können die Schwarzen Löcher von dichten Materiewolken umgeben sein, und das macht sie für uns sichtbar!

Wenn ein Körper von Materie umgeben ist, so übt er eine Anziehungskraft auf diese aus. Anziehungskräfte können enorme Größen annehmen, wenn wir z.B. an eine bestimmte Art von Röntgendoppelsternen denken (siehe hierzu auch "kataklysmische Veränderliche").

Weißer Zwerg gegen Roten RiesenIn solchen Systemen ist ein Weißer Zwerg von Erdgröße in der Lage, einen gigantischen Roten Riesen regelrecht aufzusaugen. Diesen Vorgang nennt man Akkretion (lat. accretio, "Zuwachs"). Wie in dieser Darstellung gezeigt, fließt Materie vom Roten Riesen über zu einem gravitationsstarken Weißen Zwerg. Die vom Roten Riesen stammende Materie fällt nicht einfach auf den Zwergstern herunter, sondern bewegt sich auf spiralförmigen Bahnen zum Zwerg und geht dort vorübergehend in Keplersche Umlaufbahnen über. Durch Scherung und Turbulenzen wird Drehimpuls in der gebildeten Materiescheibe nach außen transportiert, so dass Teilchen bzw. Partikel immer weiter nach innen wandern und schließlich zum Zwerg gelangen. Akkretion spielt nicht nur bei Röntgendoppelsternen eine wichtige Rolle, sondern auch bei gerade erst entstandenen Sternen und in den Zentren aktiver Galaxien (AGN, Active Galactic Nuclei).

Akkretion ist also kein seltener Vorgang im Kosmos. Dieses gravitationsbedingte Aufsammeln von Materie kann gehemmt werden durch den Gasdruck und durch Drehimpuls. Der Gasdruck kann aber durch Kühlung (einfache Wärmeabstrahlung) gemindert werden, Drehimpuls lässt sich umverlagern. Das geschieht in einer sich um das Schwarze Loch (oder den Stern) bildenden Akkretionsscheibe. Akkretionsscheiben entstehen, wenn die Scheibenmasse gering im Vergleich zu der des Zentralkörpers ist und die Geschwindigkeit der thermischen Teilchenbewegung geringer ist als die Umlaufgeschwindigkeit.

Schwarzes Loch in NGC 7052In der elliptischen Galaxie NGC 7052 hat das Hubble- Weltraumteleskop ein Schwarzes Loch entdeckt (links die Aufnahme eines erdgebundenen Teleskops). Was auf dem rechten Bild fast wie eine Radkappe aussieht, ist eine gigantische Akkretionsscheibe von 3700 Lichtjahren Ausdehnung im Zentrum der Galaxie. Diese riesige Staubmenge stammt vermutlich aus der Kollision mit einer anderen Galaxie, das Schwarze Loch benötigte mehrere Millionen Jahre um diese Scheibe auszubilden. Das Loch hat inzwischen eine Größe von 300 Millionen (!) Sonnenmassen erreicht.

Akkretionsscheiben sind normalerweise axialsymmetrisch und sehr dünn.

Akkretionsscheibe Sie bilden sich aus, wenn relativ kühles und drehimpulsarmes Material aufgesammelt wird. Die Kühlung erfolgt recht leicht durch einfache Abstrahlung der Wärmeenergie. Der Drehimpuls kann dann in der Scheibe abgebaut werden. Zum Verständnis dieses Vorgangs müssen wir uns vor Augen halten, dass in der Akkretionsscheibe differentielle Rotation vorherrscht. Das bedeutet, dass die Umlauf (Winkel) -geschwindigkeit im Scheibenzentrum am größten ist und nach außen hin abnimmt. Hinzu kommt die zum Zentrum hin zunehmende Materiedichte.

 

[H2SO4]

So bleibt es nicht aus, dass zwischen den Teilchen der Materie eine Reibung entsteht, wodurch sich das Material aufheizt. Radial benachbarte Regionen der Scheibe sind durch thermische (und/oder magnetische) Turbulenzen aneinander gekoppelt, innen rotierende Materie versucht benachbarte Regionen mitzureißen. Die Trägheit der weiter außen rotierenden Partikel erzeugt aber einen Bremseffekt. Allerdings sind die Scherkräfte in einer Keplerscheibe rotierenden Gases längst nicht hoch genug, um hydrodynamische Turbulenzen zu erzeugen (hydrodynamisch deshalb, weil sich die Materie in der Scheibe ähnlich einer Flüssigkeit verhält). Die genauen Vorgänge in Akkretionsscheiben sind daher noch nicht eindeutig geklärt. Hier könnten aber magnetische Effekte eine wesentliche Rolle spielen. Die Temperaturen in Akkretionsscheiben Schwarzer Löcher können sehr hohe Werte erreichen, bis zu vielen Millionen [K], vor allem in Nähe des Horizontes. Unter diesen Verhältnissen wird jede Form von Materie ionisiert, d.h. die Elektronen lösen sich von den Atomen und wir haben es mit einem Plasma zu tun. Aufgrund dieser enormen Temperatur emittieren Akkretionsscheiben überwiegend Röntgenstrahlung. Allerdings "kühlen" sich die Röntgenphotonen zum Teil auch ab, indem sie absorbiert und wieder emittiert werden. Je nachdem, wie oft dieser Vorgang wiederholt wird, ist die Scheibe am Ende auch im sichtbaren Licht zu beobachten. Umgekehrt können "kalte" Photonen auch wieder an Energie gewinnen, wenn sie an den hochenergetischen Teilchen der Scheibe gestreut werden (inverse Comptonstreuung), wodurch erneut Röntgen- oder Gammastrahlung entsteht.

Akkretion kann jedoch selbst dann stattfinden, wenn keine Kühlung durch Wärmeabstrahlung möglich ist. Diesen heißen Materiefluss nennt man ADAF (advection- dominated accretion flow). Die Hitze sorgt dafür, dass sich der Materiefluss regelrecht aufbläht und es nicht mehr zur Ausbildung der beschriebenen Akkretionsscheibe kommt. Vielmehr wird jetzt unser Raubtier aus annähernd kugelförmigen Schalen mit Materie gefüttert.
Doch zurück zu den Akkretionsscheiben:

Durch die Ionisation ist die Materie nun elektrisch geladen und die Reibung kann magnetische Polarisationen ausbilden, falls sie nicht schon von vornherein (z.B. durch den akkretierten Stern) vorhanden waren.

Kerrsches Loch mit Akkretionsscheibe und MagnetfeldLetzten Endes ist die abgestrahlte Wärmeenergie nichts anderes als umgewandelte und freigesetzte Gravitationsenergie. Durch die Reibung geben die innen umlaufenden Partikel Drehimpuls ab an die weiter außen laufenden. Das bedeutet, dass die innere Materie Drehimpuls verliert und damit zum Zentralkörper stürzen kann. Üblicherweise erfolgt die Abbremsung der inneren Scheibenmaterie recht langsam, weshalb ein Schwarzes Loch durchaus "sparsam" mit seinem "Futter" umgehen kann. Insgesamt aber ist die Umwandlung der Gravitationsenergie sehr effektiv: bis zu 20% der Ruhenergie der Materie wird in Strahlung umgewandelt.

Bis jetzt haben wir uns Bilder von rotierenden Schwarzen Löchern und ihren Akkretionsscheiben angesehen, wie sie ein Beobachter in der Realität eigentlich nicht wahrnehmen würde. Wir vergaßen nämlich die relativistischen Effekte, die durch die Raumzeitkrümmung hervorgerufen werden!

Reelle Ansicht einer AkkretionsscheibeWas wir hier sehen ist ein verzerrtes Abbild einer äquatorialen Akkretionsscheibe, wenn wir sie unter einem Winkel von 80° zur Symmetrieachse betrachten, wir also fast auf die Kante der Scheibe schauen. Neben der Kepler- Rotation ist in dieser Studie eine radiale Drift berücksichtigt, d.h. ab einem bestimmten Radius bewegt sich Materie im freien Fall auf den Kerr- Geodäten zum Loch. Die Scheibe endet am Rand der inneren Fläche, wobei dieser Rand den Ereignishorizont darstellt (in Wirklichkeit ist die Fläche völlig schwarz, denn durch die Gravitations- Rotverschiebung wird hier jede Strahlung unterdrückt). Die innere Fläche ist dabei das mit a = 0,8 rotierende Kerrsche Loch, welches natürlich nicht zu sehen ist. Was im Bild hell erscheint, ist das auf uns zukommende Licht des rotierenden Plasmas, es wird in unsere Richtung gebündelt. Es handelt sich hierbei um einen relativistischen Effekt ("Beaming"), der von sehr schnell bewegten ("relativistischen") Teilchen ausgeht: In Bewegungsrichtung wird die Strahlung immer mehr gebündelt, je schneller sich das Teilchen bewegt (Forward beaming). Hierdurch erscheint die Strahlungsquelle heller. Auf der anderen Seite wird dagegen die sich von uns wegbewegende Strahlung unterdrückt (Back beaming). Je näher wir zum Ereignishorizont hinüber sehen, umso schwächer wird das Licht, bis es direkt am Rand unendlich rotverschoben ist. Durch die starke Krümmung der Raumzeit sehen wir als Bogen oberhalb des Lochs die Unterseite der vorderen Scheibe. Das eigentlich von uns weggerichtete Licht wird um das Loch herumgelenkt, es wirkt als Gravitationslinse.

Bei schnellerer Rotation und veränderten Blickwinkeln wird das ungewöhnliche Bild der Akkretionsscheiben noch asymmetrischer und verzerrter, wie diese Simulation zeigt. Nahe dem Horizont erkennt man sogar Sekundärbilder des Scheibeninnenrandes. In diesem Fall handelt es sich um eine Scheibentrunkation, d.h. die Scheibe umgibt das Schwarze Loch torusförmig, weshalb eine Lücke zwischen Scheibe und Loch besteht.

ie Ausbildung magnetischer Strukturen in den Akkretionsscheiben führt uns zu einem weiteren erstaunlichen Effekt, nämlich der Entstehung so genannter Jets. Nicht alle zum Schwarzen Loch hinabstürzende Materie wird durch den Horizont zur Singularität gezwungen, ein Teil kann auch durch das Magnetfeld abgelenkt werden. Entlang der magnetischen Feldlinien wird die Materie extrem beschleunigt und gelangt zu den Polen des Schwarzen Lochs, von wo sie mit teilweise fast Lichtgeschwindigkeit in den Raum gestoßen wird.

Schwarzes Loch als BatterieKerrsche Löcher versetzen alles um sich herum in Rotation. Selbst die umgebende Raumzeit wird unweigerlich von dieser Bewegung zur Rotation gezwungen. Diese Rotation des Lochs kann aber gebremst werden, wenn es von ionisiertem Gas umgeben ist, welches ein Magnetfeld aufweist. Das Loch verhält sich wie ein rotierender elektrischer Leiter, und es bildet sich eine Spannungsdifferenz aus zwischen den Polen und dem Äquator, ganz ähnlich einer Autobatterie. Nur dass hier die Spannungsdifferenz nicht 12 Volt, sondern 1015 [V] beträgt! Irgendwo weit außerhalb des Lochs schließt sich der Stromkreis. Hier werden geladene Teilchen beschleunigt und bringen letztendlich die Jets hervor, die wir bei vielen Quasaren und ähnlichen Objekten ("AGN") beobachten. Es ist sogar möglich, dass durch die enorme Spannung Teilchen quasi aus dem "Nichts", aus dem (Quanten-) Vakuum erzeugt werden, vor allem Elektronen und Positronen, die beobachtete Synchrotronstrahlung lässt darauf schließen. Die entnommene Energie übt einen Zug auf das rotierende Loch aus, wodurch im Endeffekt die Drehbewegung gebremst wird. Die Rotation kann allerdings auch weiter beschleunigt werden, wenn nämlich das Loch Materie akkretiert und deren Drehimpuls übernimmt.

Jets sind also Ströme extrem beschleunigter Materie, besser gesagt aus Plasma, da wir es mit extrem heißem, hochionisiertem Gas zu tun haben. Sie treten nicht nur bei Schwarzen Löchern auf, sondern auch beispielsweise bei recht jungen Sternen. Die imposantesten Erscheinungen werden jedoch durch Schwarze Löcher initiiert, sie können Jets erzeugen, die sich Millionen von Lichtjahren in den Raum erstrecken.

Jet von Centaurus AEiner der bemerkenswertesten Jets stammt aus der Galaxie Centaurus A, fotografiert vom Röntgenobservatorium Chandra . In einer Falschfarben- Komposition sehen wir den Jet im Radiobereich (rot) kombiniert mit dem blauen Röntgenanteil. Produziert wird der Jet von hochenergetischen Teilchen, die vom Zentrum der Galaxie (rechts unten), einem superschweren Schwarzen Loch, ausgestoßen werden. Der Jet schleppt ein Magnetfeld mit, um dessen Feldlinien spiralende relativistische Elektronen Synchrotronstrahlung emittieren. Die Synchrotronstrahlung selbst streut nun wieder am heißen Jetplasma, so dass aus der Radioemission nichtthermische Röntgenphotonen werden.

Wenn sich ein Plasmastrom geradlinig Millionen Lichtjahre in den Raum erstreckt, muss zwangsläufig die ihn speisende Quelle über lange Zeit sehr konstant den Materiestrahl erzeugen. Wenn auch das Plasma sich mit fast Lichtgeschwindigkeit ausbreitet, so benötigt es doch Millionen von Jahren, um die beobachtete Ausdehnung des Jets zu erreichen. Ein schnell rotierender Kreisel ist ein stabiles System, man kann ihn kaum aus seiner Rotationslage ablenken. Wenn doch, stabilisiert er sich nach kurzer Zeit wieder. Schwarze Löcher sind nichts anderes als gigantische kosmische Kreisel! Ihre unvorstellbar große Rotationsenergie ist die Quelle der Jets.

Die wahrscheinlichste Erklärung zur Entstehung der Jets liefert der so genannte Blandford- Znajek- Prozess (nach Roger Blandford und Roman Znajek, 1977).

Entstehung von Jets Die Rotation eines Schwarzen Lochs versetzt die umgebende Raumzeit in einen wirbelnden Strudel. Davon wird auch das umgebende Magnetfeld betroffen, welches entweder vom akkretierten Gas mitgeführt wurde (fast jedes Gas im Kosmos ist magnetisch), oder durch das Plasma der Akkretionsscheibe selbst entsteht. Die Magnetfeldlinien werden nun korkenzieherartig durch die Rotation außen entlang der Rotationsachse miteinander verdrillt. Seitlich aus der Scheibe einfallende Plasmateilchen werden von den Magnetfeldlinien erfasst und an ihnen entlang zu den Rotationspolen beschleunigt. Das Plasma ist jetzt relativistisch beschleunigt, es wird also mit fast Lichtgeschwindigkeit ausgestoßen. Die Wechselwirkungen des Plasmas mit Magnetfeldern wird durch die so genannte Magnetohydrodynamik beschrieben.

M 87, eine 50 Millionen Lichtjahre entfernte Galaxie im Sternbild Jungfrau. Sie ist schon lange als Radiogalaxie (Bild links oben) bekannt, von der ein gewaltiger Jet ausgeht. Auch im optischen Bereich ist er zu sehen (Hubble- Aufnahme, rechts oben). Durch riesige Arrays von Radioteleskopen (VLBA, Very Long Baseline Array) konnte das Zentrum des Jets ermittelt werden. Es ist der rote Fleck (Durchmesser: 1/10 Lichtjahr) im unteren Bild, hier verbirgt sich ein Schwarzes Loch von 3 Milliarden Sonnenmassen.

Nahezu eine Million Lichtjahre lang sind die Jets der Radio- Galaxie 3C296, die der elliptischen Galaxie NGC 5532 entstammt. In dieser Aufnahme, in der ein optisches (blau) dem Radiobild (rot) überlagert ist, sieht man deutlich die großen Radioblasen an den Enden der Jets. Hot spots ("heiße Flecken") entstehen an einer Stoßfront, wenn die Jets auf das intergalaktische Medium auftreffen und das fast mit Lichtgeschwindigkeit strömende Plasma dort urplötzlich abgebremst wird. Die Jetmaterie zerspritzt hier geradezu, denn sie kann nicht weiterströmen und somit bilden sich die großen Radioblasen. Turbulenzen im Jet können kleinere "interne" Stoßfronten ausbilden, die wir als Knoten im Jet beobachten.

Schwarze Löcher sind recht simple Gebilde. Wir sahen, dass sie mit nur 3 Parametern zu beschreiben sind: Masse, Drehimpuls und Ladung. Wir stellten allerdings auch fest, dass diese exotischen Objekte recht vital agieren können, wenn sie nur irgendwelcher Materie habhaft werden. Drehimpuls und Ladung Schwarzer Löcher sind uns inzwischen ein wenig geläufig, aber wie steht es mit ihrer Masse? Gibt es bestimmte "Mindestmassen" oder Obergrenzen? Es wurde bereits kurz angeschnitten, dass nach oben hin keine Grenze bekannt ist.
Um es uns leichter verständlich zu machen, teilen wir Schwarze Löcher in 4 Kategorien ein:

* Mini- oder Mikrolöcher
* Stellare Kollapsare von etwa 5 bis 100 Sonnenmassen
* "Mittelgewichte" von mehr als 100 bis 10 000 Sonnemassen
* Supermassive Löcher ab ~ 1 Million Sonnenmassen

 

[H2SO4]

Man beachte, dass bei dieser Aufzählung die Grenzen willkürlich gezogen wurden, die Übergänge sind fließend. Lediglich stellare Löcher haben eine Obergrenze von etwa 100 Sonnenmassen, weil ein Stern nicht schwerer werden kann (siehe hierzu Riesensterne). Die erste genannte Gruppe wird uns im nächsten Kapitel beschäftigen, beginnen wir deshalb mit den Löchern stellarer Massen.

Wenn ein Stern seinen nuklearen Brennstoff verbraucht hat und die Masse des Kerns im Innern mehr als etwa 3 Sonnenmassen übersteigt, gibt es keine bekannte Kraft mehr im Universum, die den Kollaps zum Schwarzen Loch verhindern könnte. Ist das geschehen, hat sich der Stern vom übrigen Weltall abgeschnitten. Es gibt keine "feste" Oberfläche mehr, sondern nur noch einen Raumbereich als Grenze, unterhalb der man nichts mehr sehen kann, aus der keine Informationen mehr nach außen dringen können - den Ereignishorizont.

Schwarzes Loch mit AkkretionsscheibeAlles, was in den Horizont eindringt, bleibt für immer darin verborgen. Weder Licht noch Röntgenstrahlung, weder Funksignale oder noch so kleine oder superenergiereiche Teilchen können entweichen. Der Radius eines Ereignishorizontes ist recht klein: Für ein Schwarzes Loch von 10 Sonnenmassen beträgt er nur 30 [km].

Wie schon angedeutet, liegt die "Mindestmasse" eines stellaren Schwarzen Lochs bei etwa 3 Sonnenmassen. Zwischen 1,4 und 3 Sonnenmassen wird der Kollaps des Sterns bei einem Neutronenstern enden, weil hier das entartete Neutronengas der Gravitation einen noch ausreichenden Druck gegenüber stellen kann. Ähnliches trifft auch für Sterne noch kleinerer Massen zu: Bis herab zu etwa 0,4 Sonnenmassen bilden sich Weiße Zwerge, in denen ein entartetes Elektronengas den notwendigen Gegendruck liefert. Aus Sternen unterhalb der Mindestmasse können heute also keine Schwarzen Löcher gebildet werden.

Massereiche Sterne entstehen in Gebieten hoher Gas- und Staubkonzentration. Die kollabierende Wolke ist von so viel Materie umgeben, dass der sich bildende Protostern immer weiter wachsen kann. Die Natur hat diesem Treiben aber eine Grenze gesetzt. Auch wenn noch so viel an Materienachschub vorhanden ist, befreit sich der Stern von selbst aus dem Dunkel. Durch den inzwischen enormen Druck und die hohen Temperaturen im Innern sind Kernfusionen angesprungen, die jetzt gewaltige Energiemengen freisetzen und nach außen abtransportieren. Es entsteht ein Sternwind aus geladenen Teilchen, die mit hohen Geschwindigkeiten ins All geschleudert werden. Je massereicher der Stern ist, umso schneller laufen die Kernprozesse ab und umso stärker ist der Sternwind. Bei etwa 120 Sonnenmassen kann man fast von einem "Sturm" sprechen, der Wind ist so kräftig, dass er jede umgebende Materie fort bläst und er damit nicht mehr weiter wachsen kann.

