Nicht einmal Licht kann einem Schwarzen Loch entkommen. Warum kann man es also sehen und fotografieren? Die Wissenschaft sagt Ihnen die Wahrheit

Ein Schwarzes Loch ist eine extreme Schwerkraftquelle, die alles um sich herum verschlingen kann. Alle Materie geht dorthin, ohne zurückzukehren, nicht einmal Licht bildet da eine Ausnahme. Daher scheint es kein unsichtbares „Loch“ zu geben.

Das menschliche Auge ist auf sichtbares Licht angewiesen, um Dinge zu beobachten. Da schwarze Löcher nicht einmal Licht aussenden, wie können wir sie sehen? Daher ist es normal, keine schwarzen Löcher zu sehen. Das Problem besteht jedoch darin, dass Wissenschaftler oft sagen, sie hätten ein neues Schwarzes Loch entdeckt und sogar Fotos davon gemacht, was ein wenig mysteriös ist.

Auf diesen Fotos ist das Schwarze Loch eindeutig ein sehr heller Feuerball. Warum also heißt es, dass nicht einmal Licht entkommen kann? Dies verwirrte viele Internetnutzer und brachte sie dazu, es nicht zu glauben. Lassen Sie uns dieses Rätsel heute gemeinsam lösen.

Lassen Sie uns zunächst über die Entstehung Schwarzer Löcher sprechen. Gemäß Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie tritt ein seltsames Phänomen auf, wenn eine Substanz auf eine extrem kleine Größe schrumpft: Die Krümmung der Raumzeit wird unendlich, alle Materie kollabiert in Richtung Kern und um den Kern herum bildet sich ein sphärischer Raum mit unendlicher Krümmung. Dieser kugelförmige Raum ist wie ein Trichter, der die gesamte umgebende Materie in die infinitesimale Singularität im Kern saugt.

Das ist ein schwarzes Loch.

Wie klein muss die Materie sein, damit dies geschieht? Bereits 1916 erklärte uns der berühmte Astrophysiker Karl Schwarzschild, dass das Volumen der Masse einen kritischen Punkt hat, und die Berechnungsformel für diesen kritischen Punkt lautet: R=2GM/C^2. Dabei steht R für den Schwarzschildradius, G für die Gravitationskonstante, M für die Masse des Objekts und C für die Lichtgeschwindigkeit.

Dieser kritische Punktradius wird als Schwarzschildradius bezeichnet.

Aus dieser Formel können wir ersehen, dass der Schwarzschildradius eines Objekts proportional zu seiner Masse ist. Wie groß ist also intuitiv der Schwarzschildradius? Gemäß der Formel beträgt die Masse der Sonne 1,9891*10^30kg, der Radius beträgt etwa 700.000 Kilometer und der Schwarzschild-Radius beträgt etwa 3 Kilometer; Die Masse der Erde beträgt etwa 6*10^24kg, der Radius beträgt etwa 6371 Kilometer und der Schwarzschildradius beträgt etwa 9 Millimeter.

Das heißt, wenn die Masse der Sonne unverändert bleibt und auf einen Radius von weniger als 3 Kilometern schrumpft; Bleibt die Masse der Erde unverändert und schrumpft sie auf einen Radius von 9 Millimetern, wird sie zu einem Schwarzen Loch. Doch wie lässt sich die Sonne auf drei Kilometer und die Erde auf neun Millimeter verkleinern, ohne dass die Masse dabei verloren geht?

Man kann sagen, dass es derzeit keine Kraft gibt, die dazu in der Lage ist, sodass Sonne und Erde niemals zu schwarzen Löchern werden. Nach dem aktuellen theoretischen Rahmen gibt es für die Entstehung Schwarzer Löcher nur zwei Möglichkeiten. Eines davon ist das ursprüngliche Schwarze Loch, das während des Urknalls entstand, und das andere ist ein Schwarzes Loch, das durch den Kernkollaps nach einer Supernova-Explosion entstand.

Bei beiden Entstehungsmethoden werden Objekte aufgrund der hohen Dichte, die durch extrem hohe Temperaturen und Drücke entsteht, dazu gezwungen, innerhalb des Schwarzschildradius ihrer eigenen Masse zu kollabieren, wodurch ein Schwarzes Loch entsteht.

