Echte Physikbegriffe: Vom Urknall bis zu Schwarzen Löchern

In der wissenschaftlichen Forschung erfinden Wissenschaftler jedes Mal, wenn sie ein neues Naturphänomen entdecken oder ein neues wissenschaftliches Konzept vorschlagen, einen Eigennamen, um es zu benennen. Eine gute Benennung trägt zum Verständnis bei. Komplexe Phänomene und schwierige Konzepte bleiben dank intuitiver und leicht verständlicher Namen im Gedächtnis. Manche wissenschaftlichen Begriffe faszinieren und wecken die Neugier und den Forscherdrang der Menschen. Wenn der Name nicht gut ist, kann es sein, dass die Leute ihn missverstehen oder vom Lesen abgehalten werden. In diesem Artikel werden einige bekannte physikalische Begriffe aus der Kosmologie und Astrophysik genauer betrachtet, ihre Bedeutungen sorgfältig untersucht und die physikalischen Implikationen dahinter erforscht.

Geschrieben von Chen Shaohao (Massachusetts Institute of Technology, USA)

Der Urknall war keine Explosion

Das Universum bezeichnet die Summe aus Raum und Zeit, einschließlich aller Materie und Energie in Raum und Zeit. Das englische Wort „Universe“ bedeutet „Universe“ und bedeutet, dass es nur ein Universum gibt und dieses alles enthält.

In der Physik gibt es die Multiversum-Theorie, die besagt, dass es mehrere unabhängige Paralleluniversen gibt. Dies ist jedoch lediglich eine auf mathematischer Logik basierende Hypothese und kann in der realen Welt nicht überprüft werden.

Das Universum, in dem wir leben, entstand durch ein Urknallereignis vor etwa 13,78 Milliarden Jahren. Die Urknalltheorie gilt derzeit als die zuverlässigste Theorie zur Entstehung des Universums. Der wichtigste Beweis, der die Physiker von der Urknalltheorie überzeugt hat, ist die kosmische Mikrowellenhintergrundstrahlung. Zahlreiche Beobachtungen haben bestätigt, dass Mikrowellen aus allen Richtungen im Universum eine stabile Hintergrundtemperatur von 2,7 Kelvin haben. Diese Hintergrundtemperatur ist ein Überbleibsel des Urknalls.

Beobachtungen des Hubble-Teleskops zeigen, dass sich alle Himmelskörper im Universum voneinander entfernen. Jeder Beobachter kann überall im Universum zu dem Schluss kommen, dass sich andere Himmelskörper von ihm wegbewegen. Eine plausible Erklärung für diese Tatsache ist, dass sich das Universum ausdehnt. Da der Weltraum immer größer wird, entfernen sich die Himmelskörper darin voneinander. Die Ausdehnung des dreidimensionalen Raums ist schwer vorstellbar, daher verwenden wir als Beispiel den zweidimensionalen Raum. Markieren Sie zwei beliebige Punkte auf einem Ballon und blasen Sie ihn dann auf. Wenn sich der Ballon ausdehnt, vergrößert sich seine Oberfläche und der Abstand zwischen den beiden markierten Punkten vergrößert sich. Dasselbe gilt für den dreidimensionalen Raum.

Da sich das gegenwärtige Universum ausdehnt, wird der Raum umso kleiner, je früher das Universum existiert, wenn man die Zeit umkehrt. Daraus können wir schließen, dass im frühen Universum alle Materie und Energie in einem sehr kleinen Raum, einer sogenannten Singularität, gesammelt waren. Von dieser winzigen Singularität aus begann sich das Universum auszudehnen und es dauerte etwa 13,78 Milliarden Jahre, bis das Universum entstand, das wir heute kennen.