Nun hat ein solcher Sternkoloss an seinem Lebensende keine 100 oder 120 Sonnenmassen mehr! Durch seinen starken Sternwind sowie immer wiederkehrende Instabilitäten (siehe hierzu auch Eta Carinae) stößt er im Laufe der Zeit große Mengen an Materie ab. Übrig bleiben dann für das Schwarze Loch vielleicht noch 50, 80 Sonnenmassen (genaue Werte sind nicht bekannt). Weil massereiche Sterne nicht sehr alt werden (sie verbrauchen ihren Brennstoff extrem schnell), können sie sich nicht weit von ihrem Entstehungsort entfernen. Sie entstehen auch selten allein, sondern meist gleich in Gruppen und sind damit häufig von viel Materie umgeben bzw. sogar in Doppel- oder Mehrfachsysteme eingebunden. Durch diesen Umstand kann das entstandene Schwarze Loch nun munter weiter wachsen!

Binärsystem SS 433Diese Aufnahme des Chandra- Röntgenobservatoriums zeigt uns das Binärsystem SS 433 im Sternbild Adler in 16 000 Lichtjahren Entfernung. Zu sehen ist, wie die Illustration andeutet, ein Schwarzes Loch, umgeben von einer Akkretionsscheibe, welches Materie von einem Begleitstern absaugt. Die beiden großen "Ohrläppchen" rechts und links stellen dabei die beiden ultraschnellen, 50 Millionen [K] heißen Plasmajets dar. Das in der Bildmitte angedeutete Loch ist also längst noch nicht am Ende seines Wachstums angelangt.

Lange Zeit war völlig unklar, ob "Zwischengrößen" bei Schwarzen Löchern überhaupt existieren, neben den supermassiven (siehe weiter unten) waren nur diejenigen stellaren Ausmaßes bekannt. Erst seit dem Jahr 2000 weiß man von den "Mittelgewichten", die mehrere 100 bis zu etwa 10 000 Sonnenmassen erreichen. Wie kann man überhaupt ein derartiges Gebilde erkennen und nachweisen?

Eddington- LimitJe mehr Materie von einem Schwarzen Loch angezogen wird, umso mehr erhöht sich die Reibung in der Akkretionsscheibe und die Temperatur steigt. So hoch, dass sogar Röntgen- und Gammastrahlung emittiert wird. Die gesamte Strahlung erzeugt einen nach außen gerichteten Druck, der bei Erreichen eines bestimmten Grenzwertes so groß wird, dass keine weitere Materie ins Schwarze Loch fallen kann. Bei Überschreitung des Limits wird sogar Materie abgestoßen. Diese Grenze nennt man Eddington- Limit. Das Eddington- Limit ist damit eine physikalische Grenze für den "Appetit" eines Schwarzen Lochs. Für eine vorgegebene Masse gibt es somit eine maximale Leuchtkraft, und aus dieser Beziehung kann man die Masse des Schwarzen Lochs ableiten.

Wie können Astronomen überhaupt die Massen Schwarzer Löcher bestimmen? Bei stellaren Löchern gelingt dies z.B. durch Beobachtung von Bahnstörungen eines Sterns durch den unsichtbaren Begleiter (der Stern "wackelt" etwas hin und her, so weist man sogar extraterrestrische Planeten nach, aus dieser Ablenkung kann man auf die Masse schließen). Bei supermassiven Löchern geschieht dies äquivalent durch Observation umlaufender Materiewolken, deren Bahngeschwindigkeit messbar ist (durch spektrale Untersuchungen). Bei Löchern mittlerer Masse kann man die Helligkeit der Röntgenstrahlung in Beziehung zur ins Loch fallenden Materie setzen und daraus deren Größe ableiten. Die Größe weit entfernter, massereicher Schwarzer Löcher muss man anders bestimmen. Sie verraten sich als sehr aktive Objekte in den Galaxienzentren (AGN, siehe auch weiter unten). Ein AGN variiert häufig seine Leuchtkraft, vor allem im Röntgenbereich. Diese Helligkeitsschwankungen liegen im Bereich von Tagen. Man darf sich nun ziemlich sicher sein, dass die Strahlungsquelle nicht größer sein kann als die Strecke, die das Licht in dieser Zeit zurücklegt. Das bedeutet,

R < c × t

Innerhalb dieses Radius muss sich also die bestimmte Masse befinden. Aus den so ermittelten Werten, häufig viele Millionen bis mehrere Milliarden Sonnenmassen und Radien bis zu einigen Lichttagen lässt sich nur der Schluss ziehen, dass in diesem Raumgebiet ein Schwarzes Loch vorhanden sein muss. Es gibt keine Alternative dazu.

Schwarzes Loch in M 82Dem Chandra- Satelliten gelang 2002, ein mittelschweres Schwarzes Loch in der Galaxie M 82 im Großen Bären in 11 Millionen Lichtjahren Distanz ausfindig zu machen. Man fand es etwa 600 Lichtjahre vom Galaxienzentrum entfernt in einem Sternhaufen. Hier sind, nach dem Eddington- Limit bestimmt, etwa 500 Sonnenmassen in einem Volumen von der Größe des Mondes vereint! Neueren Messungen zufolge (2006) könnte das Schwarze Loch auch 1000 Sonnenmassen "schwer" sein.

Astrophysiker sind sich noch nicht sicher, wie diese "Mittelschwergewichte" entstehen. Es könnte direkt in den Sternentstehungsgebieten geschehen, weil hier genügend Materie vorhanden ist. Erst recht in den Galaxienzentren. Möglich ist auch, dass wir es mit einem Relikt der ersten Sterngeneration zu tun haben, die ersten Sterne konnten bis zu 1000 Sonnemassen beinhalten. Es ist allerdings genauso möglich, dass man einer Täuschung unterliegt und das beobachtete Röntgenlicht durch den Beaming- Effekt verstärkt wird und die ermittelte Masse nicht annähernd so hoch ist wie errechnet.

Weitere Hinweise auf Schwarze Löcher mittlerer Masse fanden sich in Kugelsternhaufen, weil hier Bewegungen der Sterne auf dunkle, massereiche Zentren hinweisen sowie in Zwerggalaxien.

Die "Boliden" unter den Schwarzen Löchern findet man nur in den Zentren vieler Galaxien. Allgemein ist man in der Astrophysik sogar zu der Überzeugung gelangt, dass eigentlich in jedem Galaxienzentrum ein Schwarzes Loch stecken müsste. Selbst im Zentrum unserer Galaxis hat sich ein Schwarzes Loch verborgen, das sich inzwischen jedoch auf vielfältige Weise verraten hat.

MilchstrassenzentrumWenn wir von unserer Position im Außenbereich der Milchstraße zum galaktischen Zentrum sehen, so wird die Sicht durch dicke Gas- und Staubschichten völlig behindert. Für einige Wellenlängen sind diese Bereiche aber durchlässig, so auch für Röntgenstrahlung. Diese Falschfarbenaufnahme des Chandra- Observatoriums zeigt einen Bereich von 400 mal 900 Lichtjahren um das Zentrum. Eingebettet in rund 10 Millionen [K] heißes Gas in dieser Region, sehen wir als weißen Fleck in der Bildmitte den Bereich des supermassiven Schwarzen Lochs. Nach neueren Erkenntnissen ist es 3,6 Millionen Sonnemassen "schwer".

Bisher haben wir uns Schwarzen Löchern gewidmet, die aufgrund ihrer Masse von einigen wenigen bis hin zu Milliarden Sonnenmassen ansehnliche Durchmesser ihrer Horizonte ausbilden. Allerdings ist es denkbar, wenn auch bis heute rein spekulativ, dass sehr viel kleinere Löcher in mikroskopischem Maßstab existieren könnten.

Wie wir sahen, bilden sich Schwarze Löcher durch einen Gravitationskollaps, ein Himmelskörper bricht unter seiner eigenen Last zusammen. Sehr kleine Minilöcher können so niemals entstehen, weil die beteiligten Massen von beispielsweise Planeten oder Monden viel zu gering wären. Sie könnten nur entstehen, wenn ein entsprechend hoher Druck von außen auf die Materie ausgeübt wird. Prinzipiell sind wir Menschen sogar in der Lage, ein kleines Schwarzes Loch künstlich zu erzeugen! Wenn wir den Weltmeeren alles an schwerem Wasser (D2O, der Wasserstoff ist durch Deuterium ersetzt) entziehen würden, könnte man daraus eine Wasserstoffbombe bauen. Bei ihrer Explosion wäre der Druck hoch genug, um in ihrem Zentrum befindliche Materie zu einem Schwarzen Loch zusammenzupressen. Dies wurde einmal von John Wheeler berechnet, der dabei hoffentlich berücksichtigte, dass es anschließend niemanden mehr gäbe um das Loch zu beobachten.

Es gibt allerdings auch ernsthaftere Überlegungen, mit denen sich insbesondere Stephen Hawking beschäftigte. Im frühen Universum nämlich waren Temperatur und Druck sehr hoch, so dass sich eventuell Schwarze Löcher bilden konnten. Solche primordialen (urzeitlichen) Löcher könnten allerdings nur dann entstehen, wenn der frühe Kosmos nicht absolut gleichmäßig, sondern von Unregelmäßigkeiten durchzogen war.

Entstehung primordialer MinilöcherDass dies der Fall gewesen sein muss wissen wir, da sonst weder Sterne noch Galaxien hätten entstehen können. Damit ist in der Tat die Möglichkeit gegeben, dass an Stellen höherer Dichte primordiale Löcher entstanden. Die Masse dieser Minilöcher wäre recht gering, sie müsste im Bereich von etwa mindestens 500 Milliarden Tonnen liegen (dem Gewicht eines Berges), wollten sie heute noch existieren. Kleinere Löcher wären längst verschwunden (warum sehen wir weiter unten). Ein primordiales Loch von rund 1018 [g] hätte einen Durchmesser, der kleiner als der eines Atoms wäre!

Sind Schwarze Löcher wirklich absolut schwarz? Haben Schwarze Löcher eine Temperatur? Schließlich war der Stern, aus dem das Loch entstand, einmal sehr heiß! Diesen Fragen sind wir bisher ausgewichen, wollen uns ihnen aber nun stellen. 1974 veröffentlichte Stephen Hawking einen Artikel, der die Fachwelt in helle Aufregung versetzte: Schwarze Löcher sollen alle möglichen Arten von Strahlung aussenden! Und das, obwohl wir doch alle wissen, dass nichts aus einem Schwarzen Loch entweichen kann. Darüber hinaus sollte das Strahlungsspektrum einem Schwarzen Strahler entsprechen, womit man letztendlich einem Schwarzen Loch eine Temperatur zuordnen kann.

Um diese Aussagen zu verstehen, müssen wir uns mit einem weiteren Begriff anfreunden, den der Entropie.

Die Entropie entstammt dem physikalischen Gebiet der Thermodynamik, und zwar derem zweiten Hauptsatz (es gibt insgesamt vier Hauptsätze, siehe auch weiter unten). Während der erste Hauptsatz besagt, dass in einem geschlossenen System die Gesamtenergie stets konstant bleibt, macht der zweite Hauptsatz eine Aussage über die Entropie, die "Unordnung" eines Systems. Damit ist nicht etwa die Unordnung im Zimmer Ihrer Kinder oder Ihres Hobbyraums gemeint, obwohl dies sehr anschauliche Beispiele sind. Unterlassen Sie einmal ein ganzes Jahr lang jede Ordnungsaktion, und Sie werden die Aussage des zweiten Hauptsatzes verstehen:

Die Entropie in einem geschlossenen System bleibt gleich oder nimmt zu.

Im Detail sind die Aussagen recht verzwickt und wir wollen uns daher hier auf ein Minimum beschränken. Hierzu ein Beispiel:

Die Entropie nimmt zuWir nehmen zwei Gefäße, wovon wir eines mit Stickstoff, das andere mit Helium füllen. Angedeutet sind einige Gasmoleküle bzw. -atome. Da beide Gase voneinander getrennt sind, haben wir es mit einem geordneten Zustand zu tun. Wenn wir nun den Hahn öffnen, verteilen sich die Gase nach und nach vollkommen gleichmäßig im gesamten ihnen zur Verfügung stehenden Raum. Offensichtlich ist jetzt der Grad der Unordnung angewachsen. Es könnte natürlich geschehen, dass sich irgendwann alle Gaspartikel zufällig in einem der beiden Kolben befinden, doch das ist sehr unwahrscheinlich. Dennoch sehen wir hier den Unterschied zu anderen physikalischen Gesetzen: Der zweite Hauptsatz gilt nicht für jeden möglichen Fall, sondern trifft nur unter bestimmter, wenn auch sehr großer Wahrscheinlichkeit zu.

Wenn Sie einmal einen Eiswürfel auf den Tisch legen, dürfen Sie sich mit gutem Gewissen wundern, wenn er plötzlich in die Höhe springt. Es ist sehr unwahrscheinlich, dass alle Moleküle des Würfels gleichzeitig nach oben schwingen und hierdurch den Sprung verursachen. Aber auszuschließen ist diese Möglichkeit nicht völlig! Vielmehr werden die Eismoleküle in alle Richtungen schwingen wie vorher auch. Es kann auch keine Wärme vom Eiswürfel auf den viel wärmeren Tisch überfließen. Dies ist eine weitere Aussage des zweiten Hauptsatzes, dass nämlich Wärme stets nur vom wärmeren zum kälteren Körper übergehen kann.

 

[H2SO4]

Was aber hat nun die Entropie mit unseren Schwarzen Löchern zu schaffen? Wenn wir unsere beiden gasgefüllten Behälter nehmen und in ein Schwarzes Loch werfen, so entziehen wir dem Kosmos Entropie (wir erinnern uns: Ein Schwarzes Loch schottet sich selbst völlig vom übrigen Universum ab, es ist ein eigenes, geschlossenes System). Die Entropie darf aber nach dem zweiten Hauptsatz nicht abnehmen. Stimmt die Physik nicht mehr?

Vielleicht ist es ja so, dass die Entropie des Universums gar nicht abnimmt, sondern zumindest gleich bleibt, wenn wir etwas ins Loch werfen. Man müsste hineinsehen können, um das festzustellen, aber das ist ja nicht möglich. Hawking kam nun der Gedanke, dass man die Entropie vielleicht auch außen "ablesen" könnte. Hierzu schlug Jacob Bekenstein vor, die Fläche des Ereignishorizontes als Maß für die Entropie zu verwenden. Zumal Hawking zuvor herausfand, dass die Fläche des Horizontes zunehmen muss, wenn Materie ins Loch fällt. Seine Erkenntnis besagt, dass beim Verschmelzen zweier Schwarzer Löcher die Fläche des neuen Ereignishorizontes größer sein muss, als die Summe der beiden ursprünglichen Flächen.

Wenn nun aber irgendetwas im Kosmos Entropie aufweist, dann sollte es auch eine Temperatur haben! Wie ein Schwarzer Strahler, der bei einer definierten Temperatur ein bestimmtes Strahlungsspektrum emittiert, sollte dies nun auch bei einem Schwarzen Loch der Fall sein. Wie aber kann das möglich sein, wo doch nichts, weder Strahlung noch Teilchen, aus dem Loch entweichen können? Die Antwort darauf hat Hawking in der Quantentheorie gefunden.

Die Quantentheorie besagt, dass ein Vakuum, ein "leerer" Raum, in Wirklichkeit nicht völlig leer ist. Immer und überall sind Felder vorhanden, seien es elektromagnetische oder gravitative. Solche Felder unterliegen auch der Heisenbergschen Unschärfe: je genauer wir versuchen, Größe oder Ort zu bestimmen, umso ungenauer wird die Aussage bezüglich der anderen Größe. Ein Feld kann deshalb nie exakt Null sein, weil es ja sonst einen genauen Wert (eben Null) aufwiese. Somit existieren Fluktuationen (ein "Auf" und "Ab") im Vakuum, die man sich als Teilchen vorstellen kann.

Bildung virtueller TeilchenDiese Teilchen bezeichnen wir als virtuell, weil man sie nicht direkt beobachten kann. Einen indirekten Beweis ihrer Existenz liefern sie aber, indem sie beispielsweise die Elektronen von Wasserstoffatomen etwas hin und her stoßen, was zu einer messbaren, winzigen Verschiebung ihres niedrigsten Energieniveaus führt. Virtuelle Teilchen entstehen immer paarweise, und zwar als Teilchen und Antiteilchen. Das Teilchen weist dabei positive, das Antiteilchen negative Energie auf. Die Energie zu ihrer Entstehung "borgen" sie vom Vakuum und geben sie nach sehr kurzer Zeit wieder zurück, indem sie sich gegenseitig vernichten (annihilieren). Virtuelle Teilchenpaare können Materieteilchen wie Elektronen oder Quarks sein, oder wie in unserem Fall Photonen bzw. Gravitonen. Die beiden letzteren sind gleichzeitig ihre Antiteilchen.

Virtuelle Teilchenpaare können nun auch direkt in der Nähe des Horizontes eines Schwarzen Lochs entstehen. Nun kommt die Gezeitenkraft in der Nähe des Lochs zum Tragen, sie kann das Teilchenpaar auseinander ziehen, so dass zumindest ein Partner des Paares in das Loch fällt. Wenn ein reales Teilchen sich in der Nähe eines Schwarzen Lochs aufhält, muss es Energie gegen die Gravitation aufwenden. Umso mehr, je näher es dem Horizont kommt. Die Gravitation ist so stark, dass die Energie des Teilchens im Loch sogar negativ werden kann. Das trifft auch für die virtuellen Teilchen zu. Fällt jetzt ein solches ins Loch, kann es zu einem reellen Teilchen (oder Antiteilchen) mit negativem Energieinhalt werden. Da nach Einsteins E = mc2 Energie gleich Masse ist, befindet sich nun ein Teilchen mit negativer Masse im Loch. Das bedeutet im Endeffekt, dass dem Schwarzen Loch Masse entzogen wird! Durch diesen Vorgang verkleinert sich sein Horizont und damit auch die Entropie.

Hawking- Strahlung Weil die Entropie aber nicht abnehmen kann, muss noch ein anderer Prozess ablaufen. Dafür sorgt das verwaiste Partnerteilchen. Die Gezeitenkraft ist so groß, dass sie den virtuellen Photonen soviel an Energie zuführen kann, dass sie zu realen Teilchen werden. Dabei bleibt mehr als genug Energie übrig, um sie an den umgebenden Raum abzugeben. Dieser hatte ja einen negativen Energieinhalt, da er die Energie zur Bildung des Teilchenpaares lieferte. Der eine Partner mit negativer Energie befindet sich jetzt schon im Loch, das andere Teilchen aber kann nun als reales Teilchen positiver Energie entkommen. Weil man jedes Teilchen auch als Welle auffassen kann (Welle- Teilchen- Dualismus), sehen wir also Strahlung, die scheinbar aus dem Schwarzen Loch kommt!
Der Entropieverlust durch die Horizontverkleinerung wird mehr als ausgeglichen durch die Entropiezunahme der emittierten Strahlung, der zweite Hauptsatz behält seine Gültigkeit!

Nun darf man sich nicht vorstellen, dass durch die nach Hawking benannte Strahlung das Loch hell leuchtet. Wenn aus den virtuellen Teilchen reelle werden sollen, muss ihr Abstand kleiner sein als eine Wellenlänge der ihnen äquivalenten Welle. Damit sie andererseits genug Energie aus der Gezeitenkraft abzapfen können, müssen sie auf eine Distanz von rund einem Viertel des Horizontumfangs gebracht werden. Somit erhalten wir eine Aussage über die Wellenlänge der Strahlung, sie liegt bei 1/4 des Horizontumfangs oder darüber. In Zahlen ausgedrückt: ein Loch von 2 Sonnenmassen hat einen Horizontumfang von rund 35 [km], woraus eine Wellenlänge von 8,75 [km] resultiert. Das ist nicht gerade energiereiche Strahlung, sie entspricht einer Temperatur von etwa einem Zehnmillionstel [K] über dem absoluten Nullpunkt. Es ist einleuchtend, dass es unvorstellbar lange dauern wird, bis ein solches Loch völlig zerstrahlt ist, nämlich 1066 Jahre! Messen können wir diese Strahlung nicht, weil sie von der viel "wärmeren" und überall vorhandenen kosmischen Hintergrundstrahlung völlig überdeckt wird.

Die Intensität der Hawking- Strahlung hängt direkt von der Masse des Schwarzen Lochs ab.

Je kleiner das Loch, umso schneller verdampft esJe kleiner das Loch ist, umso kürzer ist auch die Strecke, die ein virtuelles Teilchen zurücklegen muss, damit es ein reelles wird. Wenn das Loch nach und nach an Masse verliert, steigt damit im selben Maß seine Temperatur an, die Wellenlänge der Strahlung wird kürzer und energiereicher. Am Ende wird es wohl in einem immensen Gammastrahlungsausbruch vergehen. Jetzt können wir auch verstehen, warum ein primordiales Loch eine bestimmte Mindestmasse (etwa 500 Milliarden Tonnen) aufweisen muss, damit es heute noch existiert. Kleinere Löcher wären längst verdampft! Wir sind also imstande, die Existenz primordialer Minilöcher nachzuweisen, indem wir den Himmel nach Gammastrahlenausbrüchen durchforsten. Diese GRB's (Gamma- Ray- Burst) sind den Astronomen schon länger bekannt, allerdings fand man bisher stets andere Entstehungsursachen, deren Energieausstoß auch viel höher ist. Der Nachweis primordialer Löcher ist bislang noch nicht gelungen.

