Astronomie

Das statisch isolierte Schwarze Loch


Das einfachste idealisierte Schwarze Loch ist das statische isolierte Schwarze Loch. Echte Sterne oder Schwarze Löcher rotieren und sind nicht statisch. Schwarze Löcher in Doppelsternsystemen werden nicht isoliert sein. Auch wenn der idealisierte Fall nicht sehr realistisch ist, so hilft er uns doch, die Eigenschaften statischer isolierter Schwarzer Löcher zu verstehen.

Statische isolierte Schwarze Löcher

Physiker nähern sich schwierigen Problemen oft, indem sie idealisierte Näherungen vornehmen, um ein grundlegendes Verständnis zu erlangen. Sie fügen dann weitere Komplexitäten hinzu, um ein realistischeres Verständnis der realen Situation zu erhalten.

Ereignishorizont eines statischen isolierten Schwarzen Lochs

Die Begrenzung des Schwarzen Lochs wird als Schwarzschild-Radius oder Ereignishorizont bezeichnet. An dieser Grenze ist die Fluchtgeschwindigkeit gleich der Lichtgeschwindigkeit. Von außerhalb des Schwarzschild-Radius ist es möglich, dem Schwarzen Loch zu entkommen, indem man sich mit Lichtgeschwindigkeit nach außen bewegt.

Von der Innenseite des Schwarzen Lochs aus ist keine Flucht möglich, da die Fluchtgeschwindigkeit die ultimative Geschwindigkeitsgrenze des Universums, die Lichtgeschwindigkeit, überschreitet.

Für einen Stern mit der Masse der Sonne beträgt der Schwarzschild-Radius etwa 3 km. Seine Größe ist linear proportional zu der kollabierten Masse. Ein Schwarzes Loch von zwei Sonnenmassen hätte einen Schwarzschildradius von 6 Kilometern. Ein Schwarzes Loch mit einer Masse von 10 Sonnenmassen hätte einen Radius von 30 Kilometern und so weiter.

Umfang anstelle von Radius

Astrophysiker, die sich mit schwarzen Löchern befassen, machen sich Sorgen über eine technische Frage. Im normalen flachen Raum stehen Durchmesser und Umfang eines Kreises oder einer Kugel in einem einfachen und bekannten Verhältnis. Der Umfang ist einfach pi mal der Durchmesser.

In der Nähe eines Schwarzen Lochs ist der Raum jedoch so verzerrt, dass diese einfache Beziehung nicht mehr gilt. Da der Umfang eines statischen, isolierten Schwarzen Lochs weiter vom Zentrum dieser Verzerrung entfernt ist, ist er weniger verzerrt als der Durchmesser oder Radius. Daher sprechen Astrophysiker, die sich mit Schwarzen Löchern beschäftigen, oft lieber vom Umfang als vom Radius eines Schwarzen Lochs.

Die meisten Menschen sind jedoch eher mit dem Radius eines Kreises oder einer Kugel vertraut als mit dem Umfang. Daher ignorieren viele diese technische Besonderheit. Wenn vom Radius eines Schwarzen Lochs die Rede ist, ist damit der Radius gemeint, den es hätte, wenn der Raum durch die Anwesenheit des Schwarzen Lochs nicht so verzerrt wäre.

Photonenkugel

Aus dem Ereignishorizont eines statischen, isolierten Schwarzen Lochs kann nichts entkommen. Von knapp außerhalb des Ereignishorizonts ist es möglich, mit Lichtgeschwindigkeit zu entkommen, aber die Flucht erfolgt nicht automatisch.

Ein Space Shuttle muss mit Fluchtgeschwindigkeit gestartet werden, um der Schwerkraft der Erde zu entkommen, aber es gibt noch eine weitere Voraussetzung. Es muss ziemlich genau gerade nach oben starten. Andernfalls würde die Rakete zur Erde zurückfallen, selbst wenn sie mit ihrer Fluchtgeschwindigkeit gestartet wird.
Für die Flucht von knapp außerhalb des Ereignishorizonts gelten ähnliche Anforderungen.

Ein Lichtphoton, das sich natürlich mit Lichtgeschwindigkeit fortbewegt, kann knapp außerhalb des Ereignishorizonts entkommen, aber es muss sich fast gerade nach außen bewegen. Die Richtungen sind nahe genug an der Geraden, dass sie dem Photon erlauben, aus einem Kegel zu entkommen, der Austrittskegel genannt wird.

Photonen außerhalb des Ereignishorizonts, die sich außerhalb des Austrittskegels nach außen bewegen, fallen in das Schwarze Loch zurück, auch wenn sie sich schneller als mit der Fluchtgeschwindigkeit bewegen. Ein Photon, das am Rande des Austrittskegels nach außen gerichtet ist, wird weder aus dem statischen, isolierten Schwarzen Loch entkommen noch in dieses zurückfallen.

Es wird einfach um das Schwarze Loch kreisen. Dieser Bereich außerhalb des Ereignishorizonts, in dem die Gravitationskraft stark genug ist, um es den Photonen zu ermöglichen, das statische isolierte Schwarze Loch zu umkreisen, wird als Photonensphäre bezeichnet.

Innerhalb des Ereignishorizonts eines statischen isolierten Schwarzen Lochs

Innerhalb des Ereignishorizonts hat ein statisches isoliertes Schwarzes Loch einen Singularitätspunkt im Zentrum, in dem sich die gesamte Masse befindet. Der Ereignishorizont eines statischen isolierten Schwarzen Lochs oder der Schwarzschild-Radius umgibt die Singularität und stellt die Grenze dar, an der die Fluchtgeschwindigkeit gleich der Lichtgeschwindigkeit ist.

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Beschleunigung eines statischen Beobachters in der Nähe des Ereignishorizonts eines statischen isolierten Schwarzen Lochs

Das einfallende Photon, das einfallende Teilchen und der ruhende Beobachter in der Nähe des Horizonts eines statischen isolierten Schwarzen Lochs

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