Abbildung 1. Schematische Darstellung der Ausdehnung des Universums. Seit dem Urknall hat sich das Universum etwa 13,78 Milliarden Jahre lang kontinuierlich ausgedehnt. ｜ Bildquelle: Wiki

Der Urknall bedeutet, dass sich das Universum innerhalb kürzester Zeit aus einem sehr kleinen Raum heraus extrem schnell auszudehnen begann. Dies ist nicht dasselbe wie die Bombenexplosion, die die Menschen kennen. Ob es sich nun um die Explosion chemischer Stoffe oder die Explosion von Atombomben handelt, es bezieht sich auf die schnelle Ausbreitung von Materie oder Energie im Weltraum, während sich der Urknall auf die schnelle Ausdehnung des gesamten Universums bezieht. Das englische Wort „Bang“ bezeichnet den Klang einer Explosion, was den Kern des Wortes offensichtlich nicht trifft. Auf jeden Fall sind die Begriffe „The Big Bang“ im Englischen und „Big Bang“ im Chinesischen weithin akzeptiert und gebräuchlich.

Im dunklen Zeitalter gibt es kein sichtbares Licht

Nach dem Urknall dehnte sich der Weltraum schnell aus und die Temperatur sank rasch. In der ersten Billionstelsekunde trennten sich nacheinander vier fundamentale Wechselwirkungen. In den folgenden 10 Sekunden bildeten sich nacheinander verschiedene Elementarteilchen. Einige Elementarteilchen übertragen Wechselwirkungen, während andere in etwa 17 Minuten (1000 Sekunden) Atomkerne bilden.

Da die meisten Teilchen mit ihren Antiteilchen vernichtet wurden, liegt die Energie des Universums für die nächsten etwa 370.000 Jahre hauptsächlich in Form von Photonen vor. Derzeit enthält das Universum eine große Masse an Plasma mit hoher Temperatur und hoher Dichte, das aus Atomkernen, Elektronen und Photonen besteht. Photonen kollidieren häufig mit geladenen Teilchen wie Atomkernen und Elektronen, daher ist die mittlere freie Weglänge von Photonen sehr kurz, was das Universum undurchsichtig macht. Obwohl Photonen existieren, können sie nicht beobachtet werden.

Etwa 18.000 Jahre nach dem Urknall begann die Temperatur im Universum so weit zu sinken, dass Elektronen von Atomkernen eingefangen werden und Atome bilden konnten. Dieser Vorgang wird Rekombination genannt. Etwa 370.000 Jahre später endete der Rekombinationsprozess und im Universum bildete sich eine große Anzahl neutraler Atome. Es besteht hauptsächlich aus Wasserstoffatomen und einer kleinen Menge Heliumatomen. Die durch den Rekombinationsprozess erzeugten Atome befinden sich zunächst in einem angeregten Zustand und wechseln dann schnell vom angeregten Zustand in den Grundzustand, wobei Energie in Form von Photonen freigesetzt wird. Dieser Vorgang der Photonenfreisetzung wird als Photonenentkopplung bezeichnet. Im Gegensatz zu geladenen Teilchen interagieren neutrale Atome nur sehr wenig mit Photonen, und da die Dichte des Universums weiter abnimmt, wird die mittlere freie Weglänge von Photonen nahezu unendlich. Mit anderen Worten: Zu diesem Zeitpunkt können sich Photonen ungehindert im Universum bewegen und das Universum wird transparent.

Die Wellenlänge der bei der Entregung von Wasserstoffatomen freigesetzten Photonen liegt im sichtbaren Lichtbereich und ist gelb-orange. Da sich das Universum ausdehnt, entfernt sich die Lichtquelle für Beobachter auf der Erde von ihnen. Wenn diese Photonen heute die Erde erreichen, kommt es gemäß dem Doppler-Effekt zu einer Rotverschiebung, das heißt, die Wellenlänge wird größer, vom sichtbaren Licht hin zu Mikrowellen. Dies ist die kosmische Mikrowellen-Hintergrundstrahlung, die heute auf der Erde beobachtet wird. Dies ist zugleich das früheste kosmische Ereignis, das der Mensch derzeit beobachten kann.

In dieser Zeit gab es theoretisch einen weiteren Mechanismus, der Mikrowellenstrahlung erzeugen konnte, nämlich den Quantenübergang zwischen zwei Hyperfeinstruktur-Energieniveaus des Grundzustands des Wasserstoffatoms, wodurch Photonen mit einer Wellenlänge von 21 cm freigesetzt wurden. Da es derzeit eine große Anzahl von Wasserstoffatomen im Universum gibt, sollte die 21-Zentimeter-Linie beobachtbar sein. Die Erkennung der 21-cm-Spektrallinie ist derzeit ein hochaktuelles Forschungsgebiet.