Kehren wir noch einmal zurück zu den vier Hauptsätzen der Thermodynamik. Die folgende Tabelle gibt eine kurze, allgemeine Übersicht der einzelnen Sätze. Für Schwarze Löcher können wir ebenso vier Hauptsätze aufstellen, mit denen sich ihre Dynamik beschreiben lässt. Die einzelnen Sätze sind sich erstaunlich ähnlich, ihre Bedeutung verdanken wir Stephen Hawking. Die etwas seltsame Bezeichnung 0. Hauptsatz rührt übrigens daher, dass die anderen 3 Sätze bereits vor seiner Entdeckung existierten.

Thermodynamik Schwarzes Loch
0. Hauptsatz
Alle Teile eines Systems im thermischen Gleichgewicht haben dieselbe Temperatur (wobei Temperatur eine intensive Größe ist, d.h. sie ändert sich nicht mit der Größe des Systems). Alle Punkte auf dem Ereignishorizont eines Schwarzen Lochs im Gleichgewicht haben dieselbe Gravitation (das gilt selbst für Kerrsche Löcher, auch hier ist der Horizont kugelförmig).
1. Hauptsatz
Wärme ist eine Energieform. Der 1. Satz beschreibt, wie sich verschiedene Energieformen während eines zeitlichen Ablaufs ineinander umwandeln können. In einem abgeschlossenen System bleibt die Gesamtenergie konstant (Satz der Energieerhaltung). Der Satz besagt, wie sich Masse, Rotation und Drehimpuls als Funktion der Fläche und Oberflächengravitation bei einem Prozess ändern (z.B. Akkretion eines Sterns)
2. Hauptsatz
In einem abgeschlossenen System kann die Entropie im zeitlichen Verlauf nur zunehmen. Die Entropie im Universum strebt einem Maximum zu. Natürliche Prozesse sind irreversibel (nicht umkehrbar). Die zu Boden gefallene Kaffeetasse kann höchstwahrscheinlich nicht von selbst wieder auf den Tisch springen. Die Oberfläche eines Schwarzen Lochs kann im zeitlichen Verlauf nur zunehmen. Selbst ein isoliertes Loch vergrößert seine Oberfläche durch Strahlungs- und Teilcheneinfang.
3. Hauptsatz
Der absolute Nullpunkt (0 [K] = -273,15° C) kann niemals durch eine endliche Folge von Prozessen erreicht werden. Die Entropie eines perfekten Kristalls am absoluten Nullpunkt ist Null. Die Oberflächengravitation eines Schwarzen Lochs kann niemals durch eine endliche Folge von Prozessen auf Null gebracht werden. Dieser Zustand entspräche dem Grenzfall des mit Maximal Kerr rotierenden Loches (a = 1). Dieser kritische Wert ist in der Natur nicht erreichbar.

Damit kommen wir zum Schluss zu den allerkleinsten Schwarzen Löchern. Teilchenphysiker in aller Welt erhoffen sich vom neuen LHC (Large Hadron Collider) des CERN in Genf, einem der größten Teilchenbeschleuniger, neben vielen anderen Forschungen (z.B. Aufspüren von Higgs- Teilchen, Erkunden Dunkler Materie und Energie), auch die Möglichkeit, Schwarze Mikrolöcher minimaler Masse zu erzeugen. Die Energien, die in diesem Beschleuniger erreicht werden können, sollten dazu jedenfalls ausreichen. Die Lebensdauer solcher Löcher wäre natürlich extrem gering, da sie sofort nach ihrer Entstehung in ultrakurzer Zeit wieder zerstrahlen. Dennoch könnten solche Experimente unser Wissen über Schwarze Löcher um einiges erweitern.

Häufig schon wurde in der Öffentlichkeit die Befürchtung geäußert, dass die künstlich erzeugten Mikrolöcher eine ernsthafte Gefahr für die Erde und die Menschheit darstellen. Schließlich verschlingt ja ein Schwarzes Loch jede Materie, derer es habhaft werden kann!
Wir aber wissen es jetzt besser. Bevor das Mikroloch mit der Akkretion beginnen könnte, wäre es längst verdampft...

 

[H2SO4]

Betrachten wir einmal intensiv einen beliebigen Gegenstand, beispielsweise den Taschenrechner auf dem Schreibtisch. Wie könnten wir ihn möglichst genau, auch aus physikalischer und chemischer Perspektive beschreiben? Das hat jetzt zwar nichts mit Schwarzen Löchern zu tun, aber gemach, das wird schon noch!

Zunächst könnten wir einfach damit beginnen, die Anordnung und Beschriftung der Tastatur zu definieren. Um das exakt durchzuführen, müssten wir neben der Größe, Gewicht, Form und Farbe einer Taste auch deren genaue Materialzusammensetzung untersuchen. Aus wie viel Molekülen des Kunststoffes besteht sie? Aus welchen Atomen ist der Kunststoff aufgebaut? Wir müssten auch die chemische Formel des Beschriftungslacks hinzunehmen und selbstverständlich auch genau beschreiben, welche Form jedes Symbol hat.

Taschenrechner Puuh, das ist schon eine schwierige Aufgabe! Nun kommt das Display an die Reihe. Es ist mit einer Plastikabdeckung geschützt. Aus welchen Atomen ist jetzt dieser Kunststoff aufgebaut, wie sind sie angeordnet und wie viele braucht man von jeder Sorte, damit genau diese Abdeckung entsteht? Welche Härte hat der Kunststoff, welche Dichte, welchen Schmelzpunkt, wie ist seine Wärmeleitfähigkeit und wie hoch seine Durchlagspannungsfestigkeit...? Nun wird es fast kriminell, wollten wir die Flüssigkristall- Anzeige absolut exakt beschreiben. Ganz zu schweigen vom Innenleben des Taschenrechners, aufgebaut aus komplexen Chips, SMD- Bausteinen, Platine und einer Nickel- Cadmium- Batterie...

Wenn man das alles höchst genau und bis ins kleinste Detail, also bis auf das letzte Atom genau beschreiben will, kann man garantiert ein sehr dickes Buch füllen: Nämlich mit Informationen darüber, was eigentlich ein Taschenrechner ist. In jedem Fall aber könnte man den Taschenrechner vollständig zerlegen, und zwar bis auf die Größe atomarer Einheiten und anhand der vorliegenden Informationen muss es möglich sein, ihn wieder komplett herzustellen. Im Prinzip macht der Taschenrechner- Fabrikant nichts anderes: Anhand einer Arbeitsanleitung baut er solche Geräte aus vielen verschiedenen Komponenten auf. Zwar wird er nicht jedes Einzelteil selbst herstellen, sondern von anderen Lieferanten beziehen. Diese wiederum beziehen aus anderen Quellen Rohstoffe, aus denen sie Vorprodukte herstellen. Würde man jedes einzelne Teil in dieser Weise zurückverfolgen und alles fein säuberlich notieren, käme man wieder zu der oben gemachten Beschreibung.

Solche umfangreichen Zusammenstellungen gibt es tatsächlich. Als ausgereiftes Beispiel hierzu mag die IMDS- Datenbank dienen. In diesem online verfügbaren Internationalen Material Datenbank System sind viele namhafte Automobilhersteller vertreten. Jeder Zulieferer auch selbst des allerkleinsten Teils gibt in dieses System die genaue Zusammensetzung seines Produktes ein, so dass am Ende vollständig und exakt erfasst ist, aus welchen Stoffen das komplette Fahrzeug besteht. Das ist wahrlich eine überwältigende Informationsmenge! Sie dient aber dazu, dass spätere Altfahrzeuge möglichst komplett recycled werden können und keine schädlichen Substanzen in Fahrzeugteilen enthalten sind.

Vielleicht haben wir nun schon einen kleinen Einblick gewonnen, was Informationen alles beinhalten bzw. umfassen können. Informationen (lat., informatio "Bildung durch Unterricht") sind also die Auskunft über eine bestimmte Sache, die räumliche, zeitliche Folge physikalischer Ereignisse und chemischer Kompositionen. Information ist das Wissen über Sachverhalte und/oder Vorgänge, oder anders ausgedrückt die Beseitigung einer Unbestimmtheit oder Unklarheit. Ein Element einer Informationseinheit ist ein Zeichen, wie z.B. ein Buchstabe oder ein mathematischer Ausdruck. Aus unserer Betrachtungsweise stellt ein Photon die kleinstmögliche Informationseinheit dar, es kann ebenfalls als ein Zeichen aufgefasst werden. Das Photon hat ja den Spin 1, dieser kann Werte von +1 oder -1 annehmen und somit als eine Informationseinheit vereinbart werden.

Anhand unseres Taschenrechner- Beispiels sahen wir schon, dass eine riesige Menge an Informationseinheiten notwendig ist, um auch nur eine einfache Sache exakt zu beschreiben. Unglaublich komplex dagegen ist das Leben. Vielfach wird in der SF- Literatur vom "Beamen" gesprochen, bzw. der Teleportation. Hier werden Lebewesen auf irgendeine Weise "abgetastet", in Informationen zerlegt, diese als elektromagnetische Strahlung über einen Sender geschickt und in einem Empfänger wieder originalgetreu reproduziert. Man hat dazu einmal geschätzt, dass allein die Information über einen Menschen einen Stapel von CD's füllen würde, der einige Lichtjahre hoch wäre...und diese Informationsfülle müsste in Sekundenbruchteilen erfasst, gespeichert und übermittelt werden.
Das Beamen ist damit aus unserer heutigen Sicht eine völlig unlösbare Aufgabe.

Nach diesem kleinen Abstecher wollen wir uns wieder den Schwarzen Löchern zuwenden. Oben sahen wir ja, wie viel Information notwendig ist, um nur einen einfachen Taschenrechner zu beschreiben. In einem Anfall von Übermut nehmen wir nun einen solchen und werfen ihn kurzerhand in ein Schwarzes Loch. Die große Frage ist nun: Was geschieht mit all den Informationen, die unseren Taschenrechner ausmachen? Dabei sehen wir einmal großzügig darüber hinweg, dass unser Gerät bereits in der Akkretionsscheibe vollständig pulverisiert wird, noch mehr sogar wird es hier in seine kleinsten Bestandteile, in Atome zerlegt. Und die werden obendrein auch noch ionisiert...


All das lassen wir einfach außen vor, wir möchten nur wissen was aus den Informationen wird. Diese Frage haben sich schon viele Astrophysiker gestellt und dabei haben sich 2 gegenteilige Lager gebildet:

* 1. Die Informationen werden im Schwarzen Loch vollständig vernichtet. Es ist nie wieder möglich, an einmal hineingeratene Informationen zu gelangen. Schwarze Löcher sind die absoluten Informationsvernichter im Universum.
* 2. Die Informationen gehen nicht verloren. Ähnlich dem Gesetz zur Energieerhaltung müssen sie erhalten bleiben. Irgendwann kann man wieder Informationen zurück gewinnen, wenn auch vielleicht nicht vollständig oder nur verzerrt.

Informationen fallen in ein Schwarzes LochUnter dem zweiten Punkt wurde schon angedeutet, dass prinzipiell auch noch eine dritte Möglichkeit besteht: Informationen, die wir einem Schwarzen Loch "eintrichtern", werden zwar nicht vollständig vernichtet, jedoch auf eine unbekannte Weise derart verzerrt, dass eine spätere Reproduktion des Originals nicht mehr möglich ist. Nun können wir uns berechtigterweise fragen, welche der Möglichkeiten trifft denn nun zu? Sind die Informationen über den Aufbau unseres Taschenrechners für immer im Schwarzen Loch verschwunden oder gibt es ein wie auch immer geartetes Verfahren, die Informationen zurück zu gewinnen?

Im Jahr 1997, am 6. Februar, wurde eine Wette schriftlich fixiert. Seit 1975 war Stephen Hawking fest davon überzeugt, dass Schwarze Löcher vollkommene Informationsvernichter sind. Im genannten Jahr, nach vielen Diskussionen, wettete nun Hawking zusammen mit Kip Thorne, einem bekannten Relativisten und führenden "Kenner" Schwarzer Löcher gegen den Astrophysiker John Preskill, dass Schwarze Löcher Informationen vernichten:

In dieser Wette glauben also Thorne und Hawking, dass Informationen, die in ein Schwarzes Loch geraten, für immer verloren sind. Preskill hingegen ist überzeugt, dass es einen Mechanismus geben muss, der beim Verdampfen eines Schwarzen Lochs die Informationen wieder zutage bringt.

Abschluss der Wette zwischen Hawking, Thorne und Preskill

Auf dem Foto sind die drei wettfreudigen Wissenschaftler bei der Unterzeichnung der Wette zu sehen: John Preskill, Kip Thorne und Stephen Hawking (v.l.n.r.). Aufgrund seiner Krankheit "unterschreibt" Hawking gerade mit seinem Fingerabdruck. Gewettet wurde um eine Enzyklopädie nach Wahl des Gewinners,
aus der man willentlich Informationen entnehmen kann.

Diese Wette hatte genau bis zum 21. Juli 2004 Bestand...

Whereas Stephen Hawking and Kip Thorne firmly believe that information swallowed by a black hole is forever hidden from the outside universe, and can never be revealed even as the black hole evaporates and completely disappears,

And whereas John Preskill firmly believes that a mechanism for the information to be released by the evaporating black hole must and will be found in the correct theory of quantum gravity,

Therefore Preskill offers, and Hawking/Thorne accept, a wager that:

When an initial pure quantum state undergoes gravitational collapse to form a black hole, the final state at the end of black hole evaporation will always be a pure quantum state.

The loser(s) will reward the winner(s) with an encyclopedia of the winner's choice, from which information can be recovered at will.

Stephen W. Hawking, Kip S. Thorne, John P. Preskill Pasadena, California, 6 February 1997

An diesem Tag fand in Dublin die 17. Internationale Konferenz über Allgemeine Relativitätstheorie und Gravitation statt. Erst ganz kurz vor Beginn ließ sich Hawking als Sprecher nominieren. Im 19. Jahrhundert wurde man sich über die Erhaltung der Energie sicher, sie kann nicht verloren gehen. Im 20. Jahrhundert wurde dann auch klar, dass Informationen nicht verloren gehen können. Hawking hat sich in genannter Konferenz in seinem aufseheneregenden Vortrag ebenfalls zu dieser Einsicht bekannt.

Professor Hawking hat sich sehr intensiv mit Schwarzen Löchern befasst und war bislang davon ausgegangen, dass der "Glatzensatz" von John Wheeler - Schwarze Löcher haben keine Haare - zutrifft. Das bedeutet, dass nichts aus einem Schwarzen Loch herausragt und es nur durch seine Masse, seine Rotation und Ladung zu beschreiben ist. Alle anderen Informationen, speziell über den ursprünglichen Stern, aus dem das Loch entstand, sind für immer hinter dem Horizont verborgen. Ein Schwarzes Loch ist eine Folgerung der Allgemeinen Relativitätstheorie und der Informationsverlust steht im krassen Widerspruch zur Quantenmechanik. Diese besagt, dass egal, was mit einem Teilchen geschieht, man es stets durch eine Zeitumkehr reproduzieren kann. Man kann also wieder an die Informationen gelangen! Würde das nicht zutreffen, so hätte auch der Satz von der Energieerhaltung keine Gültigkeit mehr! Nach Einstein sind ja Energie und Materie äquivalent, so dass man auch Energie "produzieren" oder vernichten könnte, wäre man imstande ein Teilchen irreversibel zu vernichten. Weil man aber Energie nicht "herstellen" oder vernichten kann, können auch gemäß dem Materieäquivalent Informationen nicht verloren gehen. Aufgrund dieses Informationsparadoxons stehen sich also Quantenphysik und Allgemeine Relativitätstheorie unvereinbar gegenüber. Und genau dies ist der Grund, warum Preskill gegen Hawking und Thorne gewettet hatte, weil er nämlich meint, dass die noch zu findende Quantengravitation einen Weg aufzeigen könnte, wie Informationen erhalten werden können, wenn sie in ein Schwarzes Loch fallen.

"Wenn Sie in ein Schwarzes Loch springen, dann kommt irgendwann Ihr Energie- Masseäquivalent wieder zurück ins Universum. Allerdings in veränderter Form, die zwar die Information darüber enthält, wer und was Sie einmal gewesen sind, doch ist die Information nicht mehr erkennbar," sprach Hawking seine Zuhörer auf der Konferenz an. Das "Verschwinden" von Information in einem Schwarzen Loch führte Hawking 30 Jahre darauf zurück, dass sie in Paralleluniversen abfloss. "Es gibt jedoch keine Baby- Universen" sagte Hawking (da er selbst nicht mehr sprechen kann, überlässt er das einem Sprachcomputer). Und er bedaure es sehr, alle SF- Fans enttäuschen zu müssen, aber es gäbe keine Möglichkeit, Schwarze Löcher als "Transportmittel" zu Reisen in andere Universen zu nutzen. In seinem folgenden Vortrag gab Hawking die Begründung seiner Kehrtwende bekannt, doch selbst John Preskill, Professor für theoretische Physik und Mathematik am Caltech (California Institute of Technology ), musste nach der Rede gestehen: "Um ehrlich zu sein, ich habe den Vortrag nicht verstanden." Immerhin hat Preskill von Hawking die gewünschte Baseball- Enzyklopädie erhalten. Zwar hatte Hawking zuvor versucht, ihn zu einer Cricket- Enzyklopädie zu überreden, doch auch das verlor Hawking.

Nun hat dieser Abschnitt schon einige Informationen vermittelt, doch noch immer wissen wir nicht, was mit ihnen im Schwarzen Loch geschieht.

Informationen kommen mit der Hawkingstrahlung wieder aus dem Schwarzen Loch Und auch nicht, wie sie wieder herauskommen. Eine Möglichkeit bietet die Hawking- Strahlung. Dazu dürfte es sich dabei allerdings nicht um eine thermische Strahlung handeln, deren Frequenzen bzw. Wellenlängen einer Zufallsverteilung gehorchen. Wir müssten also eine konkrete Strahlung beobachten, in welcher jede Einzelheit über jemals ins Loch gefallene Materie gespeichert ist. Wenn wir auch die Informationen nicht unbedingt entnehmen können, "vergisst" das Universum aber nichts.

Die Hawkingstrahlung scheint jedoch thermisch zu sein, weshalb die Informationsspeicherung anders funktionieren muss.

 

[H2SO4]

Informationskristall im Schwarzen Loch?Wenn die Hawking- Strahlung tatsächlich thermisch ist, kann sie vielleicht nur einen verschwindenden Teil der Informationen zurückgeben. Der Rest muss irgendwie im Loch gespeichert bleiben, wenn auch auf eine völlig entstellte Art und Weise. Möglicherweise sind die Informationen zu einer Art Kristall kondensiert, härter als jeder Diamant. Das Verdampfen eines Schwarzen Lochs geschieht nicht rückstandsfrei, sondern es verbleibt ein kleiner Rest, unser nicht einmal atomgroßer Informationskristall.



Informationen verbleiben auf dem HorizontEs ist nach Meinung mancher Astrophysiker denkbar, dass Informationen in irgendeiner Form auf dem Horizont gespeichert werden. Wenn auch nicht vielleicht die kompletten Informationen, so doch eine Art "Kopie" der Originalinformationen, welche möglicherweise im Loch verschwinden und dort vernichtet werden.



Schwarze Löcher existieren nichtEs gibt noch eine ganz einfache Möglichkeit, die Informationsvernichtung nicht stattfinden zu lassen: Es gibt gar keine Schwarzen Löcher! Vielleicht hat die Natur einen uns noch unbekannten Ausweg aus dem Gravitationskollaps eines Sterns gefunden, vielleicht in Form der Gravasterne oder auch in so genannten Holosternen, die ähnlich den Gravasternen aufgebaut sind oder der den String- Theorien entstammenden Alternativen Schwarzer Löcher, den Fuzzballs. Letztere sind exotische Gebilde, welche nicht wie Schwarze Löcher überwiegend aus Vakuum bestehen, sondern komplett mit Strings und/oder Branen gefüllt sind.



Informationen prallen abDer niederländische Physiker Gerard 't Hooft meint, es könnte durchaus auch sein, dass Informationen erst gar nicht ins Schwarze Loch gelangen, sondern am Ereignishorizont wie an einer Mauer abprallen. So könnten sie auch, einer anderen Überlegung zufolge, einfach irgendwie in der Raumzeit gespeichert bleiben. Beides ist jedoch unwahrscheinlich. Der Ereignishorizont ist keine Mauer sondern lediglich ein leerer Raumbereich, in dem die Fluchtgeschwindigkeit gleich der Lichtgeschwindigkeit ist. Es ist auch kaum vorstellbar, dass eine "Einbettung" in der Raumzeit erfolgt - die Informationen wären sicher nicht mehr zugänglich.



