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Schwarze Löcher – Monster im All
Jörn WilmsDr. Karl Remeis-Sternwarte, Bamberg, & ECAP
http://pulsar.sternwarte.uni-erlangen.de/wilms
Black Hole Universe
2
Inhalt 1
Inhalt
• Schwarze Löcher
– prä-Einstein– post-Einstein
• Galaktische Schwarze Löcher
– weiße Zwerge, Neutronensterne, Schwarze Löcher– Akkretion– Stellare Schwarze Löcher
• Das Zentrum der Milchstraße
– . . . ein 106 M� schwarzes Loch!
• Supermassive Schwarze Löcher im Universum
– Aktive Galaxien: 106...8 M� Schwarze Löcher in den Zentrenanderer Galaxien
• Zusammenfassung
3
Schwarze Löcher 1
prä-Einstein
Rev. John Michell: Phil. Trans. R. Soc. London, 74, 35–57 (1784):
Über die Möglichkeit, die Entfernung, Größe usw. der Fixsterne zu bestimmen, als Ergebnis der Verringerungder Geschwindigkeit ihres Lichts, sollte eine solche Verringerung in einem von ihnen gefunden werden, unddaß solche Daten von Beobachtungen gewonnen werden sollten, wie es notwendig wäre, um dieses Ziel zuerreichen.
3
Schwarze Löcher 2
prä-Einstein
Rev. John Michell: Phil. Trans. R. Soc. London, 74, 35–57 (1784):
. . . sollte der Halbmesser einer Kugel mit der gleichen Dichte wie der der Sonne den der Sonne um ein Ver-hältnis von 500 zu 1 übersteigen, . . . dann würde alles von einem solchen Körper emittierte Licht zu ihm auf-grund der Gravitation zurückkehren.
4
Schwarze Löcher 3
Einstein
Albert Einstein (1879–1955)
Spezielle Relativitätstheorie (1905):
• in allen Bezugssystemen hat die Lichtge-schwindigkeit c den gleichen Wert
• Beobachter mit konstanter Geschwindig-keit messen die gleichen physikalischenGesetze
Daraus folgt:=⇒Raum und Zeit sind relativ
(“4D-Raumzeit”)=⇒E = mc2
(“Masse äquivalent zu Energie”)
4
Schwarze Löcher 4
Einstein
Albert Einstein (1879–1955)
Allgemeine Relativitätstheorie (1916):
• Masse krümmt den Raum (“Metrik”)
4
Schwarze Löcher 5
Einstein
Albert Einstein (1879–1955)
Allgemeine Relativitätstheorie (1916):
• Masse krümmt den Raum (“Metrik”)
• Licht bewegt sich durch gekrümmtenRaum
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Schwarze Löcher 6
Was sind schwarze Löcher?Apfel nach oben geworfen:
Gesamtenergie:
E = Epot + Ekin
Epot = −GMErdemApfel
rErdepotentielle Energie
Ekin =12mApfelv2
kinetische Energie
5
Schwarze Löcher 7
Was sind schwarze Löcher?Apfel nach oben geworfen:
Gesamtenergie:
E = Epot + Ekin
Epot = −GMErdemApfel
rErdepotentielle Energie
Ekin =12mApfelv2
kinetische Energie
Apfel kann dann Erde verlassen, wenn E > 0, d.h. für
v ≥ vEntweich =
√2GMErde
rErde
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Schwarze Löcher 8
Was sind schwarze Löcher?Apfel nach oben geworfen:
Gesamtenergie:
E = Epot + Ekin
Epot = −GMErdemApfel
rErdepotentielle Energie
Ekin =12mApfelv2
kinetische Energie
Apfel kann dann Erde verlassen, wenn E > 0, d.h. für
v ≥ vEntweich =
√2GMErde
rErde
Erde: MErde = 5× 1024 kg, rErde = 6378 km,
vEntweich, Erde = 11.2 km s−1
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Schwarze Löcher 9
Was sind schwarze Löcher?Apfel nach oben geworfen:
Gesamtenergie:
E = Epot + Ekin
Epot = −GMErdemApfel
rErdepotentielle Energie
Ekin =12mApfelv2
kinetische Energie
Apfel kann dann Erde verlassen, wenn E > 0, d.h. für
v ≥ vEntweich =
√2GMErde
rErde
Sonne: M� = 2× 1030 kg, r� = 695500 km,
vEntweich,� = 620 km s−1
5
Schwarze Löcher 10
Was sind schwarze Löcher?Apfel nach oben geworfen:
Gesamtenergie:
E = Epot + Ekin
Epot = −GMErdemApfel
rErdepotentielle Energie
Ekin =12mApfelv2
kinetische Energie
Apfel kann dann Erde verlassen, wenn E > 0, d.h. für
v ≥ vEntweich =
√2GMErde
rErde
Schwarzes Loch: vEntweich ≥ c =⇒ R ≤ 2GMc2∼ 3 km
MM�
.