Von 370.000 Jahren nach dem Urknall bis vor Hunderten von Millionen Jahren können Beobachter auf der Erde heute zwar Mikrowellenstrahlung beobachten, jedoch kein sichtbares Licht. Daher wird diese Periode des Universums als „Dunkle Zeitalter“ bezeichnet. Erst Hunderte Millionen Jahre nach dem Urknall wurde die erste Generation von Sternen geboren und strahlte sichtbares Licht aus. Im Universum begann es Licht zu geben und das dunkle Zeitalter endete.

Supernova-Explosionen erzeugen keine neuen Sterne

Die erste Generation von Sternen wurde nie direkt beobachtet, es wird lediglich theoretisch spekuliert, dass es sich um nichtmetallische Sterne handelt. Dies liegt daran, dass beim Urknall Wasserstoff und Helium entstanden, jedoch keine metallischen Elemente. Im Gegensatz zu den allgemein bekannten Metallen werden in der Astrophysik Elemente, die schwerer als Helium sind, zusammenfassend als Metallelemente bezeichnet.

Im Inneren eines Sterns kommt es zu einer großen Menge an Wasserstoff-Kernfusion, und die Fusion liefert Energie, um dem Gravitationskollaps entgegenzuwirken. Durch Fusion wird Wasserstoff kontinuierlich in Helium umgewandelt. Bei massereichen Sternen beginnt der Wasserstoff in ihrer äußeren Hülle zu verschmelzen, wenn der Wasserstoff in ihrem Kern aufgebraucht ist. Dadurch vergrößert sich der Stern allmählich, bis er zu einem roten Superriesen wird. Wenn die Masse des Sternkerns die Chandrasekhar-Grenze überschreitet, kollabiert der Kern plötzlich, da der Entartungsdruck der Elektronen der Gravitationskraft nicht standhalten kann. Während des Kollapses kommt es zu einer gewaltigen Explosion, die den Großteil der Materie des Sterns mit hoher Geschwindigkeit nach außen schleudert. Dieser Vorgang wird Supernova genannt. Die durch eine Supernova-Explosion erzeugte Energie reicht aus, um einige leichtere nichtmetallische Elemente zu schwereren metallischen Elementen zu verschmelzen. Die metallischen Elemente enthaltenden Auswurfmassen liefern das Rohmaterial für die Entstehung der nächsten Sternengeneration.

Die erste Generation von Sternen hat im Allgemeinen eine Lebensdauer von weniger als ein paar Millionen Jahren und produziert bei ihrem Tod durch Supernova-Explosionen geringe Mengen metallischer Elemente. Diese metallischen Elemente werden zusammen mit Wasserstoff und Helium zu den Elementen, aus denen die nächste Generation von Sternen besteht. Die zweite Generation von Sternen enthält also geringe Mengen an Metallen. Die zweite Generation von Sternen hat eine Lebensdauer von Hunderten von Millionen oder Milliarden von Jahren, und einige von ihnen produzieren bei ihrem Tod durch Supernova-Explosionen mehr metallische Elemente. Die dritte Generation von Sternen nutzte diese metallischen Elemente während ihrer Entstehung und ist daher reich an Metallen. Die uns bekannte Sonne ist ein Stern der dritten Generation.

Supernova-Explosionen erzeugen extrem starke elektromagnetische Strahlung, strahlen extrem helles sichtbares Licht aus und können Wochen, Monate oder sogar Jahre andauern. Der englische Name für Supernova ist Supernova, wobei Nova auf Latein „neu“ bedeutet, d. h., ein neuer heller Stern erscheint. Tatsächlich existiert dieser Stern schon seit langer Zeit, wurde von Beobachtern auf der Erde jedoch nur entdeckt, weil seine Helligkeit plötzlich deutlich zunahm und man ihn deshalb fälschlicherweise für einen neuen Stern hielt.

