Schwarze Löcher - Entstehung, Arten und Theorien

Schlagwörter:
Entstehung eines schwarzen Loches, Was passiert, wenn man in ein schwarzes Loch fällt?, Arten, Singularität, Referat, Hausaufgabe, Schwarze Löcher - Entstehung, Arten und Theorien
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Referat

Schwarze Löcher (Referat)

Gliederung / Inhalt

  1. Was ist ein schwarzes Loch?
  2. Geschichte
  3. Entstehung
  4. Was passiert, wenn man in ein schwarzes Loch fällt?
  5. Arten von Schwarzen Löchern
  6. Theorien
  7. Extras

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Das ist ein schwarzes Loch und wer dachte Chuck Norris ist stark oder dass unsere Sonne groß ist, der sollte sich nicht mit einem schwarzen Loch anlegen. Servus Leute, wisst ihr schon, was ein schwarzes Loch ist, dessen Geschichte und die Entstehung von einem? Auf jeden Fall wisst ihr es gleich! Dazu schauen wir uns noch die Situation an, in ein schwarzes Loch zu fallen (Daily Bussines würd' ich sagen), die Arten von den schwarzen Löchern und verschiedene Theorien werden auch genauer unter die Lupe genommen.

1. Was ist ein schwarzes Loch?

  • Objekt, an dessen Oberfläche die Schwerkraft so stark ist, dass nichts dieses Objekt verlassen kann - noch nicht einmal Licht. (Deswegen schwarz)
  • Schwarze Löcher kann man nicht direkt beobachten, sondern nur durch ihre Auswirkungen auf ihre Umgebung auf ihre Existenz schließen, zum Beispiel durch intensive Röntgenstrahlung, die von der extrem erhitzten Materie abgestrahlt wird, die gerade in ein Schwarzes Loch hineingesaugt wird.
  • Supermassereiche Schwarze Löcher können die Millionen bis Milliardenfache Masse unserer Sonne haben und finden sich vermutlich in den Zentren der Galaxien.

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2. Geschichte

Schwarze Löcher wurden erstmals von dem englischen Geologen John Mitchell "entdeckt", und zwar vor zweihundert Jahren. Er stellte die Theorie auf, dass es möglich sei, dass Gravitation so stark sein könnte, dass wirklich nichts - nicht einmal Licht - ihr entfliehen könnte. Für ein solches Phänomen müsste ein Objekt sehr dicht sein. Mitchell nannte diese Objekte "dunkle Sterne". 1916 errechnete Karl Schwarzschild eine Gleichung zu Gravitationsfeldern, indem er Einsteins Gleichung zur einheitlichen Feldtheorie benutzte. Seine Kalkulationen nennt man heute eine Schwarzschild Singularität. Wissenschaftler glauben heute, dass eine solche Singularität im Zentrum eines Schwarzen Loches liegt. John Wheeler benannte 1960 erstmals ein solches Phänomen als ein Schwarzes Loch.

Schauen wir uns mal die Entstehung eines schwarzen Loches an

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3. Entstehung

1. Möglichkeit (zeichnen!)

Dazu brauchen wir einen Stern (unsere Sonne ist beispielsweise ein Stern). Dieser leuchtet mal für ein paar Millionen Jahre, dann hat er keinen Brennstoff mehr. Ohne Brennstoff geht nichts mehr und er „stirbt“. Jetzt kommt etwas ganz Wichtiges: Wenn ein Stern dreimal mehr Gewicht hat als unsere Sonne, dann wird er zu einem schwarzen Loch. Ist der Stern leichter, wird er zu einem Neutronenstern oder einem weißen Zwerg.

Wir bleiben aber bei unserem schwarzen Loch und bei unserem Stern mit drei Sonnenmassen. Schauen wir uns dazu den Stern mal an, auf einen Stern wirken zwei Kräfte: die Gravitationskraft (Schwerkraft) möchte den Stern zusammenziehen. Durch Verbrennen des Brennstoffes im Stern ist da aber eine enorme Hitze, das ist der Strahlungsdruck, der wirkt der Gravitationskraft entgegen und der Stern bleibt damit stabil, weil die zwei Kräfte in entgegengesetzte Richtungen wirken.

In diesem Fall haben wir aber keinen Brennstoff mehr, dann gibt es auch keine Strahlung mehr und damit kein Strahlungsdruck. Zurück bleibt die Gravitationskraft.

Die Gravitationskraft lässt den Stern in BRUCHTEILEN VON SEKUNDEN kollabieren. „Kollabieren“ bedeutet, dass der Stern mit einem Umfang von 10 Millionen Kilometer oder noch größer in Bruchteilen von Sekunden unglaublich klein wird. Die Gravitationskraft drückt einfach alles in den Sternmittelpunkt und wie der aussieht, weiß keiner so genau. Auf jeden Fall muss dort nun der ganze vorher riesige Stern ganz klein und kompakt sein. Wenn vorher der Abstand der einzelnen Atome als Beispiel die Distanz von New York nach Berlin war, dann ist sie jetzt wahrscheinlich nur noch so groß wie ihr vom Kühlschrank weg seid oder sogar noch kleiner.

So fällt auch der Stern in sich zusammen und je dichter und massereicher das schwarze Loch ist, desto größer wird auch seine Anziehungskraft.

Fun Fact: Unsere Erde müsste kleiner als ein Kubikzentimeter sein, um ein schwarzes Loch zu werden.

