Schwarze Löcher & Co. / Einsteiger-Tour Teil 3: Supermassive Schwarze Löcher

Schon relativ bald nach dem Beginn der Radioastronomie erhielten die Astronomen erste Einblicke in die Vielfalt der aktiven Galaxienkerne. Ein Beispiel zeigt die folgende Abbildung:

Radiogalaxie Cygnus A
© NRAO/AUI/NSF

Dieses Falschfarbenbild von Beobachtungen im Radiobereich zeigt eine Radiogalaxie (den winzigen Punkt in der Mitte), die nach links und nach rechts höchst energetische Teilchenstrahlen aussendet. Die Strahlen werden durch Zusammenstöße mit dem intergalaktischen Gas abgebremst und regen riesige Gebiete davon zum Leuchten an (die großen Blasen links und rechts).

Doch woher beziehen diese und ähnliche aktive Galaxien ihre gewaltige Energie? Recht bald wurde klar, dass nur eine Energiequelle infrage kommt: Der Prozess, bei dem Materieteilchen, der Gravitation folgend, auf eine Masse zu fallen, dabei an Energie gewinnen und das Materiegemisch durch gegenseitige Kollisionen aufheizen; einer der effizientesten Prozesse überhaupt, um Energie freizusetzen.

Als zentrale Masse wiederum kamen nur Objekte mit Massen und Ausmaßen infrage, bei denen es sich um wahre kosmische Massemonster handeln musste: sogenannte supermassive Schwarze Löcher, die in sich die Massen von Millionen von Sonnen vereinigen.

Nach heutiger Vorstellung der Astronomen sind supermassive Schwarze Löcher in Galaxienkerne eher die Regel als die Ausnahme. Nicht nur in aktiven Galaxien, sondern ganz generell: Auch unsere eigene Galaxie, die Milchstraße enthält ein Schwarzes Loch (siehe das Vertiefungsthema / Im Herzen der Milchstraße).

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Definitioner

Gravitation

In der klassischen Physik äußert sich die Gravitation als Gravitationskraft, als Fernkraft, aufgrund derer sich alle Körper, die eine Masse besitzen, gegenseitig anziehen (siehe Newtonsche Gravitation), Synonym: Schwerkraft. Das zugehörige Feld ist das Gravitationsfeld (wie Kraft und Feld zusammenhängen, beschreibt das Vertiefungsthema Von der Kraft zum Feld).

In Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie: Der Umstand, dass Materie, die Masse, Energie oder Druck besitzt die Raumzeit verzerrt und das diese Verzerrung umgekehrt auf die in der Raumzeit enthaltene Materie zurückwirkt.

Eine Einführung in die Grundideen der allgemeinen Relativitätstheorie liefert der Abschnitt Allgemeine Relativitätstheorie von Einstein für Einsteiger. Speziell dem Thema, was Gravitation in Einsteins Theorie denn nun eigentlich ist, widmet sich das Vertiefungsthema Gravitation: Vom Fahrstuhl zur Raumzeitkrümmung. Näheres dazu, welche Eigenschaften der Materie für ihre Gravitationswirkung entscheidend sind, bietet das Vertiefungsthema Masse und mehr.

Radiogalaxie

Eine Variante der aktiven Galaxienkerne, junger Galaxien, deren Zentralbereich extrem viel Energie abstrahlt. Radiogalaxien zeichnen sich durch sehr hohe Radioabstrahlung aus (größer als 10³⁵ Watt), deren Quellen auch außerhalb des sichtbaren Teils der Galaxie liegen. Üblicherweise stehen dahinter Radioblasen, Gasbereiche, die von sogenannten Jets zum Leuchten angeregt werden. Energiequelle ist nach heutiger Auffassung das supermassive Schwarze Loch im Galaxienkern.

Radiobereich

Abschnitt des Spektrums elektromagnetischer Strahlung, der Frequenzen von einigen Tausend bis einigen Milliarden Schwingungen pro Sekunde umfasst, entsprechend Wellenlängen von einigen Kilometern bis einigen Zentimetern. Wie der Name schon sagt: Dies sind die elektromagnetischen Wellen, dank derer Radio- und Fernsehsendungen vom Funkturm über Antennen ins Empfangsgerät gelangen. Auch die Beobachtungen kosmischer Radiowellen im Rahmen der Radioastronomie hat sich als äußerst interessant erwiesen.