Ein berühmtes Beispiel einer Supernova-Explosion ist SN 1054, deren Überrest den Krebsnebel bildet. Im Jahr 1054 n. Chr. zeichneten chinesische, arabische und japanische Astronomen diese Supernova-Explosion auf. In „Song History·Astronomy Records-9“ heißt es: „Im ersten Jahr von Zhihe, am 1. Mai, erschien es wenige Zentimeter südöstlich von Tianguan und sank etwas später als ein Jahr.“ Im „Song Huiyao“ heißt es: „Im dritten Monat des ersten Jahres von Jiayou sagte der Sitianjian: ‚Der Gaststar ist verschwunden, was ein Zeichen für die Abreise des Gastes ist.‘ Zuerst, im ersten Jahr von Zhihe, erschien es im Mai morgens im Osten und bewachte Tianguan. Tagsüber war es wie Taibai mit vier roten und weißen Hörnern sichtbar und 23 Tage lang sichtbar.“

Abbildung 2. Der Krebsnebel, aufgenommen vom Hubble-Teleskop. Der Krebsnebel ist der Überrest einer Supernova-Explosion, eine schalenartige Struktur aus expandierendem Gas und Staub. ｜ Bildquelle: Wiki

Ist ein Schwarzes Loch ein Loch?

Nach einer Supernova-Explosion kollabiert der verbleibende Sternkern weiter und der enorme Druck führt dazu, dass Protonen Elektronen absorbieren und sich in elektrisch neutrale Neutronen verwandeln. Der Kern des Sterns bildet schließlich einen dichten Himmelskörper aus Neutronen, der als Neutronenstern bezeichnet wird. Ein typischer Neutronenstern hat einen Durchmesser von nur etwa 10 Kilometern und ist damit kleiner als eine Stadt. Ein Neutronenstern ist wie ein riesiger Atomkern und weist eine weitaus größere Dichte auf als die übliche Atommaterie auf der Erde. Eine winzige Tasse Materie auf einem Neutronenstern hätte mehr Masse als wir alle auf der Erde zusammen.

Wenn die Masse des Sternkerns groß genug ist, kollabiert er weiter auf eine Größe, die kleiner ist als der Schwarzschildradius, und bildet schließlich ein Schwarzes Loch. Das Gravitationsfeld eines Schwarzen Lochs ist so stark, dass weder Materie noch elektromagnetische Wellen (einschließlich sichtbarem Licht) entkommen können. Die Grenze des Bereichs, aus dem kein Entkommen möglich ist, wird als Ereignishorizont bezeichnet.

Im Jahr 1916 entdeckte der deutsche Physiker Karl Schwarzschild beim Lösen von Einsteins Gleichungen der allgemeinen Relativitätstheorie eine Lösung mit den Eigenschaften eines Schwarzen Lochs. Zu Beginn des 20. Jahrhunderts bezeichneten Physiker Schwarze Löcher als durch Gravitation kollabierte Objekte. In den 1960er Jahren verwendete der amerikanische Physiker Robert Dicke erstmals den Begriff „Schwarzes Loch“, um diesen Himmelskörper zu beschreiben. Später wurde der Begriff „Schwarzes Loch“ dank der Förderung von John Wheeler, dem Meister der allgemeinen Relativitätstheorie, in der Wissenschaft weithin übernommen. (Anmerkung des Herausgebers: Für den Ursprung des Namens des Schwarzen Lochs können die Leser auch nachschlagen in
https://ar5iv.labs.arxiv.org/html/1811.06587)

Beobachter außerhalb des Ereignishorizonts können das Schwarze Loch nicht direkt beobachten. Durch Beobachtung der Bewegung von Himmelskörpern in der Nähe eines Schwarzen Lochs und Rückschlüsse auf die Schwerkraft kann die Existenz eines Schwarzen Lochs indirekt bestätigt werden. Wenn interstellare Materie von einem Schwarzen Loch absorbiert wird, entsteht eine schnell rotierende Akkretionsscheibe, die starke elektromagnetische Wellen aussendet. Daher kann die Akkretionsscheibe, die das Schwarze Loch umgibt, beobachtet werden. Der Ereignishorizont im Zentrum der Akkretionsscheibe ist ein nicht leuchtender kugelförmiger Bereich, der von außen wie ein Loch aussieht.

