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

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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”)

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Schwarze Löcher 4

Einstein

Albert Einstein (1879–1955)

Allgemeine Relativitätstheorie (1916):

• Masse krümmt den Raum (“Metrik”)

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Schwarze Löcher 5

Einstein

Albert Einstein (1879–1955)

Allgemeine Relativitätstheorie (1916):

• Masse krümmt den Raum (“Metrik”)

• Licht bewegt sich durch gekrümmtenRaum

5

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

5

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

5

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

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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)

9

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

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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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