Es mag zwar extrem kleine primordiale Schwarze Löcher geben, aber da die Temperatur des Schwarzen Lochs umso höher ist und es umso schneller verdunstet, je kleiner es ist, verdunsten diese Schwarzen Löcher auf Partikelebene, sobald sie entstehen. Daher existieren sie bisher nur in der Theorie und es wurden keine Beweise für ihre tatsächliche Existenz gefunden.

Ein massereicher Stern erleidet in den späten Stadien seiner Entwicklung eine Supernova-Explosion und der im Kern verbleibende Eisenkern kollabiert unter extremem Druck zu einem schwarzen Loch. Wissenschaftliche Untersuchungen zeigen, dass die Masse eines Sterns, der ein Schwarzes Loch bildet, 30- bis 40-mal so groß sein muss wie die der Sonne, damit in seinem Kern ein Schwarzes Loch mit einer Masse von mehr als dem Dreifachen der Sonnenmasse entsteht.

Sterne mit einer Masse von weniger als dem 30-fachen der Sonnenmasse erleben am Ende ihrer Entwicklung ebenfalls eine Supernova-Explosion, übrig bleibt jedoch nur ein Neutronenstern mit einer Masse zwischen dem 1,44- und 3-fachen der Sonnenmasse; Sterne mit einer Masse von weniger als dem 8-fachen der Sonnenmasse werden keine Supernova-Explosion erleben und am Ende ihrer Entwicklung wird nur ein Weißer Zwerg mit einer Masse von weniger als dem 1,44-fachen der Sonnenmasse übrig bleiben. Der Leichnam, der nach dem Tod der Sonne zurückbleibt, ist ein Weißer Zwerg. Rote Zwerge mit einer geringeren Masse als die Sonne brennen schließlich langsam aus und hinterlassen einen schwarzen Zwerg.

Wenn man schwarze Löcher nicht sehen kann, warum können wir sie dann fotografieren? Aufgrund ihrer unendlichen Schwerkraft absorbieren Schwarze Löcher alles Licht und geben nicht einmal ein einziges Licht ab. Das menschliche Auge ist zur Beobachtung auf sichtbares Licht angewiesen, daher können Schwarze Löcher theoretisch nicht vom menschlichen Auge gesehen werden. Das Problem besteht jedoch darin, dass ein Schwarzes Loch zwar seine Form verbergen kann, seine Kraft jedoch nicht, und diese Kraft besteht in der extremen Schwerkraft.

Diese extreme Schwerkraft wird auf hässliche Weise alles um sie herum verschlingen, wodurch der Aufenthaltsort des Schwarzen Lochs offengelegt wird.

Der Rand des sphärischen Schwarzschildradius eines Schwarzen Lochs wird als Ereignishorizont des Schwarzen Lochs bezeichnet. Dieser Ort ist der kritische Punkt zwischen dem, was das Schwarze Loch sehen kann und dem, was es nicht sehen kann. Alle beobachtbaren „Ereignisse“ treten außerhalb des Ereignishorizonts auf. Geht man etwas tiefer, in den Schwarzschildradius hinein, ist die Fallgeschwindigkeit größer als die Lichtgeschwindigkeit und kann nicht mehr beobachtet werden.

Was Menschen also „sehen“, ist nicht das „Loch“ des Schwarzen Lochs selbst, sondern das um das „Loch“ herum emittierte Licht, das um den Ereignishorizont herum emittierte Licht. Damit ein Schwarzes Loch umgebende Materie in seinen Magen aufnehmen kann, muss es diese Materie zunächst in die Nähe seines eigenen Ereignishorizonts ziehen. Dieser Vorgang ist nicht sofort abgeschlossen, sondern dauert einen Prozess.

Wenn sich die von der Schwerkraft eines Schwarzen Lochs angezogene Materie seinem Schwarzschildradius nähert, bewegt sie sich immer schneller und bildet eine Akkretionsscheibe um den Äquator des Schwarzen Lochs. Die lineare Rotationsgeschwindigkeit kann Zehntausende Kilometer pro Sekunde erreichen, und je näher sie am Schwarzschildradius liegt, desto näher kommt sie der Lichtgeschwindigkeit. Wenn wir auf Grundlage der Formel für kinetische Energie rechnen, wissen wir, dass die Kollisionsenergie dieser Substanzen extrem groß ist.