Informationen verschwinden in einem ParalleluniversumStephen Hawking war bis zu seiner oben genannten Meinungsumkehr noch der festen Überzeugung, dass Informationen von einem Schwarzen Loch verschluckt werden und durch die Singularität, die mit einem anderen (Parallel-) Universum korrespondiert, dorthin verschwinden. Sie werden damit zwar möglicherweise nicht vernichtet, sind allerdings auch niemals wieder zugänglich. Auch in dieser Version bliebe das Informationsparadoxon von Bestand. Auch sollte unter günstigen Umständen die Möglichkeit gegeben sein, durch die (Ring-) Singularität in ein anderes Universum zu reisen. Realistisch gesehen dürfte die Reise durch ein Schwarzes Loch in jedem Fall unweigerlich zum alsbaldigen Tod führen, zumal niemand weiß, ob es überhaupt andere Universen gibt und Schwarze Löcher mit ihnen tatsächlich "in Verbindung" stehen könnten.



Inzwischen haben wir eine ganze Reihe von Möglichkeiten gesehen, was unseren Informationen alles geschehen könnte. Längst nicht alle Vorschläge wurden hier aufgezählt, doch die meisten übrigen liegen abseits jeder Realität, weshalb wir sie nicht weiter beachten wollen. Summa sumarum ergibt sich leider noch immer klein klares Bild, was mit den Informationen geschieht, wenn wir unseren Taschenrechner in das Schwarze Loch werfen. Und was bewog einen brillanten Wissenschaftler wie Hawking nun zu seinem Meinungsumschwung?

In einem Gedankenexperiment zieht er eine Parallele zu den Experimenten der Teilchenphysiker. Diese beschießen ja in den großen Beschleunigern irgendwelche Teilchen mit anderen und beobachten, was dabei geschieht. Entweder werden die Teilchen von ihrer ursprünglichen Flugbahn nur abgelenkt ("gestreut") oder es entstehen völlig neue Teilchen. Solche Streuexperimente dachte sich auch Hawking aus, nur dass er die Partikel derart kollidieren ließ, dass sie ein Schwarzes Loch bilden, welches dann wieder verdampft. Hawking selbst stellte sich dabei als entfernten Beobachter vor, der von den extremen Kräften in der Nähe des Schwarzen Lochs nicht mitbekommt.

In seinem Experiment sendet er also aus der "Unendlichkeit" Teilchen und Strahlung (damit auch Informationen), die das Schwarze Loch bilden und er beobachtet, was wieder bei ihm ankommt. Somit umgeht er die extrem starken Felder im Bereich des Lochs, doch kann er nun auch nicht sicher sein, ob sich überhaupt ein Schwarzes Loch gebildet hat. Diese Unsicherheit erlaubt es Hawking nun zu sagen, dass Informationen erhalten bleiben und in die Unendlichkeit zurückkommen können.

Hawkings Begründung ist nicht nur reine Prosa gewesen, sondern handfeste und hochkomplizierte Mathematik. Er bediente sich dabei der so genannten Pfadintegral- Methode, eine der Quantenmechanik entstammenden Betrachtungsweise. Wenn man eines der oben genannten quantenphysikalischen Teilchen, z.B. ein Elektron, von einer Quelle zu einem Ziel sendet, so muss es nicht unbedingt einen bestimmten, einen einzig möglichen Weg nehmen. Im Gegenteil, das Elektron kann beliebig viele Wege zum Ziel gehen, und manche sogar gleichzeitig! Diese vielen verschiedenen Pfade werden von den Pfadintegralen in einem Komplex beschrieben, wobei dann allerdings jedem einzelnen Pfad nur eine geringe Wahrscheinlichkeit zukommt (in der Quantenphysik rechnet man nur mit Wahrscheinlichkeiten), nur einige wenige sind sehr wahrscheinlich. Pfadintegrale sind selbst für gestandene Physiker nicht wirklich prickelnd - vielleicht schon allein deshalb verstand kaum einer der Zuhörer seinen Vortrag. Im Endeffekt, und das ist was uns interessiert, kam er jedoch zu dem Ergebnis, dass Informationen in verdampfenden Schwarzen Löchern nicht verloren gehen können.

Viele namhafte Wissenschaftler zweifeln Hawkings Begründung an und wir stehen damit nach wie vor der ungeklärten Frage gegenüber, was nun mit Informationen im Schwarzen Loch geschieht. Der theoretischen Physik stellt sich deshalb diese anspruchsvolle Aufgabe weiterhin, denn es ist keinem Beobachter zumutbar, 10100 Jahre darauf zu warten, dass ein (großes) Schwarzes Loch (vielleicht) verdampft und dann entweder Informationen wieder preisgibt oder auch nicht.

Seit Erscheinen der Allgemeinen Relativitätstheorie im Jahr 1915 wissen wir, dass am Lebensende eines massereichen Sterns ein Gravitationskollaps steht. Wenn in seinem Innern die Energiequelle versiegt, die zum Erliegen gekommenen Kernfusionen keinen Gegendruck mehr entwickeln, bricht der Stern unter seiner eigenen Last zusammen. Die Materie stürzt unaufhaltsam nach innen, es gibt kein Halten mehr. Bei Erreichen einer kritischen Größe (Schwarzschildradius) verschwindet der Stern aus dem Universum, wir können ihn nicht mehr sehen und keine Informationen mehr über ihn erhalten. Es ist ein Schwarzes Loch entstanden.

Im Zentrum des Schwarzen Lochs ist die ursprüngliche Materie zu einem unfassbaren Zustand zusammengequetscht: Zu einem ringförmigen Punkt unendlich kleiner Ausdehnung und unendlich hoher Dichte! Die Krümmung der Raumzeit in dieser Singularität ist unendlich hoch, so dass Raum und Zeit dort aufhören zu existieren.

Gravasterne

Physikern sträuben sich die Nackenhaare, wenn sie mit Unendlichkeiten rechnen müssen. In unserem Universum sind unendliche Größen nämlich äußerst selten! So ist es kein Wunder, dass man immer wieder nach Auswegen sucht, um den höchst unbequemen Zustand der Singularität zu umgehen. Stephen Hawking beispielsweise schlägt als Alternative zum Urknallmodell die Entstehung des Kosmos aus einem unbestimmten Quantenzustand vor, nach dem in einem Multiversum (auch Hyperraum genannt) unzählige Universen aus Fluktuationen entstehen. Paul Steinhardt entwickelte das Ekpyrotische Universum. Demnach entstand das All durch eine Kollision zweier so genannter Brane, dreidimensionaler Gebilde, die in eine fünfdimensionale Raumzeit eingebettet sind. Nicht zuletzt soll die zukünftige Theorie der Quantengravitation die Singularität insofern vermeiden, als die Masse in einem Raum endlicher Ausdehnung - im Bereich der Planck- Skala von 10-35 [m] - enthalten ist.

Emil Mottola vom Los Alamos National Laboratory und Pawel Mazur von der University of South Carolina schlugen das Modell völlig neuartiger Himmelskörper vor, die eine ernsthafte Alternative zur Singularität eines Schwarzen Lochs darstellen könnten. Sie nannten diese Objekte QBHO (Quasi Black Hole Object) oder Gravastern (Eine Zusammensetzung aus Gravitation, Vakuum und Stern).

Was ist nun solch ein Gravastern und wie entsteht er? Genau wie ein Schwarzes Loch bildet sich ein Gravastern aus einem kollabierenden massereichen Stern. Am Ende steht jedoch nicht die Singularität, sondern eine Blase, die von einer dünnen Materieschale umgeben ist. Wie genau dieser Bildungsprozess abläuft, weiß bis jetzt noch niemand. Bevor sich jedoch beim kollabierenden Stern der Ereignishorizont ausbilden kann, durchläuft die nun schon stark gekrümmte Raumzeit einen (Quanten-)Phasenübergang (ein Phasenübergang ist z.B. die Umwandlung von flüssigem Wasser in festes Eis). Es entsteht ein so genanntes gravitatives Bose- Einstein- Kondensat (GBEK). Allgemein ausgedrückt, verhalten sich in einem Bose- Einstein- Kondensat die Atome wie ein einziges großes, da alle dieselben Quanteneigenschaften annehmen. Die Raumzeit im kollabierenden Stern ist durch ihre starke Krümmung sehr energiereich und geht nun in das neuartige GBEK über.

Nach vollzogenem Phasenübergang bildet sich in dem Bereich, der dem Ereignishorizont eines Schwarzen Lochs entspricht, eine sehr dünne, extrem niederenergetische und deshalb kalte Materieschale aus einem Quantenkondensat. Ihre Temperatur liegt nur minimal über dem absoluten Nullpunkt, so dass keine Strahlung emittiert wird. Daher sind Gravasterne prinzipiell schwarz wie ein Schwarzes Loch. Das eigentliche GBEK bildet das Innere des Gravasterns, und nun wird es ziemlich exotisch: Dieses Innere ist eine Vakuum- Blase mit positiver kosmologischer Konstante. Das bedeutet, dass sie gravitativ abstoßend wirkt! Dieses Vakuum, das nichts anderes als die geheimnisvolle Dunkle Energie sein könnte, erzeugt einen nach außen gerichteten Druck und stabilisiert so die äußere Schale, während diese für das innere Vakuum verantwortlich ist.

Die Schale des Gravasterns ist wie schon erwähnt sehr dünn, sie hat nur eine Ausdehnung im Bereich der Plancklänge, das entspricht unvorstellbaren 10-35 [m]. Der Hauptanteil der Masse des Sterns besteht, so seltsam das auch klingt, aus der materiefreien Blase des besonderen Vakuums.

Gravastern und Schwarzes Loch im VergleichEigentlich sind Schwarze Löcher und Gravasterne recht simpel aufgebaut. Hier sehen wir ein einfaches, nicht rotierendes Schwarzes Loch (Schwarzschild- Lösung, in Wirklichkeit rotieren sie aber, die Singularität ist dann ringförmig, entsprechend der Kerr- Lösung der Einsteinschen Feldgleichungen). Die punktförmige Singularität, in der alle Masse vereinigt ist, befindet sich im Zentrum. In einer bestimmten Entfernung davon liegt der Ereignishorizont, an dem die Fluchtgeschwindigkeit gleich der Lichtgeschwindigkeit ist. Daher kann nichts von hier entweichen, nicht einmal Licht - Schwarze Löcher sind tatsächlich schwarz! Gravasterne bestehen aus einer Vakuum- Blase mit antigravitativer Wirkung und einer hauchdünnen umgebenden Schale. Sie bilden keinen Ereignishorizont aus, daher können Photonen aus dem Innern entweichen. Diese unterliegen allerdings der gravitativen Rotverschiebung, wodurch sie extrem energiearm werden (die Wellenlängen werden stark vergrößert).

Die Entweichgeschwindigkeit liegt bei einem Gravastern stets knapp unterhalb der Lichtgeschwindigkeit, weshalb wie gesagt Photonen entweichen können. Was aber geschieht im umgekehrten Fall, wenn Photonen oder Materie auf einen Gravastern treffen? Wir müssen uns fragen, ob diese dann auch wie bei einem Schwarzen Loch einfach verschluckt werden. Genaues darüber weiß man leider noch nicht. Es könnte aber sein, dass die eindringende Materie ebenfalls einem Phasenübergang unterworfen wird und im Innern Teil des Bose- Einstein- Kondensats wird. Hierdurch wird der Radius des Gravasterns anwachsen, wie auch durch Materieakkretion der Horizont eines Schwarzen Lochs anwächst. Das allerdings wäre für die beobachtenden Astronomen bitter, denn die Materie würde wie beim Schwarzen Loch einfach verschluckt, ohne dass es etwas zu sehen gäbe. Ein Gravastern wäre damit eine Art Materieumwandler, denn er würde normale (= "baryonische") Materie in Dunkle Energie umformen.
n.

 

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Gravasterne lassen sich aufgrund der bisherigen astronomischen Beobachtungen von Schwarzen Löchern nicht unterscheiden, denn beide verhalten sich außerhalb einer bestimmten Distanz vom Ereignishorizont identisch. Könnte man die Beobachtung jedoch nah genug an den Horizont heranbringen, sollten sich Gravasterne durch einen höheren Energieausstoß bei der Akkretion von Materie verraten.
Denkbar ist auch, dass einfallende Photonen an der Phasengrenze reflektiert werden (ähnlich wie z.B. Licht beim Übergang von Luft in Wasser teilweise reflektiert wird), was vor allem auf extrem kurze Wellenlängen zutreffen könnte. Gravasterne sollten dann im Gammabereich beobachtbar sein.

Wie es scheint, müssen Gravasterne sehr exotische Objekte sein und es ist fraglich, ob man jemals deren tatsächliche Existenz nachweisen wird. Dieselben Zweifel hatte allerdings vor vielen Jahren auch ein junger Physiker namens Einstein, der nicht so recht daran glauben mochte, dass es in der Tat Punkte von unendlicher Dichte geben sollte, wie es ihm seine eigenen Rechnungen vorhielten. Heute finden wir Schwarze Löcher in fast jeder "Ecke" des Kosmos...

Die Hypothese der Gravasterne ist noch sehr jung. Bislang sind nur (mathematische) Lösungen für statische, also nicht rotierende Objekte gefunden. Wo aber bleibt der Drehimpuls des kollabierten Sterns, denn jeder Stern rotiert? Auch die Natur des neuen Quantenkondensats ist völlig ungeklärt. Sollte es aber gelingen, ein Kondensat mit den geforderten Eigenschaften zu finden, könnten Gravasterne die "Endprodukte" der Hypernovae sein und damit vielleicht auch verantwortlich für die Gamma- Bursts.

So gibt es noch viele Fragen zu klären, bis die Theorie handfeste Voraussagen machen kann, mit denen dann die beobachtenden Astronomen auf die Suche gehen können. Eine interessante und elegante Alternative zu den Singularitäten Schwarzer Löcher wären Gravasterne jedoch allemal. Wie auch immer ihre wahre Natur beschaffen sein mag, die sie geschickt und vollkommen in ihrem Innern verbergen - Schwarze Löcher sind mit die faszinierendsten Gebilde im Universum!

Wenn Sie möchten, können Sie hier das Original-Script von Mazur/Mottola als pdf- File (116 kB) herunterladen.

Fuzzballs

Stephen Hawking, Kip Thorne und John Preskill haben einmal gewettet, ob nun Informationen in einem Schwarzen Loch vernichtet werden oder nicht. Hawking und Thorne waren sich sicher, dass Schwarze Löcher die besten Informationsvernichter im Kosmos sind, während Preskill anderer Ansicht war.

Samir Mathur und Kollegen, Physiker der Ohio State University, haben auf Grundlage der String- Theorien einen umfangreichen Satz von Gleichungen gelöst und sind dabei zu dem Ergebnis gekommen, dass die Informationen doch erhalten bleiben können. Nach der Stringtheorie ist unsere Welt ja aus allerkleinsten, schwingenden Fädchen aufgebaut, eben den Strings. Je nach Kombination dieser Strings, die wie die Saiten einer Gitarre gespannt sind, ergeben sich unsere bekannten Bauteilchen der Materie wie Elektronen, Protonen oder Neutronen. So wie auch eine lange Gitarrensaite leichter zu zupfen ist als eine kurze, sind auch lange Stringbündel dehnungsfähiger wie einzelne Strings. Wenn sich nun alle in eine Schwarzes Loch gefallenen Strings zu riesigen Bündeln zusammen lagern, ergibt sich ein sehr dehnfähiges Gebilde. Nach den Berechnungen von Matur dehnt es sich genau so weit aus, wie der Ereignishorizont des klassischen Schwarzen Lochs. Nun sollen die Informationen in einem Schwarzen Loch in Form solcher Strings gespeichert bleiben, die sich als ein wirres Bündel vom Kern bis zum Ereignishorizont erstrecken. Sollte das zutreffen, wären Schwarze Löcher nicht länger glatte, zukunftslose Entitäten. Ihre neuen Gebilde nennen die Forscher Fuzzballs.

Fuzzballs, auch Stringsterne genannt, sind das Äquivalent der String Theorien zu Schwarzen Löchern, die bekanntlich Folgerungen der Allgemeinen Relativitätstheorie sind.

Fuzzball Wie diese weisen sie ebenfalls einen Ereignishorizont auf, doch ist er nicht so exakt abgegrenzt. Vielmehr ist er verschwommen, neblig (engl. fuzzy = unscharf, undeutlich), daher auch der Name Fuzzballs.

Ein weiterer prägnanter Unterschied ist das Fehlen einer Singularität. Während Schwarze Löcher den Ruf haben, alles bis zur völligen Unkenntlichkeit zu verzerren - gemeint sind damit Teilchen und Informationen, die in die Singularität gelangen, ist das bei den Fuzzballs anders. Die Informationen werden in Form von Schwingungen durch die Strings gespeichert und können mit der Hawking- Strahlung wieder nach außen gelangen. Und noch einen Vorteil hätten sie gegenüber den Schwarzen Löchern: sie vermeiden das Informationsparadoxon.

Ein Schwarzes Loch lässt sich theoretisch aus allem erzeugen: Massereiche Sterne, Planeten, Neutronen, Elektronen oder aus toten Hühnern. Es ist völlig egal was man nimmt, immer steht am Ende eine Singularität. Hier ist dann eine wie die andere, sie unterscheiden sich einzig durch ihre Masse. Alles, was man ins Loch wirft wird Teil der Singularität und damit bis zur völligen Unkenntlichkeit zerstört. Das aber widerspricht dem quantenmechanischen Gesetz der Reversibilität (Umkehrbarkeit). Jedes Endprodukt einen Prozesses muss demnach auf die Anfangskonditionen zurückzuführen sein. Bei den Singularitäten ist das aber wohl nicht der Fall, man kann aus diesem "Endprodukt" nicht wieder die Teilchen zurück gewinnen, aus denen es entstand. So stellen Fuzzballs eine ernstzunehmende Alternative zu den klassischen Schwarzen Löchern dar.

Problematisch ist jedoch der Nachweis. Selbst wenn man ein Schwarzes Loch und einen Fuzzball auf dem Labortisch hätte, könnte man sie kaum voneinander unterscheiden. Da wir beide sowieso nur dann "sehen" können, wenn sie von einer Akkretionsscheibe umgeben sind, ist es auch durch noch so sorgfältige Beobachtung nahezu aussichtslos, die eine von der anderen Erscheinungsform zu unterscheiden.

Holosterne

Eine andere Alternative zu den Schwarzen Löchern stellen die so genannten Holosterne dar. Sie sind exakte kugelsymmetrische Lösungen der Feldgleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie mit einem anisotropen (isotrop = gleichmäßig verteilt)

Ein Holostern würde nicht wie ein Schwarzes Loch alles zerstören, was hineinfällt, sondern sogar eine Menge innerer Aktivitäten zulassen. In der Tat würden Objekte, die im Innern eines Holosterns umherfliegen, sich beschleunigt voneinander entfernen, so wie es die Galaxienhaufen im Universum halten. Möglicherweise ist sogar der ganze Kosmos ein Holostern und wir brauchen die Dunkle Energie gar nicht, um die beschleunigte Expansion zu begründen.

Von den Eigenschaften her entspricht der Holostern dem (statischen, elektrisch geladenen) Schwarzen Loch (Reissner-Nordström- Loch), jedoch fehlen wie bei den Gravasternen die Singularität und der Ereignishorizont. Der Aufbau des Holosterns ist dem Gravastern auch sehr ähnlich: an die Stelle des Ereignishorizontes tritt eine Membran, die praktisch masselos ist, eine Ausdehnung im Bereich der Plancklänge aufweist und in etwa beim Schwarzschildhorizont angesiedelt ist. Aus den Eigenschaften der Membran kann man direkt auf die Masse schließen. Das entspricht dem holografischen Prinzip, nach welchem eine höher dimensionale Information auf eine geringer dimensionale projiziert wird. Daher auch der Name des Gebildes.

Sehen wir uns das Innere des Holosterns an, so haben wir wiederum eine Übereinstimmung, und zwar mit den Fuzzballs. Zunächst aber befindet sich im Zentrum anstelle einer Singularität eine negative Punktmasse. Zwar hat diese nur eine Ausdehnung im Bereich der Plancklänge, widerspricht aber allen bisherigen physikalischen Erkenntnissen. Von ihr ausgehend erstrecken sich radial Strings in kompakt gebündelter Form bis zur äußeren Membran. Weil die Strings in dieser Konfiguration einen negativen Druck aufweisen sind sie in der Lage, den möglichen Kollaps des Gebildes zur Singularität zu verhindern. Neben dem großen Vorteil der Vermeidung einer Singularität bieten Holosterne einen weiteren: auch sie vernichten keine Informationen.

Man muss sich noch darüber im klaren sein, dass weder Grava- noch Holosterne die Bezeichnung "Stern" wirklich verdienen. Zwar können sie das Endstadium eines massereichen Sterns darstellen, jedoch auch eine Materiemenge aufsammeln, die weit jenseits jeder Grenze liegt, die einen wirklichen Stern auszeichnet. Insofern sind diese Begriffe etwas unglücklich gewählt, haben sich dennoch allgemein etabliert.

