Schwarze Löcher stellarer Masse

Wenn der Kern eines sehr massereichen Sterns zu schwer ist, um durch irgendeinen Druck gestützt zu werden, kollabiert er unbegrenzt zu einem Schwarzen Loch, einer Region, deren Gravitation so stark ist, dass nicht einmal Licht entweichen kann.

Definition

Ein Schwarzes Loch stellarer Masse ist ein kompaktes Überbleibsel, das aus dem Kollaps des Kerns eines massereichen Sterns entsteht und dessen Gravitation so stark ist, dass eine durch einen Ereignishorizont begrenzte Region nichts, einschließlich Licht, entweichen lässt.

Scope

Das Thema umfasst die Entstehung Schwarzer Löcher stellarer Masse aus dem Kollaps massereicher Sternkerne, ihre Beschreibung durch die Schwarzschild- und Kerr-Lösungen der allgemeinen Relativitätstheorie, den Ereignishorizont und die innerste stabile Umlaufbahn, ihren Nachweis durch Röntgenbinäre und Gravitationswellen sowie den Massenbereich, der sie von Neutronensternen unterscheidet.

Core questions

• Wie entsteht ein Schwarzes Loch stellarer Masse?
• Was ist ein Ereignishorizont?
• Wie können wir etwas detektieren, das kein Licht aussendet?
• Welche Massen haben Schwarze Löcher stellarer Masse?

Key concepts

• Ereignishorizont
• Schwarzschild-Radius
• Kerr-Schwarzes Loch
• Akkretionsscheibe
• Röntgenbinärsystem
• Gravitationswellen
• Massenlücke

Key theories

Ungebremster Kollaps zu einem Schwarzen Loch

Wenn ein kollabierender Sternkern die maximale Masse überschreitet, die Entartungs- und Kernkräfte stützen können, kann kein bekannter Druck ihn aufhalten; die allgemeine Relativitätstheorie sagt einen fortgesetzten Kollaps innerhalb eines Ereignishorizonts voraus, wie zuerst für den idealisierten Kollaps von Oppenheimer und Snyder gezeigt wurde.

Nachweis durch Akkretion und Gravitationswellen

Schwarze Löcher stellarer Masse werden sichtbar, wenn sie von einem Begleiter akkretieren und im Röntgenbereich leuchten, sowie durch die Gravitationswellen, die emittiert werden, wenn zwei Schwarze Löcher spiralförmig zusammenlaufen und verschmelzen, erstmals 2015 detektiert, was ihre Massen und Spins direkt misst.

Mechanisms

Der kollabierende Kern eines ausreichend massereichen Sterns überwindet jeglichen Druckhalt und fällt innerhalb seines Schwarzschild-Radius, wodurch ein Ereignishorizont entsteht. Ein solches Schwarzes Loch wird beobachtbar, wenn Gas von einem Begleitstern durch eine heiße Akkretionsscheibe spiralförmig einfällt und Röntgenstrahlen aussendet, oder wenn zwei Schwarze Löcher verschmelzen und Energie als Gravitationswellen abstrahlen.

Clinical relevance

Schwarze Löcher stellarer Masse testen die allgemeine Relativitätstheorie im Bereich starker Felder, bilden die Grundlage für die Untersuchung der Akkretionsphysik und relativistischer Jets in Röntgenbinären und sind die dominanten Quellen, die von bodengestützten Gravitationswellenobservatorien detektiert werden, wodurch ein neuer Weg zur Zählung kompakter Überreste und zur Erforschung der Entwicklung massereicher Sterne eröffnet wird.

History

Schwarzschild löste Einsteins Gleichungen für eine Punktmasse im Jahr 1916, Oppenheimer und Snyder modellierten den Gravitationskollaps im Jahr 1939, Kerr fand die rotierende Lösung im Jahr 1963, und die ersten Schwarzen Löcher stellarer Masse wurden in Röntgenbinären wie Cygnus X-1 identifiziert und später massenhaft durch Gravitationswellendetektionen bestätigt.

Debates

Die Massenlücke zwischen Neutronensternen und Schwarzen Löchern

Es wird diskutiert, ob es eine Lücke in der Massenverteilung zwischen den schwersten Neutronensternen und den leichtesten Schwarzen Löchern gibt und wo die Grenze liegt; Gravitationswellenereignisse mit Massen in diesem Bereich prüfen, ob eine solche Lücke existiert.

Key figures

• J. Robert Oppenheimer
• Karl Schwarzschild
• Roy Kerr
• Roger Penrose

Seminal works

• abbott2016
• shapiro1983

Frequently asked questions

Wie können wir ein Schwarzes Loch beobachten, wenn Licht ihm nicht entweichen kann?

Wir detektieren Schwarze Löcher indirekt: Gas, das auf ein Schwarzes Loch zufällt, heizt sich auf und emittiert Röntgenstrahlen, bevor es den Horizont überschreitet; die Umlaufbahnen von Begleitsternen offenbaren ein unsichtbares massereiches Objekt; und verschmelzende Schwarze Löcher strahlen Gravitationswellen ab, die Detektoren auf der Erde messen können.

Wie massereich sind Schwarze Löcher stellarer Masse?

Sie reichen typischerweise von einigen bis zu einigen zehn Sonnenmassen und entstehen aus dem Kollaps massereicher Sterne; dies unterscheidet sie von den Millionen bis Milliarden Sonnenmassen der supermassereichen Schwarzen Löcher, die in Galaxienzentren gefunden werden.