Auf den Spuren unsichtbarer Schwarzer Löcher: Gravitationseinfluss und Auswirkungen auf nahegelegene Sterne

Was ist ein Schwarzes Loch?

Schwarze Löcher sind astrophysikalische Objekte, deren Gravitationsfeld so intensiv ist, dass kein Licht entweichen kann, was sie unsichtbar macht. Hierbei handelt es sich um Objekte, die durch den Gravitationskollaps des Kerns massereicher Sterne (Supernova) entstehen. Diese Realität wurde bereits im 18. Jahrhundert vonJohn Michell(1724 - 1793) wird heute streng durch die Allgemeine Relativitätstheorie beschrieben, die den Ereignishorizont als die unüberwindbare Grenze für jedes Teilchen oder jede Strahlung definiert.

Indirekte Beobachtung durch Gravitationswechselwirkungen

Ein Schwarzes Loch lässt sich anhand seines gravitativen Einflusses auf seine Umgebung erkennen. In der Astrophysik bedeutet dies die Untersuchung der Bewegung von Sternen oder Gas in einer Region, in der keine Lichtquelle sichtbar ist.

• Sterngeschwindigkeitskurven:Durch die Messung der Umlaufgeschwindigkeiten von Sternen in der Nähe einer kompakten Region können wir auf die Masse des zentralen Objekts schließen. Eine nicht sichtbare überschüssige Masse ist ein starker Hinweis auf ein Schwarzes Loch, beispielsweise im Zentrum der Milchstraße bei Sagittarius A*.
• Gravitationslinse:Die Ablenkung von Lichtstrahlen durch das intensive Gravitationsfeld kann durch Gravitationslinsen auch ein isoliertes Schwarzes Loch sichtbar machen.

Röntgenstrahlen von Akkretionsscheiben

Schwarze Löcher ziehen in der Akkretionsphase umgebende Materie an, die eine heiße Scheibe bildet, die sich mit hoher Geschwindigkeit dreht. Durch innere Reibung steigt die Temperatur der Scheibe auf mehrere Millionen Kelvin, was zur Emission von Röntgenstrahlen führt, die von speziellen Satelliten (z. B. Chandra, XMM-Newton) erfasst werden können.

Das Spektrum und die Variabilität der Röntgenstrahlung geben Aufschluss über Masse, Rotationsgeschwindigkeit (Spin) und Struktur der Umgebung des Schwarzen Lochs.

Radiobeobachtung und direkte Bildgebung

Das historische Bild des Schattens des supermassereichen Schwarzen Lochs M87 durch das Event Horizon Telescope (EHT) im Jahr 2019 war ein großer Durchbruch. Dieses globale Netzwerk von Radioteleskopen arbeitet mit der Interferometrie mit sehr langer Basislinie (VLBI), die eine ausreichende Winkelauflösung ermöglicht, um den Schatten des Schwarzen Lochs zu „sehen“, das von der Akkretionsscheibe umgeben ist.

Gravitationswellenerkennung

Die Verschmelzung binärer Schwarzer Löcher erzeugt Gravitationswellen, die von Bodeninterferometern (LIGO, Virgo, KAGRA) erfasst werden. Bei diesen Wellen handelt es sich um Verformungen der Raumzeit, die mit hochempfindlichen Laserinterferometern gemessen werden, die Längenschwankungen in der Größenordnung von 10 erfassen können^-19Herr.

Durch die Wellenformanalyse können die Massen, Spins und Abstände der beobachteten Systeme extrahiert werden, was einen neuen Beobachtungskanal für die Untersuchung der extremen Physik von Schwarzen Löchern bietet.

Tabelle: Zusammenfassung der Methoden zur Beobachtung von Schwarzen Löchern

Quellen:
• Misner, C.W., Thorne, K.S., Wheeler, J.A., Gravitation, 1973.
• Abbott B. et al., Beobachtung von Gravitationswellen aus der Verschmelzung binärer Schwarzer Löcher,Phys. Rev. Lett. 116, 2016.
• Zusammenarbeit mit dem Event Horizon Telescope,Erste Ergebnisse des M87 Event Horizon Telescope, Astrotrophen. J. Lett. 875, 2019.
• NASA-Röntgenobservatorium Chandra,https://chandra.harvard.edu

Gibt es Schwarze Löcher schon immer?

Schwarze Löcher sind nicht nur das Ergebnis der Sternentwicklung: Einige könnten bereits in den ersten Sekunden nach dem Urknall existiert haben. Wir reden dann darüberUrschwarze Löcher. Im Gegensatz zu stellaren Schwarzen Löchern wären diese hypothetischen Objekte nicht durch den Zusammenbruch von Sternen entstanden, sondern durch extreme Dichteschwankungen im frühen Universum, die durch die schnelle Expansion während des Universums verstärkt wurdenkosmische Inflation.

Physikalischen Modellen zufolge könnten bestimmte Regionen des Weltraums lokal eine kritische Dichte überschritten haben, was zu einem sofortigen Gravitationskollaps geführt hätte. Wenn diese ursprünglichen Schwarzen Löcher tatsächlich existierten (oder noch existieren), könnten sie sehr unterschiedliche Massen haben, die von weniger als einem Asteroiden bis zu mehreren tausend Sonnenmassen reichen. Ihre Anwesenheit könnte insbesondere dazu beitragen, einen Teil davon zu erklärendunkle Materie, obwohl noch kein direkter Nachweis ihre Existenz bestätigt hat.

In diesem Sinne sind Schwarze Löcher nicht nur aus Sternen entstandene Objekte, sondern könnten auch Zeugen der extremen Bedingungen des frühen Universums sein. Ihre Studie würde es somit ermöglichen, grundlegende Theorien der Physik wie Inflation, Quantengravitation oder Vereinheitlichungsmodelle zu testen.

Referenzen:
• Carr B.J., Hawking S.W., Schwarze Löcher im frühen Universum, MNRAS, 168, 399–416 (1974).
• Carr B.J., Kühnel F., Ursprüngliche Schwarze Löcher als Kandidaten für Dunkle Materie, Annual Review of Nuclear and Particle Science, 70, 355–394 (2020).
• Sasaki M. et al., Ursprüngliche Schwarze Löcher – Perspektiven in der Gravitationswellenastronomie, Classical and Quantum Gravity, 35(6), 063001 (2018).
• Zel’dovich Y.B., Novikov I.D., Relativistische Astrophysik Bd. 1, University of Chicago Press (1971).
• Abbott B. et al. (LIGO Scientific Collaboration und Virgo Collaboration),GWTC-3: Von LIGO und Virgo während des zweiten Teils des dritten Beobachtungslaufs beobachtete kompakte binäre Koaleszenzen,Phys. Rev. X 11, 021053 (2021).