Fermionen/Bosonensterne

Noch sind wir aber nicht ganz am Ende der vielleicht manchmal etwas exotisch anmutenden Modelle kompakter kosmischer Körper angelangt. Es müssen nämlich noch der Fermionen- und der Bosonenstern erwähnt werden.

Neben anderen so genannten Quantenzahlen unterscheiden sich Teilchen auch durch ihren Spin, eine Eigenschaft, die am verständlichsten als Eigendrehimpuls bezeichnet wird. Der Spin kann halb- und ganzzahlige Werte annehmen, also z.B. ½, 1, 1½ usw. und dabei positiv oder negativ sein. Teilchen mit ganzzahligem Spin bezeichnen wir nun als Bosonen, zu ihnen zählen die Photonen, das Higgs- Teilchen, W+, W- und Z0- Bosonen als Botenteilchen der schwachen Wechselwirkung sowie die Gluonen. Auch das noch nicht nachgewiesene Graviton ist ein Boson.

Fermionen dagegen weisen einen halbzahligen Spin auf und in dieser Familie finden wir neben den 6 Quarks auch die Leptonen wie das Elektron und die verschiednen Neutrinos. Zwischen Bosonen und Fermionen gibt es einen gravierenden Unterschied: Während die Fermionen dem Pauli- Prinzip unterliegen, sich also immer zumindest in einer Quantenzahl unterscheiden müssen, gilt das nicht für Bosonen. Letztere können dann auch aufgrund dieser Eigenschaft ein so genanntes Bose-Einstein-Kondensat bilden.

Astrophysiker verfolgen nun die Idee von Bosonen- und Fermionensternen, so sie denn existieren. Auch diese kompakten Gebilde würden einen Ausweg aus dem Dilemma der Singularitäten bieten. Sie wären in der Tat lediglich aus Bosonen wie den Higgs- Teilchen aufgebaut, oder im Falle der Fermionensterne beispielsweise aus Neutrinos oder Gravitinos. So reizvoll solche Modelle auch sein mögen, sind sie indes noch längst keine Konkurrenten zum klassischen Schwarzen Loch. Beide sind nicht imstande, die gesamte Skala vom stellaren Schwarzen Loch bis hin zum supermassereichen Loch mit 3 Milliarden Sonnenmassen im M 87 abzudecken. Auch sind sicherlich noch die Prozesse unklar, wie beim Kollaps eines Sterns aus ganz "normaler" Materie nur Higgs- Teilchen oder nur Neutrinos entstehen.

 

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ögen so manchem von uns diese bislang hypothetischen Objekte auch höchst exotisch vorkommen, so zeigen sie aber doch, wie intensiv sich die Wissenschaft mit dem Endstadium massereicher Sterne beschäftigt. Eine endgültige Bestätigung der tatsächlichen Existenz eines dieser Modelle liegt in ferner Zukunft. Nicht nur, weil wir ein Schwarzes Loch nicht einfach auf den Labortisch legen können, um es zu untersuchen. Selbst wenn wir zu einem reisen könnten - was sicher mehr als riskant wäre - würde es alle Informationen über sein "Innenleben" für immer vor uns verbergen. Erwarten wir in stiller Vorfreude also noch weitere, abstraktere Modelle über diese Sternendstadien...

Einstein- Rosen- Brücke

Schwarze Löcher bieten uns eine weitere Besonderheit:
Bereits im Jahre 1935 haben Albert Einstein und Nathan Rosen erkannt, dass die Relativitätstheorie prinzipiell "Brücken", Einstein-Rosen- Brücken genannt, in der Raumzeit zulässt, die wir heute als Wurmlöcher bezeichnen. Solch ein Wurmloch könnte z.B. von einem Schwarzen Loch erzeugt werden, das hierüber mit einem Weißen Loch oder einem anderen Schwarzen Loch korrespondiert, welches irgendwo weit entfernt im Universum beheimatet ist. Es stellt eine tunnelförmige Abkürzung zwischen entfernten Orten im Kosmos dar.

Wir könnten nun in ein Schwarzes Loch steigen und würden in seinen Sog zur Singularität geraten, durch die Rotation bedingt aber nicht unbedingt dorthin gelangen. Rotierende Schwarze Löcher weisen anstelle der Punktsingularität eine ringförmige Singularität auf. So könnte unsere Reise durch den Verbindungskanal beider Löcher, das Wurmloch führen, und wir würden aus dem Weißen Loch wieder heraus kommen. Berechnungen zufolge ist es durchaus möglich, sich unbeschadet sehr massereichen (> 10 000 Sonnenmassen) Schwarzen Löchern zu nähern, weil hier die Gravitationsbelastung auf unter 15 G zurückgeht, womit auch die Gezeitenkräfte durchaus erträglich wären.

Wie auch immer und schon in vielen SF- Romanen in den schönsten Farben geschildert, wäre diese Reise dennoch leider kein Vergnügen.

Das wurde nochmals in den sechziger Jahren des vergangenen Jahrhunderts durch die Physiker John Wheeler und Robert Fuller bestätigt. Das Wurmloch bricht hiernach unter der eigenen Schwerkraft so schnell zusammen, dass nicht einmal Licht hindurchgelangen könnte, denn jede noch so kleinste Störung, selbst ein Photon, würde diesen Vorgang auslösen.

Negative Energie

Doch scheint es einen Ausweg aus diesem Dilemma zu geben:

Prinzipiell lassen sich Wurmlöcher auch ohne Schwarze Löcher "konstruieren", die genügend groß und auch entsprechend stabil sind. Das Zauberwort hierzu heißt negative Energie bzw. negative Masse, auch bekannt als exotische Materie. Die uns geläufige Materie weist durchweg positive Energie auf und verursacht deshalb eine positive Krümmung der Raumzeit. Auch Antimaterie weist positive Energie auf und wirkt gravitativ anziehend. Um ein Wurmloch zu stabilisieren braucht man aber eine Region mit extremer negativer Krümmung, damit Materie mit negativer Energie, denn diese entspricht einer abstoßenden Gravitation. Was aber ist nun diese negative Energie und wie kann man sie gewinnen?

Hier kommt uns die Unschärferelation der Quantenmechanik zu Hilfe:
Im subatomaren Bereich brodelt es heftig! Es entstehen ständig so genannte virtuelle, entgegengesetzt geladene Teilchenpaare, die sich alsbald gegenseitig wieder vernichten, und das selbst im absoluten Vakuum! Die Energie zu ihrer Bildung leihen sie sich einfach aus dem Vakuum und geben sie bei ihrer Vernichtung wieder zurück. Wenn wir nun diese Fluktuationen etwas unterdrücken könnten, so würden wir die Energiedichte des Vakuums, die nach außen hin Null ist, unter diese "Null- Energie" bringen und wir hätten ein Feld mit negativer Energiedichte.

Schwankung der EnergiedichteDie Energiedichte eines jeden Feldes, egal ob elektrisch, magnetisch oder gravitativ, ist nach der Heisenbergschen Unschärferelation selbst Schwankungen unterworfen. Zu einem bestimmten Zeitpunkt kann sie in den negativen Bereich gelangen. Sie wird aber durch erhöhte Werte der positiven Dichte ausgeglichen. Und zwar wird der negative Puls überkompensiert und das umso mehr, je größer die Zeitintervalle zwischen den Pulsen sind. Diesen Effekt nennt man Quantenzins, die negative Energie ist quasi ein Darlehen, das mit Zinsen zurückgezahlt werden muss. Je länger die Darlehensdauer (größere Zeitintervalle) und je größer die Darlehensmenge (die negative Energie), umso höher ist der Zins (der positive Puls). Hinzu kommt, dass mit ansteigenden Darlehensbeträgen die Laufzeit immer kürzer wird.

Casimir- Effekt

Felder mit negativer Energiedichte lassen sich im Labor erzeugen. Benutzt wird hierzu der so genannte Casimir- Effekt, benannt nach seinem Entdecker, dem niederländischen Physiker Hendrik B. G. Casimir. Er zeigte bereits 1948, dass sich zwei ungeladene Metallplatten in sehr engem Abstand in einem Vakuum anziehen.

Bildung virtueller Teilchen Ursache hiervon sind die Vakuumfluktuationen. Auch im perfektesten Vakuum entstehen ständig virtuelle Teilchenpaare aus Materie und Antimaterie, welche die Energie zu ihrer Entstehung vom Vakuum "ausleihen" und sie nach sehr kurzer Zeit wieder zurückgeben, indem sie sich gegenseitig vernichten (annihilieren). Man kann virtuelle Teilchen nicht beobachten, jede Beobachtung würde sie sofort zu reellen Teilchen werden lassen. Einen indirekten Beweis ihrer Existenz liefern sie aber, indem sie beispielsweise Wasserstoffatome etwas hin und her stoßen, was zu einer messbaren, winzigen Verschiebung ihres niedrigsten Energieniveaus führt.

Virtuelle Teilchen sind auch Wellen Allein im Moment ihrer Entstehung hat das Vakuum bereits eine negative Energiedichte, weil es einen kleinen Anteil seiner Energie an die Teilchen entliehen hat. Die virtuellen Teilchen kann man auch nach dem Welle- Teilchen Dualismus als Welle auffassen.

Casimir- Effekt Nun passen aber nicht alle Wellenlängen zwischen beide Metallplatten, sondern nur stets ein ganzzahliges Vielfaches bestimmter Wellenlängen, während außen alle möglichen Fluktuationen bzw. Wellenlängen existieren dürfen.

Im Endeffekt drücken somit von außen mehr Wellen gegen die Platten, als im Zwischenraum ausgeglichen wird, es entsteht hier somit ein Feld mit negativer Energiedichte. Das Anziehen der Platten ist damit auch ein weiterer Beweis für die Existenz der virtuellen Teilchen. Der Casimir- Effekt ist winzig: z.B. bei einem Abstand der Platten von einem Millionstel Millimeter beträgt der Quantendruck nur rund ein Zehntausendstel des Luftdrucks. Wenn man die Platten einander nähert, passen noch weniger Wellen in den Spalt - die negative Energiedichte steigt weiter, zieht man sie auseinander, verschwindet der Effekt. Eine positive Energiedichte, verkörpert beispielsweise durch einen Stern, stellt eine Gravitationsquelle dar und übt anziehende Kräfte aus. Könnten wir Felder mit negativer Energie erzeugen, hätten wir eine Quelle für abstoßende Kräfte und könnten sie zur Stabilisierung eines Wurmlochs nutzen.

Wurmloch

Ein Wurmloch ist eine tunnelförmige Verbindung zwischen zwei weit entfernt voneinander liegenden Raumpunkten. Es stellt eine Art Abkürzung in der gekrümmten Raumzeit dar, indem es die Krümmung einfach umgeht. Nach der Relativitätstheorie kann man Licht zwar nicht überholen, aber mit einem Wurmloch ließe es sich austricksen.

Konstruktion eines WurmlochsMan könnte hypothetische Wurmlöcher konstruieren, die genügend groß wären um einen Menschen oder ein Raumschiff hindurch zu lassen. Man müsste nur eine Möglichkeit haben, genügend negative Energie bereit zu stellen. Dann könnte man beispielsweise auf der Erde ein Wurmloch betreten und wäre nach ein paar Schritten auf der Andromeda- Galaxie.

Normalerweise wäre ein Wurmloch aber mikroskopisch klein, es hätte nicht mehr als 10-32 [mm] Durchmesser. Um ein Loch von einem Meter Durchmesser zu öffnen, müsste man es mit einem 10-21 [m] dünnen Feld negativer Energie umgeben. Allerdings benötigte man zu ihrer Gewinnung die Gesamtenergie, die 10 Milliarden Sterne in einem Jahr freisetzen. Wurmloch- Konstrukteure haben es also nicht sehr leicht! Zur Stabilisierung eines großen Wurmlochs, durch das man ein Raumschiff reisen lassen könnte, wäre mehr Energie erforderlich, als im gesamten Universum zur Verfügung steht.

Zumal sich noch weitere Probleme eröffnen:
Durch ein Wurmloch wären auch Zeitreisen möglich. Bekannt ist bereits, dass bei Reisen mit relativistischen Geschwindigkeiten der Reisende bei seiner Rückkehr deutlich weniger gealtert ist als die Menschen auf der Erde. Aber würde er die Abkürzung durch ein Wurmloch nehmen, könnte er zurückkehren bevor er abfliegt. Das aber widerspricht erheblich der Kausalität - eine Wirkung kann nicht ohne Ursache eintreten. Das andere Problem betrifft den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik, welcher besagt, dass die Entropie eines Systems (seine "Unordnung") nur gleich bleiben oder zunehmen kann. Die negative Energie könnte diesen Satz aber verletzen: Wenn wir zur Öffnung eines Wurmlochs einen stetigen Strahl negativer Energie erzeugen, müsste nach den Quantentheorien ein zweiter Strahl positiver Energie entstehen, den wir anderweitig nutzen könnten. Damit wäre das Perpetuum Mobile geschaffen, welches es aber nach unseren physikalischen Gesetzen (eben der Thermodynamik) nicht geben darf.

Noch ein weiteres Argument spricht heute gegen die Existenz von Wurmlöchern:
Wie wir wissen, ist die Raumzeit auf großen Skalen flach, d.h. sie entspricht der euklidischen Geometrie. Das bedeutet, dass sie fast keine Krümmungen aufweist! Eine "Abkürzung" durch die Raumzeit mittels Wurmloch ist also gar nicht möglich...

Warp- Antrieb

Es bietet sich in diesem Zusammenhang jedoch eine weitere Anwendung der negativen Energie an:
Man könnte sie als einen futuristischen Antrieb für Raumschiffe verwenden, in Form des vom Raumschiff Enterprise bekannten Warp- Antriebes (engl. to warp = verzerren, verziehen).

Reisen in einer Raumzeit- BlaseMittels negativer Energie ließe sich nämlich eine Art Blase in der Raumzeit konstruieren, an deren Vorderseite die Raumzeit kontrahiert wird, wodurch sich der Abstand zum Ziel verringert. Hinter der Blase, in welcher sich das Raumschiff befindet, wird die Raumzeit wieder gedehnt, wodurch sich der Abstand vom Herkunftsort vergrößert. Die Reisenden im Raumschiff würden keine Bewegung erkennen, sie ruhen relativ zu ihrer Umgebung, während ein außenstehender Beobachter eine beliebig hohe Geschwindigkeit der Blase feststellt. Nach Einstein ist zwar das Überholen eines Lichtstrahls ausgeschlossen, jedoch wäre ein Warp- Antrieb eine zulässige Abkürzung in der Raumzeit, ebenso wie ein Wurmloch.

Die Raumfahrer hätten allerdings ein großes Problem: sie könnten die Blase nicht steuern oder abschalten, das müsste von außen geschehen. Es gäbe aber eine Lösung, indem die künftigen Reisenden eine Art Tunnel aus modifizierter Raumzeit zwischen Start- und Zielort in Unterlichtgeschwindigkeit herstellen (das wäre allerdings kein Wurmloch!), auf dem Rückflug könnten sie den Tunnel dann mit Überlicht passieren.

Nackte Singularität

Die negative Energie, wenn sie uns denn zur Verfügung stände, hätte noch einen weiteren interessanten Aspekt. Weil sie eine abstoßende Wirkung auf Gravitation hat, könnte man mit ihrer Hilfe den Ereignishorizont eines Schwarzen Loches öffnen und damit einen Blick auf die nackte Singularität werfen. Das verbietet uns allerdings die so genannte, vom bekannten Astrophysiker Roger Penrose aufgestellte Kosmische Zensur, welche uns diesen Blick verwehrt. Die Singularität eines Schwarzen Lochs ist ein Zustand, den wir in keinster Weise beschreiben können. Die Umgebung des Lochs, abgegrenzt durch den Ereignishorizont, unterliegt im Gegensatz dazu den bekannten Naturgesetzen. Eine nackte Singularität würde diese Grenze verletzen und ist deshalb nach der Kosmischen Zensur nicht zulässig.

Einem Impuls negativer Energie, auf das Schwarze Loch gerichtet, würde deshalb sofort ein größerer Puls positiver Energie folgen, der den Horizont wieder verschließt.

Alle hier genannten Effekte, ob Wurmloch, Warp- Antrieb oder nackte Singularität, sind keine Hirngespinste, sondern Ergebnisse komplizierter Berechnungen vieler ernsthafter und namhafter Wissenschaftler. Es gibt die negative Energie, das zeigt der Casimir- Versuch. In diesem mikroskopischen Bereich kann sie unbeschränkt bestehen. Um makroskopische Objekte wie Wurmlöcher zu gestalten, wären allerdings unvorstellbar dünne Felder negativer Energiedichte erforderlich, die man nicht erzeugen kann. Weil nämlich, wie wir gesehen haben, auf jeden negativen Puls unweigerlich ein größerer positiver folgen muss. Negative Pulse sind darüber hinaus nur sehr kurz. Um langzeitstabile Felder negativer Energie zu konstruieren wären unvorstellbare positive Energiemengen notwendig.

Wir sind nicht imstande, Warp- Antriebe oder Wurmlöcher zu entwickeln, doch zeigen die theoretischen Betrachtungen, dass sie prinzipiell möglich sind ohne die Naturgesetze zu verletzen - Relativitätstheorie und Quantenphysik eingeschlossen. Vielleicht konnten sich inzwischen hoch entwickelte Zivilisationen, an deren Existenz eigentlich kaum Zweifel bestehen können, diese Techniken zunutze machen und sie durchqueren bereits munter unseren Kosmos. Auch dem Menschen könnte Ähnliches in unbestimmter Zukunft gelingen. Wer weiß...

Galaxien

Aufbau unserer Galaxie

Könnten wir unsere Galaxie, die Milchstraße, aus einer gehörigen Entfernung von außen betrachten, so würde sie sich uns annähernd wie die Andromeda- Galaxie zeigen. Lange Zeit glaubte man auch, sie sei in der Tat eine reine Spiralgalaxie vom Typ Sb. Heute wissen wir jedoch, dass wir in einer Balkenspirale vom Typ SBc beheimatet sind (Näheres hierzu siehe weiter unten). Sie stellt ein aus etwa 300 Milliarden Sternen bestehendes System dar, von denen wir in einer klaren Nacht unter besten Bedingungen lediglich 6000 mit bloßem Auge erkennen können. Hinzu kommt noch eine große Menge Interstellarer Materie, die allein schon eine Masse von minimal 600 Millionen, möglicherweise auch einige Milliarden Sonnenmassen ausmacht.

Leider sind wir aber nicht in der Lage, die Galaxis von außen zu bewundern, so dass wir ihre Struktur von unserem Standpunkt aus auf der Erde ergründen müssen. Eine große Hilfe stellt dabei die Radioastronomie dar, durch deren Beobachtungen wir inzwischen vieles über die Verteilung der Interstellaren Materie wissen. Auch Messungen im IR- und Röntgenbereich tragen ihren Anteil an unserem heutigen Wissen hinzu, ermöglicht durch die vielen modernen Satelliten. Aus den Beobachtungen anderer Galaxien geht hervor, dass die Gebiete hoher Sternentstehungsraten, Anhäufungen heißer, massereicher O- und B- Sterne, überwiegend in den Spiralarmen liegen, weil hier ein hoher Anteil Interstellarer Materie zu finden ist. Aus all diesen Ergebnissen kristallisierte sich immer mehr die Struktur unserer Heimatgalaxie heraus.

Unsere Milchstraße - Anklicken für GroßansichtBereits ein nur kleiner Ausschnitt unserer Milchstraße vermittelt einen Eindruck der ungeheuren Anzahl von Sternen unserer Galaxie. Richten Sie nur einmal in einer klaren Nacht den Feldstecher gegen das verwaschene Band der Milchstraße. "Live" betrachtet ist ein solch faszinierender Anblick noch viel überwältigender!

Im Foto sehen wir direkt in die Richtung des galaktischen Zentrums. Es befindet sich in der Bildmitte im Sternbild Sagittarius (Schütze). Zu sehen ist das Zentrum leider nicht im optischen Wellenlängenbereich, dichte Staubwolken verhindern jede Sicht vollkommen. Die quer durch das Bild laufende dünne Linie stammt von einem Flugzeug, die dunklen Schatten im Vordergrund sind durch Bäume verursacht. Mehr als 30 Objekte des Messier- Kataloges findet man in diesem Milchstraßenabschnitt, der kleine rote Fleck über dem Zentrum ist z.B. der Lagunen- Nebel M 8, der rot-blaue Fleck darüber ist der Trifid- Nebel M 20. Durch Anklicken können Sie eine Großversion des Bildes betrachten.