Schwarze Löcher sind sehreinfache physikalische Ob-jekte, bestimmt durch
• Masse
• (Ladung)
• Drehimpuls
Es ist schwarz und sieht aus wie ein Loch.
Ich würde sagen, es ist ein Schwarzes Loch
8
Stellare Schwarze Löcher 2
Kompakte ObjekteSterne beenden ihr Leben als eines von drei Arten kompakter Objekte:
8
Stellare Schwarze Löcher 3
Kompakte ObjekteSterne beenden ihr Leben als eines von drei Arten kompakter Objekte:
Weißer Zwerg: ρ ∼ 105 ... 106 g cm−3, R ∼ R♁, Gleichgewicht zwischen Gravi-tation und Gas durch Druck ([relativistisch] entarteter) Elektronen,
M < 1.44 M� (Chandrasekhar-Grenze; 1931).
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Stellare Schwarze Löcher 4
Kompakte ObjekteSterne beenden ihr Leben als eines von drei Arten kompakter Objekte:
Weißer Zwerg: ρ ∼ 105 ... 106 g cm−3, R ∼ R♁, Gleichgewicht zwischen Gravi-tation und Gas durch Druck ([relativistisch] entarteter) Elektronen,
M < 1.44 M� (Chandrasekhar-Grenze; 1931).
Neutronenstern: ρ ∼ 1013 ... 1016 g cm−3, R ∼ 10 km, bei dieser Dichte inv.β-Zerfall (p + e−→ n), d.h. Stern hat hohen Neutronenanteil.
1.44 M� < M . 3 M� (Oppenheimer-Volkoff Grenze; 1939).
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Stellare Schwarze Löcher 5
Kompakte ObjekteSterne beenden ihr Leben als eines von drei Arten kompakter Objekte:
Weißer Zwerg: ρ ∼ 105 ... 106 g cm−3, R ∼ R♁, Gleichgewicht zwischen Gravi-tation und Gas durch Druck ([relativistisch] entarteter) Elektronen,
M < 1.44 M� (Chandrasekhar-Grenze; 1931).
Neutronenstern: ρ ∼ 1013 ... 1016 g cm−3, R ∼ 10 km, bei dieser Dichte inv.β-Zerfall (p + e−→ n), d.h. Stern hat hohen Neutronenanteil.
1.44 M� < M . 3 M� (Oppenheimer-Volkoff Grenze; 1939).
Schwarzes Loch: Für M & 3 M�. kein stabiler Zustand bekannt
=⇒ Stern fällt vollständig in sich zusammen
=⇒ Schwarzes Loch
Ereignishorizont bei RS = 3(M/M�) km
8
Stellare Schwarze Löcher 6
Kompakte ObjekteSterne beenden ihr Leben als eines von drei Arten kompakter Objekte:
Weißer Zwerg: ρ ∼ 105 ... 106 g cm−3, R ∼ R♁, Gleichgewicht zwischen Gravi-tation und Gas durch Druck ([relativistisch] entarteter) Elektronen,
M < 1.44 M� (Chandrasekhar-Grenze; 1931).
Neutronenstern: ρ ∼ 1013 ... 1016 g cm−3, R ∼ 10 km, bei dieser Dichte inv.β-Zerfall (p + e−→ n), d.h. Stern hat hohen Neutronenanteil.