2. Möglichkeit

Hierbei folgt die Existenz eines schwarzen Loches zwingend aus der Kopplung von Masse und Raumzeitkrümmung. Berechnet man den Sternaufbau eines Sterns mit den Formeln der Relativitätstheorie ergibt sich eine obere Grenzmasse. Erreicht ein Stern langsam diese Masse, kann die Gewichtslast nicht mehr durch einen entsprechenden Druckanstieg kompensiert werden. Der Stern wird dadurch immer kleiner. Er wird zum schwarzen Loch. Natürlich steckt hinter dieser Möglichkeit viel mehr, aber das würde das Referat nur langweiliger und länger machen. Dazu ist es immer noch Gegenstand aktueller Forschung.

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4. Was passiert, wenn man in ein schwarzes Loch fällt?

Ein todesmutiger Astronaut begibt sich also in die Nähe eines Schwarzen Loches. Er wird wahrscheinlich sofort von der Gravitation ergriffen oder angesaugt werden, wobei die Kräfte unterschiedlich stark wirken. Die Gravitation wirkt nämlich umso schwächer, je weiter man vom Mittelpunkt einer Masse entfernt ist. Sein Kopf ist 1,80 m weiter als seine Füße vom Schwarzen Loch entfernt und weil der Gravitationsunterschied so groß ist, wird er wie eine Spaghetti in die Länge gezogen. Schließlich wird er immer stärker beschleunigt, bis auf Lichtgeschwindigkeit.

Einen Körper auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigen?

Das ist unmöglich, und deshalb wird der Astronaut zerrissen oder entmaterialisiert und in pure Energie umgewandelt. Nehmen wir an, er ist unbeschadet in das Schwarze Loch hineingefallen. Da dieses nicht vorstellbar ist (eine „unsichtbare Masse“), vergleichen wir es hier mit einem Tunnel.

Dieser Tunnel hat die seltsame Eigenschaft, dass man von außen gesehen nie das Ende erreicht (bzw. je wieder aus dem Loch herauskommt), obwohl er von außen nur 200 m lang ist.

Wie kann das erklärbar sein?

Nehmen wir weiterhin an, dass ein Fußgänger mit einer Schrittlänge von 1 m in den Tunnel eintritt, und nach einem Meter auf die Hälfte seiner Größe zusammenschrumpft, wobei seine Schrittlänge ebenfalls halbiert wird. Also ist der Tunnel für den durchquerenden Körper unendlich lang. Bei dieser ersten Variante kann er nie den Tunnel durchqueren, von außen gesehen.

In der zweiten Variante soll der durchquerende Körper es aus seiner Sicht schaffen, durch den Tunnel zu gelangen. Die halbierte Schrittlänge gleicht sich hierbei dadurch aus, dass seine Geschwindigkeit immer nach einem Schritt verdoppelt wird, bis sie schließlich unendlich wird. Bei unendlicher Eigengeschwindigkeit vergeht für ihn keine Zeit mehr, also kann er in einer Sekunde eine unendliche Strecke zurücklegen und wieder aus dem Tunnel herauskommen. Wenn er wieder herauskommt, ist allerdings im übrigen Universum eine unendliche Zeitspanne vergangen.

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Ich sehe schon, eure Köpfe rauchen. Dann schauen wir uns jetzt noch schnell die Arten von schwarzen Löchern an.

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5. Arten von Schwarzen Löchern

Alle Schwarzen Löcher haben die gleiche Grundstruktur: ein Ereignishorizont umgibt die Singularität im Zentrum, aber es gibt verschiedene Arten (Metriken):

Metriken für schwarze Löcher

statische J = 0 rotierend J ≠ 0
ungeladen Q = 0 Schwarzschild-Metrik Kerr-Metrik
geladen Q ≠ 0 Reissner-Nordström-Metrik Kerr-Newman-Metrik
: Elektrische Ladung; :Drehimpuls

Weitere Unterscheidungen:

  • Winzige (so groß wie ein Atom und so schwer wie ein Berg)
  • Mittelgroße (einige km Durchmesser, etliche Sonnenmassen schwer)
  • Supermassive (viele Milliarden Sonnenmassen, Größe vieler Sonnensysteme)

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6. Theorien

  • Es wird angenommen, dass unser Universum durch ein supermassives Schwarzes Loch entstanden ist
  • Das Universum expandiert bis zu einem bestimmten Zeitpunkt, ab dem es sich wieder zusammenzieht bis zum Kollaps; die ganze Masse des Universums ist auf einen Punkt konzentriert und es entsteht ein neuer Big Bang
  • Schwarze Löcher befinden sich in der Mitte einer Galaxie und nehmen 90 % der Masse der Galaxie ein, der sogenannten schwarzen Masse.

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7. Extras

Singularität

Eine Singularität ist ein theoretischer Punkt im vierdimensionalen Raum (unsere bekannten drei Dimensionen plus die Zeit), in dem unsere physikalischen Gesetze keine Gültigkeit mehr haben. Eine solche Singularität könnte sich beispielsweise im Zentrum eines schwarzen Loches befinden, wo dann die Materie zu unendlich hoher Dichte komprimiert wäre.

Anmerkung des Autors: Also auf mein Referat habe ich eine Zwei bekommen, das dürfte aber an meinen Vortragekünsten gelegen haben.

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