 

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Viele Sterne der Milchstraße sind Einzelgänger wie unsere Sonne, andere sind jedoch häufig Mitglieder von Doppel- oder Mehrfachsystemen oder sogar von Sternhaufen. Die Sterndichte lässt sich nur in unmittelbarer Sonnenumgebung genau feststellen. In einem kugelförmigen Raum von 5 [pc] (= Parsec) Durchmesser um die Sonne zählt man 65 Sterne. Davon sind 33 Einzelsterne, 26 gehören zu einem Doppelsystem und es gibt hier 2 Dreifachsysteme. Dazu gesellen sich 6 unsichtbare Begleiter. Hieraus folgt eine mittlere Dichte von 130 Sternen pro 1000 [pc3]. In einer Kugel von 25 [pc] Durchmesser um die Sonne findet man 3600 Sterne, die Dichte sinkt dann auf nur noch 60 Sterne je 1000 [pc3], weil in den großen Abständen lichtschwache Sterne nur noch sehr schwer zu entdecken sind und sich vielfach der Beobachtung entziehen.

90 % der Sterne in Sonnennähe sind Hauptreihensterne, weniger als 1 % sind Riesen und die Weißen Zwerge haben einen Anteil von 8 %.

Der Aufbau der Milchstraße stellt sich heute etwa folgendermaßen dar:
Wie bei allen Spiralgalaxien befindet sich im Zentrum des Systems der so genannte Kern, englisch als bulge bezeichnet. Das ist eine in etwa kugelförmige Zusammenballung von Sternen und Materie mit einem Durchmesser von 5 [Kpc] (16 000 Lichtjahre). In diesem Gebiet findet man die höchste Materiedichte einer Galaxie.

Aufbau der MilchstraßeSo etwa würde ein Schnitt durch unser Milchstraßensystem aussehen. Nicht angedeutet ist dabei, dass sich im Zentrum ein Schwarzes Loch von mehreren Millionen Sonnenmassen befindet sowie der zentrale Balken von rund 8,3 [Kpc] Länge. Um den Kern erstreckt sich mit einer Dicke von 1 [Kpc] die Scheibe der Galaxie, welche in die Spiralarme ausläuft und einen Durchmesser von 100 000 Lichtjahren hat. Dieses Gebilde ist von einem 100 [Kpc] durchmessendem Halo umgeben, in welchem neben den rund 150 bislang bekannten Kugelsternhaufen auch Einzelsterne zu finden sind. Den äußeren Bereich des Gesamtsystems bildet die Korona, von der wir vermuten, dass sie einen hohen Anteil an Dunkler Materie enthält. Sie hat einen Durchmesser von 200 [Kpc]

Die Spiralarme

Wie schon oben angedeutet, sind die optisch sichtbaren, heißen, jungen Sterne der Spektralklassen O und B eindeutige Indikatoren für Spiralarme. Hierzu zählen neben H-II- Gebieten (Wolken von leuchtendem, heißem und ionisiertem Wasserstoff) auch kalte, dunkle Molekülwolken (im Radiobereich beobachtbar) und junge Sternhaufen, wie beispielsweise die bekannten Plejaden. Misst man die Entfernung dieser Objekte und trägt sie zusammen mit ihrer Lage im galaktischen Koordinatensystem in ein Diagramm ein, so kristallisieren sich für unsere Milchstraße 4, möglicherweise sogar 5 Spiralarme heraus, die dem zentralen Balken entspringen.

Struktur der SpiralarmeDie beobachteten HII- Gebiete der Milchstraße. Andeutungsweise kann man aus ihrer Lage die möglichen Spiralarme ableiten. Das Kreuz in der Mitte deutet das Zentrum an, von welchem die Balkenarme ausgehen, der gelbe Punkt ist der Ort der Sonne. Die Spiralarme sind zum Teil benannt nach den Sternbildern, in deren Richtung sie liegen. Man unterscheidet hier den Perseus- Arm (auch als +1- Arm benannt), den Orion- Arm (0- Arm), den man auch als lokalen Arm bezeichnet, weil sich in ihm die Sonne befindet, sowie den Sagittarius- Arm (-1). Der Orionarm ist womöglich kein vollständiger Arm, sondern nur ein Bruchstück, in ihm läuft die Sonne mit 30 [Km/s] auf das Sternbild Herkules zu. Zwei weitere Arme deuten in Richtung der (südlichen) Sternbilder Scutum (Schild) und Norma (Winkelmaß).

Die Spiralarme enthalten also überwiegend helle, weiß- blaue Sterne, Sterne die noch jung sind oder sich im Laufe ihrer Entwicklung auf dem Hauptreihenast des Hertzsprung-Russel- Diagramms langsam nach oben bewegen. Im Kern der Galaxis (unsere Milchstraße nennt man Galaxis, wohingegen alle anderen Sternsysteme als Galaxie bzw. Galaxien bezeichnet werden) dagegen findet man vorwiegend ältere, weiterentwickelte und daher rötliche Sterne, was auch für den zentralen Balken gilt. Die Arme mit ihren jungen Sternen stellen nur einen geringen Anteil der Scheibenmasse dar. Ungleich mehr Masse wird von gleichmäßig über die Scheibe verteilten, älteren Sternen gebildet.

Warum, fragen wir uns, bilden so viele Galaxien wie auch unsere Milchstraße eigentlich Spiralarme aus? Den Mechanismus, der solche Strukturen erzeugt, kennt man nur sehr vage. Die zu einem System gehörenden Sterne müssen nicht zwangsläufig absolut gleichmäßig verteilt sein. Vielmehr können sich, wenn das System gleichsinnig um einen gemeinsamen Schwerpunkt rotiert, Dichtestörungen - die Spiralarme - ausbilden. Vermutlich hat man es dabei mit einer Art Wellenphänomen zu tun, einer Dichtewelle, die durch ihre Eigengravitation aufrechterhalten wird und damit das "Aufwickeln" der Spiralen verhindert.
Man kann sich leicht eine kleine "Minigalaxie" selbst herstellen, indem man seinem Kaffee etwas Milch zufügt und sehr vorsichtig rührt. Dann bilden sich hier auch "Spiralarme" aus - zugegebenermaßen hinkt dieser Vergleich aber ein wenig.

Die noch sehr unsichere Dichtewellentheorie besagt, dass Spiralarme nichts anderes sind als Gebiete, in denen das Gravitationsfeld gegenüber dem großräumigen Mittelwert etwas erhöht ist. Diese Störungen bilden dann in der galaktischen Ebene die Spiralarme aus. Sie rotieren mit konstanter Winkelgeschwindigkeit, diese ist aber etwas geringer als diejenige der umlaufenden Sterne und Materiewolken. Sie holen deshalb die Störungszonen ein und werden bei Annäherung etwas beschleunigt, bei Entfernung von diesem Gebiet aber ein wenig abgebremst. Dadurch entsteht ein Gebiet mit einer um nur wenige % erhöhten Sterndichte, ein Spiralarm. Die Sterne selbst beeinflussen sich gegenseitig nur wenig, da sie zu große Abstände haben. Die Interstellare Materie hingegen wird bei diesem Vorgang komprimiert, weil die einzelnen Teilchen sich relativ nahe stehen. Das kann dann zu Gravitationsinstabilitäten führen, eine Kontraktion ist die Folge und damit eine erhöhte Sternentstehungsrate in den Spiralarmen.

Massereiche (O und B-) Sterne entwickeln sich dabei sehr schnell, können daher ihren Entstehungsort kaum verlassen. Sie sind deshalb zusammen mit den konzentrierten Gebieten Interstellarer Materie ausgezeichnete Indikatoren für Spiralarme. Dennoch stehen überzeugende Beweise für die Richtigkeit der Dichtewellentheorie weiterhin aus.

Die Galaxis ist doch eine Balkenspirale?Wie schon beschrieben ist es höchst schwierig, eine Aussage über die Struktur der Milchstraße zu machen, wenn man mittendrin sitzt. Eine umfangreiche Durchmusterung von Sternen mit dem Spitzer Weltraumteleskop aus 2005 überzeugt aber nun die Astronomen, dass die Galaxis nicht länger eine reine Spiralgalaxie ist. Die peinlich genaue Infrarot- Erfassung von über 30 Millionen Sternen lässt aber keinen anderen Schluss zu: wir leben in einer Balkenspirale. Wie in der Abbildung dargestellt, würde ein außenstehender Beobachter erkennen, dass unsere Galaxie durch einen ausgeprägten, über 27 000 Lichtjahre weiten Balken geprägt wird. Haben schon frühere Untersuchungen die mögliche Existenz eines schwachen Balkens angedeutet, ist nach heutiger Erkenntnis der zentrale Balken die dominierende Erscheinung der Milchstraße. Angeordnet ist der Balken in einem Winkel von 45 ° zu einer Verbindungslinie Sonne- Galaxienzentrum.

Man lernt ja ständig dazu! Das Spitzer- Teleskop hat mittlerweile (Stand: Juni 2008) über 800 000 Einzelaufnahmen unserer Milchstraße angesammelt und damit 110 Millionen Sterne erfasst, was allerdings nur einen Bruchteil der Gesamtanzahl von Sternen in der Galaxis ausmacht. Eine solche Informationsfülle lässt sich nur noch mit Computern auswerten, und deshalb hat Robert Benjamin von der University of Wisconsin ein spezielles Programm entwickelt, welches die Häufigkeit von Sternen in den verschiedenen Himmelsregionen ermittelt. Die neuen Ergebnisse sind nun doch überraschend. Zunächst fand man wie erwartet eine erhöhte Sterndichte in Richtung des Scutum- Centaurus- Arms. Doch eine hohe Anzahl von Sternen in den Regionen des Sagittarius- und des Norma- Arms konnte nun nicht mehr nachgewiesen werden. Wie in der Abbildung gezeigt, stellt sich uns nun ein ganz anderes Bild der Milchstraße dar. Es gibt nur noch 2 Hauptarme, Scutum- Centaurus und Perseus (letzterer wurde in der neuen Untersuchung nicht erfasst). Sie bestehen in der Hauptsache aus jungen und auch alten Sternen und entspringen dem zentralen Balken. Die Nebenarme wie Orion (engl. Orion Spur), Sagittarius und Norma bestehen dagegen überwiegend aus Gas/Staub und relativ wenigen jungen Sternen. Im Laufe der Jahre hat sich damit unsere Erkenntnis über das Aussehen unserer Heimatgalaxie erheblich geändert. Dachte man zunächst noch, die Milchstraße sei eine Zwillingsschwester der Andromeda- Galaxie (M 32), so ähnelt sie unseres heutigen Wissens eher der Balkenspirale M 83.

Rotation und Masse

Der Kern unserer Galaxie mit einem Durchmesser von rund 3300 Lichtjahren rotiert nahezu wie ein starrer Körper. Allerdings gibt es hier auch so genannte Schnellläufer, Sterne, die sich auf stark exzentrischen Bahnen bewegen. In der Scheibe liegen die Verhältnisse dagegen völlig anders: Hier herrscht eine differenzielle Rotation vor. Man kann die Scheibe nicht mehr mit einem starren Körper vergleichen, sondern muss vielmehr jeden Stern einzeln betrachten. Jeder Stern umkreist das Zentrum in annähernd kreisförmiger Bahn und befindet sich dabei stets im Gleichgewicht zwischen Fliehkraft und die auf ihn einwirkenden Gravitationskräfte des Gesamtsystems. Generell sollte nach dem dritten Keplerschen Gesetz die Rotationsgeschwindigkeit von innen nach außen abnehmen, das ist aber seltsamerweise nicht der Fall.

Rotationsgeschwindigkeiten der SterneIn dieser Grafik sind die Rotationsgeschwindigkeiten der Sterne gegen den Abstand vom Zentrum dargestellt (die Verteilung der Bahngeschwindigkeiten in einer Galaxie wird Geschwindigkeitsdispersion genannt). Die grüne Kurve zeigt den Verlauf wie er zu erwarten wäre, die rote stellt die tatsächlichen Verhältnisse dar. Etwa bis zur Sonne, welche in einem Abstand von 8,6 [Kpc] das Zentrum mit ca. 230 [Km/s] in 210 Millionen Jahren einmal umkreist, stimmen die Geschwindigkeiten. Mit weiterem Abstand nimmt die Bahngeschwindigkeit der Sterne aber zu, anstatt sich zu verringern. Auch bei vielen anderen Galaxien wird dieses Phänomen beobachtet, aber wie ist es zu erklären? Wir müssen uns mit dem Gedanken vertraut machen, dass unsere Milchstraße viel größer ist als bisher geglaubt. Die leuchtende Materie (Gas und Sterne) macht nur etwa 20% der Gesamtmasse aus, wir sind von ungeheuer großen Ansammlungen von etwas Unbekanntem umgeben, das sich unseren Beobachtungen vollständig entzieht (siehe auch Dunkle Materie). Etwa 1 Billion Sonnenmassen verbergen sich im Halo oder in der Korona, wirken aber gravitativ und verursachen die Abweichungen der Umlaufgeschwindigkeiten.

Es gibt allerdings einen, wenn auch nur vagen Hinweis auf die missing mass. Galaxien sollten eigentlich "durchsichtig" sein, durch dünn besetzte Randzonen sollte man beispielsweise hinter der Galaxie liegende Objekte erkennen können. Das ist aber häufig nicht der Fall, vielmehr könnte deshalb ein Teil der fehlenden, obwohl vorhandenen, sichtbaren Materie durch Absorptionseffekte unseren Blicken verborgen bleiben. Wie hoch dieser Masseanteil ist vermag allerdings niemand zu sagen. Auch durch so genannte Microlensing- Effekte sind bereits ansonsten nicht sichtbare Körper nachgewiesen worden. Unstrittig ist jedoch, dass von den Halos der Galaxien eine beachtliche gravitative Wirkung ausgeht, wodurch auch immer sie verursacht wird.

Halo und Korona

Wie oben bereits angedeutet ist unsere Milchstraße, wie auch andere Galaxien, eingebettet in den so genannten Halo. Dies ist nicht ein streng von der Galaxienscheibe abgetrennter Raum mit einem Durchmesser von 50, vielleicht sogar 100 [Kpc], vielmehr durchdringen sich Scheibe und Halo, es ist ein fließender Übergang. Dennoch gibt es Unterschiede: Der Halo wie auch die darin enthaltenen Sterne nehmen nicht an der allgemeinen Rotation der Galaxienscheibe teil. Auch die Sterne des Halos unterscheiden sich von den Sternen der Scheibe. Während man die Scheibensterne als Population I bezeichnet, gehören die Halosterne der Population II an.

Den Begriff der Population hat Walter Baade 1944 eingeführt. Demnach umfasst eine Population alle Sterne mit gleichem Alter, gleicher chemischer Zusammensetzung, derselben räumlichen Verteilung und ähnlichen Bewegungsverhältnissen.
In der Population I findet man einen hohen Anteil junger, heißer Sterne, die in der Population II völlig fehlen. Von den Mitgliedern alter, offener Sternhaufen, über die Interstellare Materie bis hin zu den jungen OB- Sternen haben alle eine ähnliche chemische Zusammensetzung wie die Sonne (sie ist ebenfalls ein Population I- Stern).

Unsere MilchstraßeHier nochmals eine künstlerische Darstellung, wie unsere Milchstraße weit entfernten Beobachtern erscheinen könnte (allerdings muss das Aussehen neueren Erkenntnissen zufolge korrigiert werden, siehe unter "Spiralarme"). Durch Anklicken erhalten Sie eine Großansicht (über 1 MB!)

Population II- Sterne weisen hingegen ein um den Faktor 100 bis 1000 geringeres Verhältnis von Metallen zu Wasserstoff auf (Astronomen nennen alle Elemente außer Wasserstoff Metalle!). Diese metallarmen Sterne sind deshalb auch die ältesten, denn in dieser Population fehlen, wie gesagt, die jungen Sterne.


Ein Stern zeigt ja an seiner Oberfläche die Zusammensetzung des Gases an, aus dem er entstanden ist (die Umwandlung der Materie erfolgt durch Fusionen nur im Kernbereich; das hier ausgebrütete Material kann aber nicht nach außen gelangen). Deshalb hat sich der Metallgehalt des Interstellaren Mediums der Scheibe seit Entstehung der Milchstraße um den Faktor 100 bis 1000 angereichert, dieser Prozess war bereits in den ersten 109 Jahren, dem Entstehungszeitraum der Population II- Sterne, vollzogen.

Heute werden die Populationen allerdings noch feiner unterteilt. O- und B- Sterne, Delta Cephei- Sterne, junge, offene Haufen, Interstellare Materie sowie Sternassoziationen bilden die so genannte extreme Population I. Sterne der Spektralklasse A und andere sind weiter von der Milchstraßenebene entfernt und bilden ein größeres Untersystem. Ein weiteres Untersystem wird von den RR- Lyrae- Veränderlichen mit einer unter 0,4 Tagen liegenden Periode dargestellt, dazu gehören auch die Zentralsterne Planetarischer Nebel sowie Sterne der Spektralklassen F bis M. Die bis hierhin aufgeführten Sterne gehören alle zur Scheibenpopulation, auch diejenigen der wohl sternreichsten Gegend, des Zentralbereichs der Milchstraße.

In der Zwischenpopulation II findet man die Schnellläufer (siehe auch weiter unten) mit einer Geschwindigkeit von mehr als 30 [Km/s] senkrecht zur galaktischen Ebene, sowie langperiodische Veränderliche mit Perioden über 250 Tagen. Dazu gehören auch die Sterne der Spektralklassen vor M5. Das weiträumigste Untersystem bilden aber die Kugelsternhaufen und RR- Lyrae- Sterne mit einer Periode über 0,4 Tagen, sie machen den größten Teil des Halos aus.

Im Halo ist keine Interstellare Materie nachweisbar wie in der Scheibe, lediglich dünnes Gas konnte nachgewiesen werden, aber kein Staub. Die Entstehung neuer Sterne ist daher in diesem Bereich ausgeschlossen. Weil sich Halo und Scheibe gegenseitig an ihren "Kontaktstellen" durchdringen, finden sich auch in der Sonnenumgebung Sterne der Population II. Diese, weil sie nicht an der Rotation der Scheibe teilnehmen, bewegen sich scheinbar sehr schnell gegen die Rotation, man bezeichnet sie deshalb als so genannte Schnellläufer. Ein weiteres Kennzeichen des Halos sind die Kugelsternhaufen. Von ihnen kennt man heute etwa 150, ihre Gesamtzahl wird auf ca. 200 bis 300 geschätzt. Sie bewegen sich in sehr lang gestreckten Ellipsen um das galaktische Zentrum, die Bahnebenen sind dabei scheinbar gleichmäßig verteilt, auch sie enthalten sich der Scheibenrotation.

Wie wir heute wissen, entstanden die Kugelsternhaufen in einer sehr frühen Phase der Entstehung des Milchstraßensystems, und zwar innerhalb sehr kurzer Zeit, denn sie sind in etwa alle gleich alt. Mit einem Alter von etwa 11 bis 12 Milliarden Jahren stellen sie die wohl ältesten Objekte der Milchstraße dar, deren Alter selbst auf 13,6 Milliarden Jahre datiert wird. Die aus 10 000 bis zu 10 Millionen Sternen bestehenden Kugelhaufen weisen ebenfalls, wie die Halosterne, einen geringen Metallgehalt auf. Einige liegen bei 0.5%, andere bei max. 15% des vergleichbaren Sonnenwertes. Wobei die metallärmeren meist weiter vom Galaxienzentrum entfernt sind.

Im Halo können wir wie schon erwähnt auch heißes, ionisiertes Gas nachweisen. Es erstreckt sich bis in eine Entfernung von 3000 [pc] zur galaktischen Ebene und besteht aus z.B. fünffach ionisiertem Sauerstoff und vierfach ionisiertem Stickstoff. Die Temperatur des Gases kann bis auf mehrere 100 000 [K] ansteigen, allerdings ist seine Dichte sehr gering. Man findet nur 10-4 H- Atome je [cm3]. Vermutlich wird das Gas von Supernovaexplosionen aufgeheizt und bis in den Halo geschleudert. Hier kühlt es wieder ab, verdichtet sich und fällt zurück zur Scheibe. Die Abkühlung geschieht jedoch nur äußerst langsam, weil das Gas sehr dünn ist. Zur Kühlung müssen nämlich die Teilchen zusammenstoßen, um ihre kinetische Energie abzubauen. Denn nur bei einer Kollision wird Bewegungsenergie umgewandelt und als Wärmestrahlung in Form von Photonen emittiert. Die Teilchen in einem solchen Gas sind jedoch sehr weit voneinander entfernt, so dass Kollisionen nur selten stattfinden.

Über den äußeren Halo, häufig auch als Korona bezeichnet, wissen wir so gut wie nichts. Diese Korona hat vermutlich eine Ausdehnung von mindestens 200 [Kpc] und muss, wie schon oben erwähnt, große Mengen an Materie in sich bergen. Sie ist letztendlich dafür verantwortlich, dass die Rotationsgeschwindigkeiten der Sterne in den Außenbereichen der Scheibe nicht mehr den Kepler- Gesetzen entspricht. Beobachten können wir diese Dunkle Materie, auch als Population III bezeichnet, nicht, sondern nur Vermutungen über sie anstellen. Es könnte sich dabei um kalte, weder optisch noch im Radiobereich sichtbare Materiewolken handeln, um Braune Zwerge, Schwarze Löcher, jupitergroße Objekte oder sogar um exotische Kernteilchen handeln, deren tatsächliche Existenz noch völlig unklar ist. Auch ist ein Gemisch aller dieser Objekte denkbar. In jedem Fall aber bleibt die Suche nach diesem geheimnisvollen, exotischen Stoff äußerst spannend.