Daher wurde die vom Schwarzen Loch eingefangene Materie schon vor langer Zeit in Elementarteilchen zerlegt, bevor sie in das Schwarze Loch fiel. Die bei der Kollision erzeugte enorme Energie wird in Form von hellem sichtbarem Licht und hochenergetischen Strahlen freigesetzt. Da die Fluchtgeschwindigkeit außerhalb des Schwarzschildradius noch nicht die Lichtgeschwindigkeit erreicht hat, werden sich diese sichtbaren und unsichtbaren Lichter von der Schwerkraft des Schwarzen Lochs lösen und in den Weltraum schießen.

Von dort wird das Licht vom menschlichen Auge und von Radioteleskopen erfasst, und das Schwarze Loch wird „gesehen“ und kann fotografiert werden.

Schwarze Löcher, in deren Umgebung keine oder nur sehr wenig Materie eingefangen ist, in denen sich keine Akkretionsscheibe gebildet hat und die weder Licht noch hochenergetische Strahlen aussenden können, sind schwer zu erkennen. Wenn jedoch in der Nähe Himmelsaktivitäten stattfinden, kann man aus der anormalen Bewegung des Himmelskörpers dennoch auf eine unsichtbare Gravitationsquelle in der Nähe schließen und somit auf die mögliche Existenz eines Schwarzen Lochs.

Ein solches Schwarzes Loch befindet sich im Dreifachsystem HR6819, 1.120 Lichtjahre von uns entfernt. Astronomen entdeckten, dass die beiden sichtbaren Sterne in diesem System mit einer unsichtbaren Gravitationsquelle interagierten. Nach einer Analyse glaubten sie, dass es sich um ein Schwarzes Loch mit Sternmasse ohne Akkretionsscheibe handelte. Daher handelt es sich bei diesem System um ein Dreifachsystem, bestehend aus zwei Sternen und einem schwarzen Loch. Beobachtungen und Berechnungen zufolge beträgt die Masse dieses Schwarzen Lochs etwa das 4,2-fache der Sonnenmasse und macht es damit zum uns bisher am nächsten gelegenen Schwarzen Loch. (Bild oben)

Damit ein Schwarzes Loch mit einem Radioteleskop gesehen oder beobachtet werden kann, muss es von Himmelsmaterie umgeben sein, die von ihm eingefangen und angesammelt wird, oder zumindest von der Bewegung von Himmelskörpern, die davon beeinflusst wird. Befindet sich um das Schwarze Loch nichts oder nur eine sehr geringe Menge an Partikeln, gibt es keine neue Akkretionsscheibe und der Himmelskörper ist sehr weit entfernt und kann nicht vom Schwarzen Loch beeinflusst werden, dann ist das Schwarze Loch still und kann nicht beobachtet werden.

Theoretisch gibt es im Universum eine riesige Anzahl Schwarzer Löcher, in Wirklichkeit wurden jedoch nur sehr wenige Schwarze Löcher beobachtet. Beobachtungen haben ergeben, dass sich im Kern fast jeder Galaxie ein supermassereiches Schwarzes Loch befindet. Wissenschaftler schätzen, dass es im gesamten beobachtbaren Universum etwa 400 Billionen Schwarze Löcher geben könnte. Allein in der Milchstraße gibt es möglicherweise Hunderte Millionen Schwarzer Löcher, doch bisher wurden nur ein Dutzend davon beobachtet.

Da Schwarze Löcher im Allgemeinen sehr weit von uns entfernt sind, ist es für Wissenschaftler sehr schwierig, sie zu fotografieren. Beispielsweise wurden für die Fotos der Schwarzen Löcher M87 und Sagittarius A* im Zentrum unserer Milchstraße zahlreiche Radioteleskopressourcen aus der ganzen Welt mobilisiert. Durch die Vernetzung entstand ein Radioteleskop-Array von der Größe der Erde. Hunderte Wissenschaftler aus verschiedenen Ländern arbeiteten zusammen und nach mehreren Jahren des Fotografierens, Parsens und der Datenanalyse gelang es ihnen schließlich, die beiden Fotos des Schwarzen Lochs zu synthetisieren.

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