1.44 M� < M . 3 M� (Oppenheimer-Volkoff Grenze; 1939).
Schwarzes Loch: Für M & 3 M�. kein stabiler Zustand bekannt
=⇒ Stern fällt vollständig in sich zusammen
=⇒ Schwarzes Loch
Ereignishorizont bei RS = 3(M/M�) km
Entdeckung eines kompakten Objekts mit M > 3 M� =⇒ Schwarzlochkan-didat
9
Stellare Schwarze Löcher 7
AkkretionAstrophysikalische Energiequellen:
1. KernfusionTypische Reaktionen à la
4p −→ 4He + ∆mc2
Freiwerdende Energie:
Kernfusion erzeugt∼6× 1018 erg g−1 = 6× 1011 J g−1
(∆Enuc ∼ 0.007mpc2)
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Stellare Schwarze Löcher 8
AkkretionAstrophysikalische Energiequellen:
1. KernfusionTypische Reaktionen à la
4p −→ 4He + ∆mc2
Freiwerdende Energie:
Kernfusion erzeugt∼6× 1018 erg g−1 = 6× 1011 J g−1
(∆Enuc ∼ 0.007mpc2)
2. GravitationAkkretion von Masse m von∞ nachRS auf Schwarzes Loch M liefert
∆Eacc =GMm
RSwo RS =
2GMc2
Akkretion erzeugt∼1020 erg g−1 = 1013 J g−1
(∆Eacc ∼ 0.1 mpc2)
9
Stellare Schwarze Löcher 9
AkkretionAstrophysikalische Energiequellen:
1. KernfusionTypische Reaktionen à la
4p −→ 4He + ∆mc2
Freiwerdende Energie:
Kernfusion erzeugt∼6× 1018 erg g−1 = 6× 1011 J g−1
(∆Enuc ∼ 0.007mpc2)
2. GravitationAkkretion von Masse m von∞ nachRS auf Schwarzes Loch M liefert
∆Eacc =GMm
RSwo RS =
2GMc2
Akkretion erzeugt∼1020 erg g−1 = 1013 J g−1
(∆Eacc ∼ 0.1 mpc2)
=⇒Akkretion von Material ist die effizienteste astrophysikalische Energie-quelle.
. . . daher sind akkretierende Objekte auch die leuchtkräftigsten im ganzen Universum.
Material fließt von normalem Stern über innerenLagrangepunkt, L1, auf kompaktes Objekt=⇒Ausbildung einer Akkretionsscheibe, mit Tem-
peratur ∼ 107 K=⇒ Röntgen- und Gammastrahlung.
Röntgenastronomie
XMM-Newton (ESA): gestartet 1999 Dec 10 Chandra (NASA): gestartet 1999 Jul 23
Röntgenastronomie
XMM-Newton (ESA): gestartet 1999 Dec 10 Chandra (NASA): gestartet 1999 Jul 23
Weitere Satelliten: International Gamma-Ray Laboratory (INTEGRAL; ESA), Swift (USA),High Energy Transient Explorer (HETE-2; USA), Fermi (USA),
High Energy Solar Spectroscopic Imager Spacecraft (RHESSI; USA), Suzaku (Japan, USA),AGILE (Italien), MAXI (Japan).
13
Stellare Schwarze Löcher 13
Akkretion
Orosz, 2011, priv. Mitt.
14
Stellare Schwarze Löcher 14
Variabilität
50000 51000 52000 53000 54000 55000MJD
0
20
40
60 GX 339−40
20406080 Cyg X−1012345
2000 2005 2010
LMC X−3R
XT
E A
SM
Count R
ate
Galaktische Schwarze Löcher zeigen Variabilität auf allen Zeitskalen!