Punkt

"Elementarbaustein" von geometrischen Gebilden wie Flächen oder im Allgemeinen von Räumen. Eine Fläche ist beispielsweise zunächst einmal die Summe aller ihrer Punkte, aller Orte auf der Fläche, und auch geometrische Gebilde in dieser Fläche sind durch ihre Punkte definiert - beispielsweise eine aus (unendlich vielen) Punkten gebildete Linie in der Fläche.

Milchstraße

Unsere Heimatgalaxie, eine Spiralgalaxie mit einem Scheibendurchmesser von rund hunderttausend Lichtjahren und einer Scheibendicke zwischen drei- und sechstausend Lichtjahren, die rund 100 Milliarden Sterne enthält.

Nähere Informationen zum supermassiven Schwarzen Loch im Kern unserer Milchstraße bietet das Vertiefungsthema Im Herzen der Milchstraße

Gas

Im engeren Sinne: Zustandsform (Aggregatzustand) der Materie, bei der die Atome oder Moleküle wild durcheinanderfliegen, ohne aneinander gebunden zu sein. Die Bewegung der Gasmoleküle führt zu einem inneren Druck, ihre mittlere Bewegungsenergie ist das Maß für die Temperatur des Gases. Vergleiche auch die anderen Aggregatzustände: Flüssigkeit, Festkörper, Plasma. Im weiteren Sinne wird Gas auch für andere Gemische ungeordnet durcheinanderfliegender Teilchen gebraucht, etwa beim Elektronengas, dessen Druck einen Weißen Zwerg vor dem Kollaps bewahrt.

Energie

Physikalische Größe, die sich dadurch auszeichnet, dass bei physikalischen Prozessen niemals Energie erzeugt oder vernichtet, sondern lediglich bestimmte Energieformen ineinander umgewandelt werden.

Beispiele für spezielle Energieformen sind Bewegungsenergie, Wärmeenergie und die Energie elektromagnetischer Strahlung.

Für Alltagsanwendungen ist dabei besonders interessant, dass bei Energieumwandlungen Arbeit verrichtet werden kann, wenn etwa elektrische Energie in Bewegungsenergie umgewandelt wird (wie in einer elektrischen Lokomotive, die einen Zug in Bewegung setzt) oder in Wärmeenergie (wie in einer elektrischen Heizdecke).

Wichtige Aussage der Speziellen Relativitätstheorie ist, dass Energie und Masse einander komplett äquivalent sind - zwei Möglichkeiten, um letzendlich dieselbe physikalische Größe zu definieren. Siehe das Stichwort Masse-Energie-Äquivalenz.

Im Rahmen der Allgemeinen Relativitätstheorie trägt auch Energie zur Gravitationswirkung bei (siehe hierzu das Vertiefungsthema Masse und mehr).

Schwarzes Loch

Raumgebiet, das im Vergleich mit seiner Ausdehnung so viel Masse enthält, dass sich eine kosmische Einbahnstraße bildet - eine Raumregion, in die Materie und Licht zwar von außen hereinfallen können, welche aber von nichts und niemandem, jemals wieder verlassen werden kann. Grundlegende Informationen zu diesem zentralen Phänomen der Einsteinschen allgemeinen Relativitätstheorie sind im Abschnitt Schwarze Löcher und Co. von Einstein für Einsteiger zu finden. Im Rahmen von Einsteins Theorie gilt: Da Schwarzen Löchern nichts entkommen kann, sind sie tatsächlich schwarz - sie strahlen insbesondere keinerlei Licht ab. Bezieht man die Quantentheorie mit ein, ergibt sich jedoch, dass Schwarze Löcher trotzdem strahlen - sie senden so genannte Hawkingstrahlung aus. Für die astrophysikalischen Schwarzen Löcher (mit Massen größer als die Sonnenmasse) ist dieser Effekt freilich so klein, dass er selbst in direkter Nachbarschaft des Schwarzen Lochs mit heutigen Sensoren nicht nachweisbar wäre. Informationen zu einer Reihe weiterer Aspekte der Physik Schwarzer Löcher finden sich bei den Vertiefungsthemen in der Kategorie Schwarze Löcher & Co..