Die Kernregion

 

[H2SO4]

Die Beobachtung des Zentrums der Milchstraße im optischen Bereich wird durch die hohe Dichte an Sternen und Interstellarer Materie sehr erschwert, weil die Strahlung durch Streuung erheblich abgeschwächt wird. So bleibt uns nur übrig, unsere Eindrücke von den Vorgängen im galaktischen Zentrum durch radioastronomische Untersuchungen und solche im IR- und Röntgenbereich zu gewinnen.
Das Zentrum befindet sich in Richtung des Sternbilds Sagittarius in einer Entfernung von 7,9 [Kpc] (= 26 000 Lichtjahre). Aus den Infrarot- Messungen kann man auf die Sterndichte im Zentrum schließen: In einer Kugel von 150 [pc] Durchmesser um das Zentrum befinden sich 10 Milliarden Sonnenmassen, im Abstand von nur noch 0,4 [pc] sind es immerhin noch beachtliche 5 Millionen. Vermutlich wird die IR- Strahlung überwiegend von Roten Riesen emittiert.

MilchstraßenzentrumDie Lage des Milchstraßenzentrums. Zu erkennen sind noch einige zum Sternbild Sagittarius gehörende Sterne. Auch findet sich in dieser Zone eine ungewöhnlich hohe Konzentration Interstellarer Materie, wie Beobachtungen im 21 [cm]- Bereich zeigen. Vom Zentrum erstreckt sich die Materie bis zu 750 [Kpc] weit in die galaktische Ebene hinaus, senkrecht zur Ebene beträgt die Ausdehnung 200 [pc]. Bei weiterer Annäherung an das Zentrum auf etwa 3 [Kpc] stellt man schnell strömende Gasmassen fest. Hier driften einige 10 Millionen Sonnenmassen spiralförmig mit mehr als 170 [Km/s] nach außen weg. Das lässt die Astronomen auf eine gewaltige Explosion schließen, die vor 10 bis 15 Millionen Jahren stattgefunden haben mag. Diese Strahlungsquelle wird als Sagittarius-A-Ost bezeichnet.

Unterhalb einer Distanz von 1 [pc] zum Zentrum steigt die Temperatur des Gas- und Staubgemisches erheblich an. Das liegt an der nun sehr hohen Sternkonzentration, deren enorme Strahlungsdichte die Materie tüchtig aufheizt. Deshalb ist die Kernregion auch eine starke Quelle intensiver Infrarotstrahlung. Seltsamerweise findet man hier auch heiße, junge Sterne des Typs Blauer Überriese. Noch ist völlig unklar, wie sie dort entstehen bzw. zuwandern konnten.

Die Quelle Sagittarius- A*In diesem Bild sieht man unser galaktisches Zentrum, die so genannte Quelle Sagittarius A*, (SgrA*). Sie ist eingebettet in die Radioquelle Sagittarius-A-West, welche einen Durchmesser von 2 [pc] aufweist. Diese Aufnahme im Röntgenlicht wurde vom Satelliten Chandra gemacht und zeigt eine Region von 10 Lichtjahren um das Zentrum. Man sieht die deshalb im Röntgenbereich strahlende Materiewolke, weil sie durch Schockwellen, Supernovaexplosionen und die intensive Strahlung vieler junger Sterne auf Millionen von [K] erhitzt wird. Hinzu kommt vermutlich eine enorme Reibungsenergie, denn die Materie umströmt den hellen Fleck in der Bildmitte- ein sehr massives Schwarzes Loch!

Von der Quelle Sagittarius-A-West gehen starke Materieströmungen aus, allerdings ist noch nicht bekannt, ob sie wegdriften oder vom Zentrum akkretiert werden. Das Zentrum könnte hypothetisch auch aus vielen heißen, jungen Sternen bestehen, welche das umgebende Gas ionisieren, jedoch ist ein Schwarzes Loch wahrscheinlicher. Denn Sterne in solch dichter Packung wären längst zu einem kompakten Objekt kollabiert. Eine Akkretionsscheibe ist imstande, durch die enorme Reibung der Scheibenmaterie diese auf sehr hohe Temperaturen aufzuheizen und damit umgebende Gas/Staubwolken anzuregen. Magnetfelder der Materie werden in der Akkretionsscheibe stark komprimiert, diese sind dann in der Lage, Elektronen bis fast auf Lichtgeschwindigkeit zu beschleunigen, wodurch die beobachtete Synchrotronstrahlung emittiert wird. Aus den Bewegungen der umgebenden Sterne und Materiewolken kann man auf die Masse des zentralen Schwarzen Lochs schließen, sie dürfte nach aktuellen Messungen bei etwa 3,6 ± 0,3 Millionen Sonnenmassen liegen. Diese sind in einem Bereich von nur rund 11 Millionen [Km] Durchmesser vereint, dem Schwarzschildradius eines statischen Schwarzen Lochs. Sollte es rotieren, wovon schon allein aufgrund der bislang aufgesammelten Materie (Drehimpulsübertragung) dringend ausgegangen werden muss, ist das Gebilde noch deutlich kompakter. Zwar ist noch nicht endgültig bewiesen, dass solch ein Gravitationsmonster das galaktische Zentrum bewacht wie eine Spinne ihr Netz. Jedoch gibt es kaum eine alternative Erklärung. In Frage kämen hier lediglich so genannte Grava- oder Holosterne, diese rotieren jedoch nicht.

Die im zentralen Bereich erzeugte millionenfache Sonnenleuchtkraft kann durch Einströmen von nur etwa 10-6 Sonnenmassen pro Jahr erzeugt werden. Allerdings befindet sich unser Milchstraßenzentrum im Winterschlaf, vergleicht man es mit anderen Galaxien. Viele weit entfernte und damit junge Sternsysteme weisen die so genannten AGN's auf (engl., Active Galactic Nuclei, aktiver galaktischer Kern), die vielfach die ganze Galaxie überstrahlen. Auch dort werkeln supermassereiche Schwarze Löcher in den Zentren, allerdings mit wesentlich höheren Akkretionsraten als es in unserer Galaxis der Fall ist.

Durch die hohe Strahlungsintensität und Materiedichte im Zentrum wird vermutlich die Bildung vieler Moleküle begünstigt. So konnte man ausgedehnte Kohlenmonoxidwolken (CO) entdecken. Die intensivste Strahlungsquelle ist jedoch die oben genannte Quelle Sagittarius A*. Sie ist höchstwahrscheinlich auch identisch mit dem gravitativen Zentrum der Milchstraße. Weitere Strahlungsquellen in der näheren Umgebung werden mit Sagittarius B, B2 usw. bezeichnet. Auch hier erkennt man Strukturen großer Materiebewegungen.

Das galaktische ZentrumDiese Aufnahme des VLA (very large array) in Socorro, New Mexico, zeigt die Lage der einzelnen Radioquellen im galaktischen Zentrum bei einer Wellenlänge von 1 [m]. Deutlich tritt die Aktivität der Quelle Sagittarius A hervor. In einem Abstand von nur 17 Lichtstunden umläuft der dem Zentrum nächste Stern S2 selbiges in nur 15 Jahren. In einem halben Lichtjahr Distanz stößt man auf eine Ansammlung von in 100 Jahren umlaufenden Sternen, zu der sogar ein weiteres, 1300 Sonnenmassen schweres Schwarzes Loch gehört. Aufnahmen vom Chandra- Röntgenteleskop lassen sogar vermuten, dass im Abstand von 70 Lichtjahren 10 000 oder 20 000 weitere Schwarze Löcher das Zentrum umrunden.

Die Dichte der Gas- und Staubwolken im Zentrum ist mit 1012 Atomen je [cm3] sehr hoch im Vergleich zu üblicher Interstellarer Materie. An der allgemeinen Rotation nimmt die Materie der Kernregion nicht Teil, was man als Zeichen höchster Aktivität deutet. Im Bereich unter 10 [pc] steigt die Materiedichte soweit an, dass die Wolken instabil werden, was zu einer hohen Sternentstehungsrate führt. Hier bilden sich sehr schnell massereiche Sterne, die sich wiederum schnell entwickeln und an ihrem Ende durch heftige Supernovaexplosionen das galaktische Zentrum zusätzlich erschüttern.

Die fantastische Technik heutiger Großteleskope macht es möglich:

Das galaktische Zentrum Wir schauen in einer beeindruckenden Aufnahme der Infrarotkamera NACO der ESO, eine Kombination aus einer Infrarotkamera (CONICA) und einem Gerät (NAOS), welches während der Aufnahme die Störungen durch die Unruhe der Atmosphäre ausgleicht, auf die inneren 2 Lichtjahre der Milchstraße. Durch Pfeile gekennzeichnet ist das absolute Zentrum SgrA*. Das Bild ist eine Kombination von Aufnahmen dreier verschiedener Wellenlängen zwischen 1,6 and 3,5 [µm], gewonnen mit dem 8,2 [m]- Teleskop YEPUN. Die zu sehenden Sterne stehen in der Nähe des Zentrums, ihre Farbe zeigt ihre Temperatur an: Blau sind heiße Sterne, rot kühlere.

Während man die Infrarotwellenlängen benutzt, um Bewegungen von Sternen um das galaktische Zentrum zu erschließen, dienen Radiowellen (siehe weiter oben, VLA) und Röntgenstrahlung zur Detektion Interstellarer Materie. Wir sehen in einer Falschfarbenaufnahme des Chandra- Observatoriums einen Bereich von 130 Lichtjahren um das galaktische Zentrum. SgrA* ist in der hellsten Stelle der Bildmitte zu finden. Wie zu erkennen, ist das Milchstraßenzentrum eine energiereiche Region von über 2000 entdeckten Röntgenquellen, eingebettet in ein einige Millionen Grad heißes Plasma von Dutzenden Lichtjahren Ausdehnung. Man hat während der 164 Stunden dauernden Belichtungszeit quasi das Alltagsleben des Schwarzen Lochs beobachtet, welches gekennzeichnet ist von mehreren Ausbrüchen und unterschiedlich großen Explosionen während dieser Zeit, die wohl direkt in der Nähe des Ereignishorizontes stattfanden. Zwar wissen wir noch nicht genau, welche dramatischen Ereignisse sich dort abspielen, doch ist unser Schwarzes Loch im Zentrum im Vergleich zu anderen Galaxien eher ein "ruhiger Vertreter". Ausbuchtungen im Plasma, die 20 Millionen Grad heiß sind und Dutzende Lichtjahre entfernt zeigen den Astronomen allerdings, dass in den vergangenen 10 000 Jahren einige gewaltige Explosionen stattgefunden haben müssen.

Das bereits oben erwähnte Instrument NACO der ESO zeigt uns nochmals das Milchstraßenzentrum mit der kompakten Radioquelle SgrA* (Kreuz im linken, Kreis im rechten Bild). Zwischen 1992 und 2002 wurde die Bahn des Sterns S2 beobachtet (auch mit anderen Instrumenten, wie z.B. dem Keck- Teleskop), die einzelnen Positionsmessungen ergeben eine stark elliptische Bahn (Exzentrizität: 0,87!). Die Größe der Kreuze spiegelt die Messungenauigkeit wider. 2002 erreichte S2 seine größte Annäherung an das galaktische Zentrum, er war hier 17 Lichtstunden (1,84 × 1010 [Km]) entfernt, das ist etwa der dreifache Radius der Plutobahn. Hier hatte der Stern eine Bahngeschwindigkeit von 5000 [Km/s], 200 Mal so schnell wie die Erde auf ihrer Bahn. Ein Umlauf dauert genau 15,2 Jahre, wobei sich der Stern bis zu 10 Lichttagen vom Zentrum entfernt (2,6 × 1011 [Km]).

Die Vorgänge im Zentrum unserer Galaxie sind sehr komplex und vielfältig und ihre Bewertung ist trotz unserer weit fortgeschrittenen Beobachtungstechnik noch immer unsicher. Jedoch beobachten wir auch in vielen anderen Galaxien Aktivitäten in deren Zentren. Abhängig sind diese Aktivitäten scheinbar auch von der Größe der Galaxie. In jedem Fall aber werden an solchen Orten ungeheure Energiemengen um- und freigesetzt, die man nur durch extreme gravitative Einwirkung auf Materie erklären kann. Und, wie bereits öfter angedeutet, können derartig massive Gravitationsfelder nur von Schwarzen Löchern ausgehen, es gibt im Kosmos keine Alternativen hierzu. Sicherlich werden in den Zentren solcher Aktivitäten auch starke Gravitationswellen erzeugt, so es sie gibt, und man sucht derzeit nach Lösungen für ihren Nachweis. Sie würden uns bestimmt viel zu erzählen haben über die geheimnisvolle Nabe unserer Galaxis.

Zum Abschluss noch einige Daten zu unserer Milchstraße:

Hubble- Typ SBc
Radius 17 [Kpc]
Kern 5 [Kpc]
Balken 8,3 [Kpc]
Scheibe 1 [Kpc]
Halo 100 [Kpc]
Korona 200 [Kpc] ?
Abstand Sonne-Zentrum 7,7 [Kpc]
Abstand Sonne-Ebene 12 [pc] nördlich
Geschwindigkeit der Sonne 225 [Km/s]
1 Umlauf um das Zentrum 210 Millionen Jahre
Gesamtmasse (leuchtend) 2 × 1011- 1012 Sonnenmassen
Scheibenmasse 1,8 × 1011 Sonnenmassen
Dunkle Materie 1 Billion Sonnenmassen ?
Sterne schwächer als M = +3: 85%
Interstellares Gas: 4%
Interstellarer Staub: 0,24%
Anzahl Kugelhaufen 200- 300
Anzahl offener Haufen 30 000

Nahe dem Stern Gamma des Sternbilds Andromeda kann man das am weitesten von uns entfernte Objekt (etwa 2,2 Millionen Lichtjahre) erblicken, welches sich noch mit bloßem Auge erkennen lässt, die Andromeda- Galaxie.

Sternbild Andromeda Aus nebenstehender kleiner Sternkarte ist die Lage der Andromeda- Galaxie ersichtlich. Sie trägt die Bezeichnung M 31 des Messier- Kataloges bzw. NGC 224 (New General Catalogue). Angedeutet sind auch ihre beiden größten Begleitgalaxien M 32 und NGC 205. Die Andromeda- Galaxie ist eine Spiralgalaxie vom Typ Sb. Leider können wir sie nur verzerrt sehen, denn sie ist um 13° gegen unsere Sichtlinie geneigt.

Bereits im Jahre 1924 hat Edwin Hubble (1898- 1953) in den äußeren Spiralarmen Einzelsterne auflösen können, 1944 gelang dies Walter Baade (1893- 1960) auch in der Zentralregion. Er konnte hier Cepheiden, Novae, Riesensterne, Kugelsternhaufen und Interstellare Materie nachweisen.

Andromeda- Galaxie Betrachtet man die Galaxie, erkennt man deutlich den großen Anteil Interstellarer Materie in den Spiralarmen. Hier liegen die Kinderstuben vieler junger Sterne. Die Zone der Interstellaren Materie ist nur wenige 100 [pc] dick und um die Hauptebene des Systems angeordnet. In den äußeren Randzonen sind keine Staubwolken ersichtlich.

Das Zentralgebiet

Das Zentralgebiet der Andromeda- Galaxie besteht aus einem klein erscheinenden, sternartigen Kern mit einem Durchmesser von etwa 6 [pc]. Dieses Gebiet lässt sich nicht in Einzelsterne auflösen, man weiß aber heute, dass wie in unserer Milchstraße im Zentrum der Galaxie ein Schwarzes Loch von millionenfacher Sonnenmasse sein "Unwesen" treibt.

Zentralgebiet der Andromeda- GalaxieIm absoluten Zentrum von M 31 ist seltsamerweise ein doppelter Kern vorhanden. Das zeigt uns diese Aufnahme des Hubble- Teleskops von 1991. Das dargestellte Gebiet umfasst gerade 30 Lichtjahre und zeigt, wie zwei Schwarze Löcher nebeneinander existieren. Man führt diese Erscheinung heute darauf zurück, dass die Andromeda- Galaxie vor langer Zeit mit einer anderen verschmolzen ist und sich ihre Materie "einverleibt" hat, wobei sie auch deren Zentralgebiet einfing.

Eine andere Sicht des Zentrums der Andromeda- Galaxie zeigt uns diese Aufnahme, die das Chandra- Röntgenteleskop machte. Es zeigt viele einzelne Röntgenquellen, darunter auch das absolute Zentrum, etwa in der Mitte mit dem kleinen blauen Fleck. In dieser Zone befindet sich das supermassive Schwarze Loch, das wahrscheinlich sogar aus zwei einzelnen besteht (siehe oben). Seltsamerweise ist diese Röntgenquelle mit "nur" 1 Million [K] relativ kühl, man sollte hier aufgrund der Größe des Schwarzen Lochs die zehnfache Temperatur erwarten. Eine Erklärung dafür hat man aber noch nicht.

Rotation

Wie in unserer Milchstraße, herrscht auch in der Andromeda- Galaxie eine so genannte differentielle Rotation vor. Das bedeutet, dass die Galaxie nicht wie ein starrer Körper rotiert, sondern die verschiedenen Gebiete unterschiedliche Umlaufgeschwindigkeiten um den Kern aufweisen.Rotationskurve der Andromeda- Galaxie Vom Zentrum bis zu etwa 5 [pc] Abstand steigt sie recht gleichmäßig auf etwa 60 [Km/s] an. Geht man weiter nach außen, fällt sie aber wieder ab, und zwar bei einem Abstand von 20 [pc] vom Zentrum bis fast auf 0. Nun steigt die Umlaufgeschwindigkeit der Sterne bis zu einem Zentrumsabstand von 400 [pc] wieder an, und zwar bis auf 225 [Km/s]. Hiernach verringert sich die Geschwindigkeit wieder stetig mit größer werdendem Abstand, ein Minimum liegt dann wieder bei etwa 2 [Kpc]. Ein Geschwindigkeitsmaximum von 270 [Km/s] findet sich bei etwa 10 [Kpc] Zentrumsentfernung. Bei einer Distanz von 9 [Kpc], was etwa der Entfernung der Sonne vom Milchstraßenzentrum entspricht, beträgt die Umlaufgeschwindigkeit 225 [Km/s]. Dies entspricht der Sonnengeschwindigkeit, ein Stern in diesem Abstand benötigt demzufolge ebenfalls 220 Millionen Jahre für einen Umlauf um das Zentrum der Andromeda- Galaxie.
Die kleine Skizze verdeutlicht die Rotationsverhältnisse.
Zum Rand der Galaxie hin sinkt die Rotationsgeschwindigkeit nun langsam ab, bleibt aber ab rund 20 [Kpc] Abstand bis zum äußeren Rand konstant bei 220 [Km/s].

Aus den Rotationsverhältnissen der Galaxie kann man nun auf die Massenverteilung schließen. Dabei kommt man heute zu dem Ergebnis, dass im Kern eine Masse von etwa 107 Sonnenmassen konzentriert ist. Im Zentrum, bis zu einem Abstand vom Mittelpunkt von 2 [pc], rechnet man mit 6x109 Sonnenmassen, bei 25 [pc] werden es 2x1011 sein. Wie in unserer Milchstraße, sinkt die Rotationsgeschwindigkeit bis etwa 30 [Kpc] nicht ab, weshalb man davon ausgehen kann, dass auch in den Randzonen hohe Massekonzentrationen vorhanden sein müssen. Die Gesamtmasse der Andromeda- Galaxie wird auf rund 4-5 × 1011 Sonnenmassen geschätzt, 1% davon entfällt auf Interstellare Materie.

Kugelsternhaufen in AndromedaDas Hubble- Weltraumteleskop hat uns viele neue Erkenntnisse ermöglicht, so auch über die Andromeda- Galaxie. Wie in diesem Bild zu sehen, hat es einen wunderschönen Kugelsternhaufen entdeckt, welcher das Zentrum der Galaxie umkreist. Es ist der hellste bislang bekannte Kugelhaufen in der Lokalen Gruppe und enthält mehr als 300 000 Sterne. Diese Sterne sind so alt wie die in den Kugelhaufen unserer Milchstraße und gehören damit zu den ältesten Objekten des Universums.