c© J. Wilms
Infrarot: Staub in MW wird durchlässig!2MASS: 3 IR Bänder: J (1.25µm), H (1.65µm), Ks (2.17µm)
2MASS: Innere 60◦ × 45◦
20
Das galaktische Zentrum 6
Der innere Parsec: Zentraler Sternhaufen
Spitzer telescope: NASA/JPL/S. Stolovy
Zentrum von Sgr A enthält masse-reichen und dichten Sternhaufen(> 106 M� pc−3, vgl. Sonnenum-gebung: 0.1 M� pc−3)
1 Lichtjahr
1994
Genzel/Eckart
1996
Genzel/Eckart
2000
Genzel/Eckart
ESO, Oct 2002
26
Das galaktische Zentrum 12
Der innere Parsec: Massenbestimmung
Ghez et al. (2005) Schödel et al. (2002)
Massenbestimmung: 3. Kepler’sches Gesetz:
a = 5.5 LichttageP = 15.2 Jahre
=⇒ P2
a3=
4π2
G(m∗ + MBH)
26
Das galaktische Zentrum 13
Der innere Parsec: Massenbestimmung
Ghez et al. (2005) Schödel et al. (2002)
Im Zentrum der Milchstraße befindet sich ein schwarzes Loch mit MBH =(3.7± 0.2)× 106 M�
Wolke wird 2013 Flare erzeugen
NGC 3783: lineare Intensitätsskala
NGC 3783: lineare Intensitätsskala logarithmische Intensitätsskala
NGC 3783: lineare Intensitätsskala logarithmische Intensitätsskala
Aktive galaktische Kerne (active galactic nuclei; AGN): supermas-sive Schwarze Löcher (M ∼ 106...8 M�), die 1 ... 2 M�/Jahr akkre-tieren=⇒ Leuchtkraft ∼ 1010 L� (vergleichbar mit Galaxienleuchtkraft)
J. Bergeron, Sky&Telescope
TANAMI: NASA-GSFC, U Würzburg, U Erlangen, U Maryland, MPIfR, UWashington, U Perugia, U Valencia. . .
40
20
0
-20
-40
6040200-20-40-60
-0.3 -0.2 -0.1 0.0 0.1 0.2 0.5 1.0
1.4 1.3 1.2 1.1 1 0.9 0.8 0.6 0.4100-10
10
0
100-10
10
0
β [rg]
α [rg]
Redshift z
E/Ee
Nahe am Schwarzen Loch: extreme relativistische Effekte
(a)Rev. 1491-1494
1
0.1
0.01
(b) Single Refl.1.5
1
0.5
(c) Double Refl.1.5
1
0.5
(d) Double Refl. + Wind
520.5 101
1.5
1
0.5
(a)Rev. 1971-1974
(b) Single Refl.
(c) Double Refl.
(d) Double Refl. + Wind
520.5 101
νFν[10−
12×
ergss−
1cm
−2]
Ratio
Ratio
Energy [keV]
Ratio
Energy [keV]
Dauser et al., 2012
Beobachtungen verbreiterter Emissionslinien sind Evidenz für relativistische Ge-schwindigkeiten (>100000 km s−1) und starke Raumkrümmung.
Frühes Universum: “Baby-Galaxien”
Maßstab: 15′ × 15′; courtesy NASA/JHU/AUI/R.Giacconi et al.
Chandra DeepField South: 1 Msec(10.8 Tage) Beobach-tung im Röntgenbe-reich in einer Region imSternbild Fornax =⇒ Al-le Objekte sind super-massive Schwarze Lö-cher!
Spectrum-X-Γ
=⇒ Spectr-RG:• Röntgendurchmusterung
des gesamten Himmels(4 Jahre)• mit weitem Abstand emp-
findlichste Suche nachschwarzen Löchern• Russischer Satellitenbus• Experimente:
– eROSITA: MPE, IAATübingen, Potsdam,Hamburg, Erlangen-Nürnberg, Industrie(∼50 Mio Euro)
– ART-XC: Roscosmos• Start: 2014, Laufzeit>7 Jahre
44
Zusammenfassung 1
Zusammenfassung
• Schwarze Löcher sind einfache Objekte: M , J (und Q)
•Wir kennen verschiedene Arten schwarzer Löcher:
– Stellare (galaktische) schwarze Löcher (M ∼ 10 M�)– Zentren normaler Galaxien (M ∼ 106 M�)– Zentren aktiver Galaxien (M ∼ 106. . . 108 M�)
• Astrophysikalische Methoden erlauben es, das Verhalten von Materie unterextremsten Bedingungen zu studieren.
• Schwarze Löcher kommen im ganzen Universum vor
ständig verstandener Ursachen das Apartment von
Darren Belsky in das Zentrum eines schwarzen Lochs.
Urplötzlich verwandelte sich aufgrund noch nicht voll−
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