Masse

In der klassischen Physik spielt die Masse eines Köpers drei Rollen gleichzeitig. Zum einen ist die Masse ein Maß dafür, wie leicht sich der Bewegungszustand eines Körpers ändern lässt ("träge Masse"). Fliegen an einem schwerelosen Raumfahrer ein Elefant und eine Maus vorbei, und gibt der Raumfahrer jedem der Tiere einen Schubs gleicher Stärke, dann ist der Umstand, dass die Maus ihre Flugrichtung und/oder Geschwindigkeit daraufhin sehr stark ändert, der Elefant dagegen kaum, sicheres Zeichen dafür, dass die Masse des Elefanten wesentlich größer ist als die der Maus. Zweitens ist die Masse ein Maß dafür, aus wieviel Materie ein Körper besteht. Atome ein und derselben Sorte haben dieselbe Masse, und die Gesamtmasse eines Körpers ergibt sich, indem man all die winzigen Massen seiner atomaren Bestandteile zusammenzählt. Drittens bestimmt die Masse gemäß dem Newtonschen Gravitationsgesetz, wie stark ein Körper andere Körper über die Schwerkraft anzieht und wie stark andere Massen ihn anziehen ("schwere Masse"). Auch in der Speziellen Relativitätstheorie lässt sich eine Masse definieren, die ein Maß dafür darstellt, wie stark sich der Körper Versuchen wiedersetzt, seinen Bewegungszustand zu ändern. Diese relativistische Masse ist allerdings davon abhängig, wie schnell sich der betreffende Körper gegenüber dem Beobachter bewegt (relativistische Massenzunahme). Ihren berühmtesten Auftritt hat diese Masse in der Formel E = mc² (Masse-Energie-Äquivalenz). Den kleinsten Wert hat die relativistische Masse eines gegebenen Körpers für einen Beobachter, der sich relativ zum Körper in Ruhe befindet. Dies ist die so genannte Ruhemasse des Körpers, und wenn etwa in der relativistischen Teilchenphysik von Masse die Rede ist, ist meist die Ruhemasse gemeint. Die Ruhemasse ist wie in der klassischen Physik eine Art Maß für den Materiegehalt des Körpers. Bei zusammengesetzten Körpern tragen nun aber beispielsweise die Energien der Bindungskräfte etwas zur letztendlichen Masse bei (wieder ein Beispiel für die Masse-Energie-Äquivalenz. In der Allgemeinen Relativitätstheorie ist die Masse nach wie vor ein Maß für die Gravitationswirkung, die von einem Körper ausgeht; zusätzlich zur Masse tragen hier allerdings auch Größen wie Energie, Impuls und innerer Druck bei (siehe hierzu das Vertiefungsthema Masse und mehr). Die Maßeinheit der Masse im internationalen Einheitensystem ist das Kilogramm. Mit der Definition von träger und schwerer Masse - Masse als Trägheitsmaß und "Gravitationsladung" - und mit dem Zusammenhang dieser Definitionen mit dem so genannten Äquivalenzprinzip, einem der Ausgangspunkte der Entwicklung der Allgemeinen Relativitätstheorie, beschäftigt sich das Vertiefungsthema Träge und schwere Masse.

Galaxie

Sterne sind keine Einzelgänger, sondern sind im All in der Regel in Ansammlungen von Millionen, Milliarden oder noch mehr Sternen vertreten, eben den Galaxien. Auch unsere Sonne ist Teil einer Galaxie, der Milchstraße. Die griechische Form Galaxis wird in der Regel nur für unsere Milchstraße verwandt. Junge Galaxien können ein sehr turbulentes Dasein führen. Beispiele für junge, aktive Galaxienkerne sind Radiogalaxien und Quasare.

Falschfarbenbild

Nur ein kleiner Teil astronomischer Beobachtungen betrifft Licht, also elektromagnetische Strahlung, die das menschliche Auge sehen kann. Um das Erscheinungsbild von Himmelsausschnitten in anderen Wellenlängenbereichen, etwa im Infrarotlicht, im Radiobereich oder im Röntgenlicht, anschaulich darzustellen, werden den verschiedenen Wellenlängen willkürlich Farben zugeordnet.

In ähnlicher Weise lassen sich auch Größen in Farben übersetzen, die überhaupt keiner elektromagnetischen Strahlung entsprechen.

NRAO (National Radio Astronomy Observatory)

US national institute for radio astronomy, located in Charlottesville, Virginia. Responsible for operating the Very Large Array of radio telescopes in New Mexico and the Very Large Baseline Array, an array of ten far-apart radio telescopes. NRAO website

Schwarze Löcher & Co. / Einsteiger-Tour Teil 3: Supermassive Schwarze Löcher

Schon relativ bald nach dem Beginn der Radioastronomie erhielten die Astronomen erste Einblicke in die Vielfalt der aktiven Galaxienkerne. Ein Beispiel zeigt die folgende Abbildung:

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