Wenn man die Andromeda- Galaxie mit der Milchstraße vergleicht, z.B. hinsichtlich Masse, Radius, Leuchtkraft, Rotationsverhältnissen usw., wird deutlich, dass diese Galaxie der unseren sehr ähnelt. Im Gegensatz zu fast allen anderen Galaxien nähert sich Andromeda allerdings unserem System mit etwa 140 [Km/s] (die Angaben schwanken zwischen 120 [Km/s] und 300 [Km/s]), und zwar wahrscheinlich mit zunehmender Geschwindigkeit. Es ist somit nicht zu verhindern, dass unsere beiden Galaxien in rund 3 Milliarden Jahren miteinander verschmelzen werden (auch hier sind die Angaben nicht übereinstimmend, man sagt zwischen 2 und 6 Milliarden Jahre voraus). Wie auch immer, wir werden (leider?) dieses sicher grandiose Schauspiel höchst wahrscheinlich nicht mehr erleben...

Begleiter

Begleitet wird die Andromeda- Galaxie von weiteren 6 Galaxien, nämlich M 32 (elliptisch), NGC 205 (anormal elliptisch), M 32 NGC 147 sowie Andromeda I, II und III, alles Zwerggalaxien. Alle diese Galaxien gehören wie unsere Milchstraße zur Lokalen Gruppe. Nebenstehende Abbildung zeigt die elliptische Begleitgalaxie M 32. Sie ist eine Zwerggalaxie, bestehend nur aus Sternen, da in ihr Gas oder Staub nicht nachweisbar sind.

Galaxien

 

[H2SO4]

Es wird wohl nicht häufig vorkommen, dass ein Stern einsam irgendwo im All steht. Solche Eremiten findet man höchstens dann, wenn einzelne Sterne bei Begegnungen von Sternsystemen aus dem Verbund heraus gerissen werden. Sternentstehung kann nicht im freien, fast materielosen Kosmos stattfinden, sondern immer nur in großen Materieansammlungen. Diese Strukturen bezeichnen wir als Galaxien, wobei eine einzelne Galaxie aus rund 10 bis 300 Milliarden Sternen oder sogar noch mehr besteht.

Eine Galaxie beinhaltet nun nicht nur Sterne mit ihren Planeten, Monden und anderen Himmelskörpern. Sie enthält zunächst den Grundbaustoff aller Sterne, Wasserstoff- und Heliumgas in großen Materieansammlungen. Das sind wirklich riesige Gaswolken, die ebenso wie der ganze übrige interstellare Raum mit den "Ausscheidungen" der Sterne angereichert werden (durch den Sternwind und abgestoßene Sternhüllen). Diese Interstellare Materie dient wiederum der Bildung neuer Sterne.

M 83Durch Messung der Bewegungen der Sterne oder von Gaswolken innerhalb der Galaxien hat man darüber hinaus ermittelt, dass sich außerhalb derselben noch in Form eines Halos ungeheuer große, unsichtbare Materieansammlungen befinden müssen, die so genannte Dunkle Materie. Im Zentrum einer Galaxie, dem Kern, auch als Bauch oder englisch bulge bezeichnet, stehen die Sterne relativ dicht gedrängt beieinander, weshalb diese Region auch die leuchtkräftigste ist (dafür kann es auch andere Gründe geben, siehe weiter unten). Je nach Galaxientyp dehnen sich mehr oder weniger ausgeprägte Spiralarme oder Balken vom bulge aus, in denen die einzelnen Sterne deutlich weiträumiger stehen. Hier der schematische Aufbau am Beispiel der Spiralgalaxie M 83.

Doch auch die Galaxien sind nur Teil eines übergeordneten Systems, denn sie bilden mehr oder weniger große Galaxienhaufen, Cluster genannt, das können Ansammlungen von einer Handvoll, bis hin zu Tausenden Galaxien innerhalb eines Clusters sein. Und, um noch eins draufzulegen, vereinen sich die Cluster zu den größten bekannten Strukturen, den Superclustern, zu denen sich wiederum viele Haufen zusammenballen. Hier haben wir es dann mit Distanzen von Millionen von Lichtjahren zu tun.

Merkwürdig und auffällig erscheint ein Vergleich des Mikro- mit dem Makrokosmos:
Auf der einen Seite sind die Atomkerne von Elektronen umgeben, wie Sterne von ihren Planeten. Mehrere oder viele Atome bilden ein Molekül, Sterne ballen sich zu Haufen zusammen. Viele Moleküle ergeben eine Kette (z.B. die DNS) oder gar eine Zelle, während die Haufen zur Galaxie zusammenwachsen. Viele Zellen ergeben ein ... (Huhn?), die Galaxien einen Haufen, viele Hühner eine Schar und viele Galaxienhaufen einen Supercluster...

Ein solcher Vergleich hinkt allerdings etwas. Im Makrokosmos gelten die Einsteinschen Relativitätstheorien, die im Mikrokosmos völlig ihre Gültigkeut verlieren. Die kleinen Dimensionen werden ausschließlich durch die Quantentheorien beschrieben. Allerdings verdeutlicht der Vergleich, dass größere Strukturen mit einem individuellen Charakter (z.B. Atome oder Galaxien) stets aus wenigen elementaren Einheiten aufgebaut sind (Atome aus Elektronen und Quarks, Galaxien aus verschiedenen Sterntypen).

Es ist kein Zufall, dass Sterne und Galaxien nicht alleine stehen. Im Verlauf des Urknalls bildeten sich die großen Strukturen aus ausgefrorenen Fluktuationen, Schwankungen der Dichte (siehe hierzu auch weiter unten Galaxienentstehung). So ergaben sich nach einer gewissen Zeit Gebiete etwas höherer und solche mit verminderter Dichte. Die dichteren Zonen konnten nun durch gravitative Wirkung die anderen Raumgebiete immer weiter verdünnen. Sterne werden ausschließlich in großen Materieansammlungen, wie z.B. dem bekannten Orionnebel, gleich massenweise geboren. Es ist deshalb höchst unwahrscheinlich, dass irgendwo im All eine einzelne Sonne aus einer gerade hierzu ausreichenden Materiewolke gebildet wurde. Die Materiedichte im intergalaktischen Raum ist dazu viel zu gering.

Die Hickson Compact GroupEine der schönsten Aufnahmen des Hubble- Teleskops. Es stellt eine Gruppe von Galaxien dar, der sogenannten Hickson Compact Group, HCG 87. Bei der großen Galaxie im Vordergrund (HCG 87a) sieht man deutlich den Staubanteil in der Scheibe. Sie und ihre elliptische Nachbarin (HCG 87b) weisen sehr aktive Kerne auf, in denen vermutlich Schwarze Löcher Materie akkretieren. In der großen Spiralgalaxie (HCG 87c) haben wir eine Starburst- Galaxie vor uns. Alle vier Galaxien stehen so dicht beieinander, dass sie sich gegenseitig mit ihren Gezeitenkräften beeinflussen.

Galaxienentstehung

Den Ursprung aller Galaxien muss man sicherlich, wie schon angedeutet, beim Urknall suchen. Nach der Zeit der Inflation, der Teilchenbildung und der Strahlungsentkopplung müssen aus ehemals kleinsten Dichtefluktuationen, winzigsten Unterschieden des gravitativen Feldes, Strukturen entstanden sein. Aus diesen Schwankungen heraus haben sich dann unaufhaltsam die Galaxien und Strukturen bis hin zu 100 Mpc, den Superclustern (siehe weiter unten), entwickelt.
Zu Beginn waren die Fluktuationen extrem schwache, lokale Dichteschwankungen, welche im Laufe der Zeit durch Gravitationsinstabilitäten aber immer ausgeprägter wurden. In diese Zonen, in denen die allgemeine Expansion etwas verlangsamt war, konnte durch den Gravitationsüberschuss Materie aus umgebenden Gebieten angezogen werden. Die Verdichtung wurde immer stärker und irgendwann kollabierte die Materiewolke zu Galaxien oder, bei genügender Masse, zu Galaxienhaufen.

Am Anfang wurde das Wachstum der Fluktuationen durch die Strahlung stark beeinflusst. Auf jedes Atom kamen damals 3 Milliarden Photonen, die Energiedichte war also noch viel höher als die Massedichte. In den ersten 10 000 Jahren wurde deshalb die Ausbildung von deutlichen Strukturen unterdrückt. Das änderte sich erst, als die Massedichte durch zunehmenden Materieanteil immer größer wurde. Nun gab es zwei Möglichkeiten der Entwicklung: entweder die Bildung großer, massereicher Strukturen wie Galaxienhaufen, die später zerfallen, oder es bildeten sich Zwerggalaxien, die dann durch gravitative Einflüsse immer massereicher wurden und sich schließlich zu den großräumigen Strukturen zusammenballten.

Galaxienpaar ARP 87Wie sehr sich Galaxien gegenseitig beeinflussen können zeigt in beeindruckender Weise diese Hubble- Aufnahme des Galaxienpaars Arp 87. In 300 Millionen Lichtjahren Entfernung im Sternbild Löwe gelegen, vollführen beide Sternsysteme einen komplizierten Tanz umeinander unter der Choreografie der Gravitation. Beide Galaxien beinhalten eine riesige Anzahl an Sternen und sie stehen hier stellvertretend für Hunderte von bekannten Galaxienpaaren, die in der näheren kosmischen Umgebung beheimatet sind und sich gegenseitig beeinflussen oder gar miteinander verschmelzen.

Begegnungen zwischen Galaxien finden damit auch heute noch statt. In der Jugend unseres Universums aber waren sie noch viel häufiger, weil der Kosmos deutlich kleiner und deswegen die Materiedichte viel höher war.

Top- down- Modell

Wie gesagt konnten die Fluktuationen in den ersten 10 000 Jahren nicht anwachsen. Sie bestanden aus einem Gemisch komprimierter Strahlung und Materie. Strahlung kann man aber nicht in Materie einschließen, sie versucht sich stets abzukoppeln, wobei sie aber Materie mit sich zieht. Beherrscht wird das System von heißen Neutrinos, welche sich abzutrennen versuchen. Durch diesen Effekt wurden die Fluktuationen geglättet. Man kann sich das in etwa so vorstellen, wenn man Öl auf eine stark bewegte Wasserfläche gießt. Die vorher großen Wellenberge (Fluktuationen) werden durch das Öl erst gebrochen, dann geglättet. Zur Homogenisierung der großräumigen Fluktuationen reicht allerdings die Zeit der Entkopplung nicht aus. Sie überleben, und nach 380 000 Jahren, der Entkopplungsära, existieren nur noch Fluktuationen von 1015 Sonnenmassen, das sind Galaxienhaufen. Diese Strukturen sammeln weiter Materie an, bis sie irgendwann kollabieren und zu Galaxien zerfallen. Dieses Modell der Entwicklung von großen zu kleinen Strukturen hin nennt man das top- down- Modell, von oben nach unten.

Bottom- up- Modell

Viele der beobachteten Galaxienhaufen scheinen sich auch heute noch weiter zu entwickeln und zu wachsen, weshalb dieser Umstand gegen das top- down- Modell spricht. Vielmehr haben sich wohl zuerst unzählige kleinste Galaxien gebildet, welche dann durch Materiezuwachs immer größere Strukturen prägten- eben eine Entwicklung von unten nach oben, bottom- up.

n einer Kombination aus Untersuchungen von Hubbles Ultra Deep Field (HUDF), Aufnahmen der Infrarotkameras des Spitzer Weltraumlabors sowie dem Infrarotspektrometer der Europäischen Südsternwarte wurden einige der kleinsten, lichtschwächsten und gleichzeitig kompaktesten Galaxien im frühen Universum (etwa 1 Milliarde Jahre nach dem Urknall) entdeckt. Diese Galaxien sind mindestens Hundert bis Tausend Mal kleiner als die Milchstraße und ein schlagkräftiger Beweis für das Bottom- up- Modell. Man kann sie als Bausteine bezeichnen, aus denen die späteren, großen Galaxien im Laufe der kosmischen Entwicklung zusammengesetzt werden. Erstaunlich ist, dass Hubble in diesen Galaxien blaue, also junge und heiße Sterne entdeckte, die gerade dabei sind, die beim Urknall erzeugten Gase Wasserstoff und Helium in schwerere Elemente zu verwandeln. Untersuchungen des Spitzer- Teleskops zeigten dagegen die Abwesenheit von im Infrarotbereich strahlenden, also alten Sternen. Wir haben es also tatsächlich mit sehr jungen Galaxien der ersten Generationen zu tun.
Die Galaxien sind z.T. etwas in die Länge gezogen (siehe Vergrößerungen), was darauf hinweist, dass sie bereits mit anderen wechselwirken. Die Zahlen unten geben die gemessenen Rotverschiebungen wieder.

Mit freundlicher Genemigung von NASA, ESA, und N. Pirzkal (STScI/ESA)

Wie bereits oben angedeutet, bilden sich Fluktuationen in den ersten 10 000 Jahren aus, als der Kosmos bereits von der Materie beherrscht wird. Die Strahlung bleibt aber noch 370 000 Jahre an die Materie gekoppelt. Bis zu dieser Zeit, wahrscheinlich aber schon mit Entstehung der Materie, hat sich ein bestimmter Anteil Dunkler Materie gebildet, welcher außer gravitativer keine weitere Wechselwirkung mit der Strahlung hat. Fluktuationen werden deshalb bei der Entkopplung nicht geglättet. Auf die Dunkle Materie ausgeübter thermischer Druck bleibt ebenso wirkungslos, der Gravitation dieser Strukturen steht nichts entgegen. Deshalb können sich Fluktuationen aus viel kleineren Dichteschwankungen heraus entwickeln.

 

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Kleine Fluktuationen bilden sich als erste und haben somit die längste Zeit sich zu entwickeln. Im Laufe der Zeit wachsen sie immer weiter an. Zunächst bilden sich Zwerggalaxien, Galaxien von der Größe der Milchstraße konnten erst mit der Entwicklung einsetzen, als der Kosmos 1 Milliarde Jahre alt war und 1/10 der heutigen Größe aufwies. Die entstandenen Strukturen bestehen zuerst aus Halos Dunkler Materie. Die Materieteilchen strahlen im Laufe der Zeit ihre Energie ab, erkalten und ballen sich zusammen. Die Gravitation ist nun stärker als der thermische Druck und die Materie kann zur Galaxie kondensieren. Weil das Universum seinerzeit noch relativ klein war standen die jungen Galaxien dicht gedrängt. Gegenseitige Beeinflussungen, Durchdringungen und Verschmelzugen zu größeren Galaxien waren damit an der Tagesordnung. So entstehen nach und nach die Sternsysteme, die wir heute in ihrer ganzen Pracht bewundern können.

Einteilung der Galaxien

Der Erste, der Galaxien katalogisierte (ohne dabei etwas über ihre Natur zu wissen) war 1784 Charles Messier, welcher auf seiner Suche nach Kometen 103 nebelartige Flecke erfasste (der Messier- Katalog enthält deshalb naturgemäß nicht nur Galaxien). Diese Bezeichnungen sind bis heute erhalten, wer kennt nicht M 31, die Andromeda- Galaxie! Größere Kataloge waren dann der New General Catalogue (NGC) von 1888 sowie der moderne Third Reference Catalogue of Bright Galaxies.

Bereits 1936 hat Edwin Hubble eine Einteilung der Galaxien nach ihrem Erscheinungsbild in verschiedene Klassen vorgeschlagen:

Typ Bezeichnung Unterklassen Beschreibung
E Elliptisch E0 rund
E1 leicht abgeplattet

E4
E7 stark geplattet
S Spiralgalaxie Sa großer Kern
Sb mittlerer Kern
Sc sehr schwacher Kern
SB Balkenspirale SBa ausgeprägter, balkenartiger Kern
SBb schwacher Kern, stärkere Arme
SBc S- förmige Arme, kein Kern
SO Linsenförmig Form wie S, keine Spiralen
SBO Linsenförmig Form wie SB, keine Spiralen
Ir Irregulär unregelmäßige Systeme

Einteilung der Galaxien nach HubbleDie Einteilung der Galaxien nach Edwin Hubble verdeutlicht diese Grafik. Zu beachten ist dabei, dass es sich hier nicht um ein Entwicklungsschema handelt, vielmehr gibt das Bild lediglich die verschiedenen Formen wieder.

Elliptische Galaxien

Elliptische Galaxien sind Sphäroide, sie weisen weder Arme noch eine Scheibe auf und man findet kaum Interstellare Materie als Gas oder Staub in ihnen. Der Typ E0 ist deutlich rund, während die Klassen E1 - E6 zunehmend abgeplattet, elliptisch sind. Elliptische Galaxien erscheinen röter als andere Systeme und man konnte ermitteln, dass in ihnen keine neuen Sterne entstehen. Sie bestehen vorwiegend aus alten Sternen von meist nicht mehr als einer Sonnenmasse oder weniger. Zwar enthalten diese Galaxien wenig, dünnes Gas und sind auch von einem Halo umgeben. Nachzuweisen ist das Gas aber nur durch Röntgenbeobachtung, was bedeutet, dass es eine Temperatur von rund 10 Millionen [K] hat. Ein so heißes Gas lässt jedoch keine Sternentstehung zu, weil die zur Kontraktion erforderliche Gravitation durch die hohe kinetische Energie der Gasteilchen mehr als aufgewogen wird.

Elliptische Galaxie M 87M 87 ist eine typische elliptische Galaxie. Allerdings weist diese Riesengalaxie eine 10- fach höhere Masse als unsere Milchstraße auf, auch ist ihre Leuchtkraft 10- mal größer. Sie enthält dafür aber nur sehr wenig Gas und Staub, neue Sterne entstehen hier nicht. Deutlich zu erkennen sind die fehlenden Spiralarme. Elliptische Galaxien entstehen durch die Vereinigung von 2 oder mehreren Spiralgalaxien. M 87 liegt inmitten eines großen Galaxienhaufens, dem Virgo- Cluster.

Elliptische Galaxien bilden die größten bekannten Systeme aus, wie die oben gezeigte Galaxie M 87. Die meisten Galaxien sind aber Zwerggalaxien mit nur 107 bis 108 Sonnenleuchtkräften, auch diese Systeme sind elliptisch.
Den Galaxientyp S0 bezeichnet man als linsenförmig, er ist ein Übergangstyp. Man erkennt hier eine Scheibe und einen bulge, aber keine Interstellare Materie. Daher weisen sie weder junge Sterne noch Spiralarme auf.

Spiralgalaxien

Zu den bekanntesten Spiralgalaxien zählt neben der Andromeda- Galaxie auch unsere Milchstraße. Der Kern dieser Systeme ist ähnlich aufgebaut wie bei den elliptischen Kategorien und besteht vorwiegend aus rotleuchtenden, alten Sternen. In der Scheibe findet man zwei Populationen von Sternen, eine besteht aus alten roten, die andere aus jungen, heißen und bläulich strahlenden Sternen. Zudem enthält sie viele Gas- und Staubwolken, die Geburtsstätten neuer Sterne. Umgeben sind diese Galaxien von ausgeprägten, massereichen Halos, welche wesentlich zur Gesamtmasse einer Galaxie beitragen (siehe auch Dunkle Materie ).

Der Typ Sa zeigt recht eng umwundene Arme und einen ausgeprägten bulge, Galaxien des Typs Sb haben weiter geöffnete Arme und einen kleineren Bauch, während bei Sc die Arme weit geöffnet sind und der bulge nur schwach ausgeprägt ist. Von Sa nach Sc ansteigend findet man immer mehr Interstellare Materie und damit auch junge Sterne. Die meisten hellen Galaxien sind Spiralsysteme, zu denen wie gesagt auch die Andromeda- Galaxie und unsere Milchstraße gehören. Beide haben etwa eine Zehnmilliarden- fache Sonnenleuchtkraft.

M 31- die Andromeda- GalaxieIn zwei Millionen Lichtjahren Entfernung liegt die uns nächste Galaxie- M 31, die Andromeda- Spiralgalaxie. Zusammen mit unserer Milchstraße dominiert sie die Lokale Gruppe, einen kleinen Galaxienhaufen. Die Einzelsterne der Aufnahme gehören zur Milchstraße, die helleren Objekte sind zwei kleinere Begleitgalaxien von M 31, M 32 und NGC 205.

Balkengalaxien

Im Gegensatz zu den Spiralgalaxien, bei denen die Arme nahtlos aus dem Kern hervorgehen und an ihn geschmiegt sind, zeigen Balkenspiralen ihren Kern als fast geraden Balken, aus dem zwei gegenüberliegende Arme herausragen. Bei manchen Galaxien dieses Typs hat man den Eindruck, als bestehe sie nur aus einem langgezogenen Kern. Unterschieden werden die Typen wie die Spiralgalaxien von a nach c, wobei man zusätzlich ein B für Balken einsetzt. Von SBa nach SBc nimmt die Enge der Arme und die Größe des Bauches ab. Ein gemeinsames Kennzeichen aller Spiral- und Balkengalaxien ist ihre Rotation. Elliptische und irreguläre Galaxien rotieren nicht.

Spiralgalaxie M 83In dieser brillanten Aufnahme der Spiralgalaxie M 83 erkennt man deutlich die ausgeprägten, weit ausladenden Balkenspiralen. Blau erscheinende Zonen zeugen hier von vielen massereichen, jungen, heißen und deshalb blau leuchtenden Sternen. Gut zu sehen sind auch die in den Armen liegenden dunklen Gebiete Interstellarer Materie.