Das Zentrum eines Schwarzen Lochs ist eine Singularität mit unendlicher Dichte. Die Raumzeit im Inneren eines Schwarzen Lochs ist stark verzerrt und alle Materie fällt auf die Singularität im Zentrum. Einige Theorien gehen davon aus, dass der größte Teil des Raums innerhalb des Ereignishorizonts leer ist. Wenn dies zutrifft, gibt es im Inneren des Schwarzen Lochs tatsächlich eine „Leere“. Da das Innere eines Schwarzen Lochs von außen nicht beobachtet werden kann, bleibt sein wahrer Zustand ein ungelöstes Rätsel.

Abbildung 3. Das allererste Foto eines Schwarzen Lochs, veröffentlicht am 10. April 2019, wurde mit dem Event Horizon Telescope aufgenommen. ｜ Bildquelle: Wiki

Quasare sind anders als Quasare

Sehen wir uns abschließend zwei Begriffe im Zusammenhang mit Schwarzen Löchern an, die leicht verwechselt werden können: Quasar und Quasistern.

In den 1950er und 1960er Jahren beobachteten Astrophysiker einige Radiowellen aus dem fernen Weltraum, deren Ursprung ihnen jedoch Rätsel aufgab, sodass sie sie als quasi-stellare Radioquellen bezeichneten. Die Himmelskörper, die diese Radiowellen aussenden, werden als quasi-stellare Objekte bezeichnet, abgekürzt Quasar, was im Chinesischen als Quasar übersetzt wird. Spätere Untersuchungen haben jedoch gezeigt, dass es sich bei Quasaren um Galaxien handelt, die von supermassereichen Schwarzen Löchern absorbiert werden und eigentlich nicht mit Sternen vergleichbar sind.

Die Spitzenzeit der Quasaraktivität lag vor etwa 10 Milliarden Jahren, was bedeutet, dass Quasare mehr als 10 Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernt waren. Zu dieser Zeit befanden sich einige Galaxien im Universum zufällig in der Nähe von Schwarzen Löchern. Unter der starken Gravitationskraft des Schwarzen Lochs rotierte und fiel die Materie in der Galaxie mit hoher Geschwindigkeit, wodurch eine Akkretionsscheibe entstand und enorme Energiemengen in Form elektromagnetischer Strahlung freigesetzt wurden (siehe Abbildung 4). Dieser Prozess erzeugt eine Leuchtkraft, die weit größer ist als die jedes Sterns, was Quasare zu einem der hellsten Objekte im Universum macht. Und selbst Quasare im fernen Weltraum können von Menschen auf der Erde beobachtet werden.

Abbildung 4: Hypothetisches Bild eines Quasars (kein Teleskopfoto). ｜ Bildquelle: webbtelescope.org

Im Gegensatz zu Quasaren handelt es sich bei Quasisternen um einen Typ hypothetischer Sterne, die im frühen Universum entstanden sind. Im Gegensatz zu modernen Sternen hat ein Quasi-Planet in seinem Zentrum ein Schwarzes Loch, daher lautet seine andere Bezeichnung „Schwarzes Loch-Stern“. Theoretischen Berechnungen zufolge entsteht beim Kollaps eines Sterns zu einem Schwarzen Loch ein Quasistern, wenn die äußere Hülle des Sterns eine ausreichend große Masse hat, um die durch den Kollaps erzeugte Energie zu absorbieren, ohne dass es zu einer Supernova-Explosion kommt. Sterne mit einer so großen Masse konnten nur im frühen Universum existieren, bevor Wasserstoff und Helium zu metallischen Elementen verschmolzen, das heißt, sie konnten in der ersten Generation von Sternen existieren.

Über den Autor

Shaohao Chen hat einen Bachelor-Abschluss in Physik und einen Doktortitel in Atom- und Molekularphysik von der Tsinghua-Universität. Er war Postdoktorand an der University of Colorado Boulder und hat an der Louisiana State University und der Boston University gearbeitet. Derzeit arbeitet er am Massachusetts Institute of Technology und beschäftigt sich mit Hochleistungsrechnen.

Dieser Artikel wird vom Science Popularization China Starry Sky Project unterstützt

Produziert von: Chinesische Vereinigung für Wissenschaft und Technologie, Abteilung für Wissenschaftspopularisierung

Hersteller: China Science and Technology Press Co., Ltd., Beijing Zhongke Xinghe Culture Media Co., Ltd.

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