Wie wiegt man ein Schwarzes Loch? - Die vier Methoden auf dem Weg zum Schwarzen Loch | Fakten zum Einschlafen - Das Universum

0:05 Willkommen bei Fakten zum Einschlafen. Das Universum. Was geschieht, wenn ein Stern so massereich ist, dass seine Schwerkraft stärker wird, als die Fähigkeit des Lichts zu entkommen? Diese Frage stellte sich bereits im 18. Jahrhundert der englische Geistliche John Michelle. Doch aus seiner Idee eines dunklen Sterns wurde zunächst nur eine historische Fußnote. Die Episode zeichnet den langen Weg von dieser frühen Überlegung bis zu den modernsten Beobachtungsmethoden der Astrophysik nach. Wir betrachten, wie aus einer mathematischen Kuriosität durch die allgemeine Relativitätstheorie eine astrophysikalische Vorhersage und schließlich ein realer Bestandteil unseres Universums wurde.

0:56 Dabei stehen vier völlig unabhängige Beweiswege im Mittelpunkt, die Beobachtung von Röntgen -Doppelsternen wie Cygnus X -1, die Verfolgung von Sternbahnen im Zentrum der Milchstraße, die direkte Bildgebung des Ereignishorizonts durch das Eventhorizonteleskop und der Nachweis von Gravitationswellen durch verschmelzende schwarze Löcher. Bei der Arbeit an dieser Episode kehrte ich immer wieder zu einer faszinierenden Erkenntnis zurück. Unser Wissen wächst nicht durch einen einzelnen dramatischen Moment der Offenbarung. Es entsteht durch die geduldige Anhäufung unabhängiger Tests, die sich über Jahrzehnte ergänzen und korrigieren. Mich hat besonders beeindruckt, wie präzise wir heute die Masse und Rotation dieser unsichtbaren Objekte

1:45 messen können, während wir gleichzeitig noch immer nicht verstehen, was an der innersten Singularität tatsächlich geschieht. John Mischel stellte einmal die Frage, was geschieht, wenn die Schwerkraft stärker wird als die Fähigkeit des Lichts zu entkommen. Das war eine vollkommen vernünftige Frage. Und sie war vollkommen falsch auf die Art, wie alle guten Ideen vor ihrer Zeit falsch sind. Was folgt, ist die geduldige Korrektur.

2:17 Nicht eine Methode, sondern schier. Jede für sich unzureichend, zusammen unausweichlich. Sie machten aus einer mathematischen Kuriosität die am präzisesten gewogenen, unsichtbaren Objekte des Kosmos. Stell dir vor, du lebst im späten 18. Jahrhundert. Du blickst zum Nachthimmel hinauf und du weißt, wie alle wissen, dass Licht sich fortbewegt. Du weißt, dass Schwerkraft zieht.

2:47 Und du weißt, dass eine Kanonenkugel, die hart genug abgefeuert wird, der Anziehung der Erde vollständig entkommen kann. Also stellt ein englischer Geistlicher namens John Mischel eine vollkommen vernünftige Frage. Was wäre, wenn ein Stern so massereich wäre, so kompakt, dass seine Anziehungskraft stärker wäre als die Fähigkeit des Lichts, ihn zu verlassen? Der Stern wäre unsichtbar. Nicht zufällig dunkel, sondern notwendigerweise dunkel.

3:23 Licht würde aufsteigen und wieder herabfallen wie ein Stein, der zu schwach geworfen wurde. Das war keine Mystik. Es war Newton'sche Mechanik, konsequent angewandt. Michel schlug sogar vor, wie man einen solchen Stern finden könnte. Man müsse nach einem Stern suchen, der taumelt, als würde er von einem unsichtbaren Begleiter gezogen.

3:48 Die Idee war elegant, logisch und falsch auf die Art, wie alle guten Ideen vor ihrer Zeit falsch sind. Das 19. Jahrhundert nahm die Wellentheorie des Lichts an. Und Wellen haben, anders als Teilchen, keine Fluchtgeschwindigkeit. Der dunkle Stern wurde zur Kuriosität, zur Fußnote, zur Sackgasse. Aber der Riss schloss sich nicht. Er wurde breiter.

4:18 Im Jahr 1915 vollendete Albert Einstein eine Theorie der Schwerkraft, die Raum und Zeit nicht als feste Bühne behandelte. In dieser Theorie krönt Masse die Bühne selbst. Ein junger deutscher Astronom namens Karl Schwarzschild, der an der Ostfront diente, fand innerhalb weniger Monate eine exakte Lösung. Sie beschrieb den Raum um eine Punktmasse. Und in dieser Lösung vergraben lag ein Radius, eine Grenze, an der die Krümmung unendlich wurde. Dort fiel die Bühne so vollständig in sich zusammen, dass nichts sich nach außen entfalten konnte. Nicht weil Licht schwer war, nicht wegen der Fluchtgeschwindigkeit, sondern weil innerhalb dieser Grenze alle Wege nach innen führten. Es gab kein Hinaus. Das war kein dunkler

5:13 Stern mehr. Es war etwas Seltsameres, eine Region des Raums, die kausal vom Rest des Universums abgetrennt war. Die Mathematik war eindeutig. Die Physik war es nicht. Jahrzehntelang glaubten viele Physiker, Einstein eingeschlossen, dass die Natur einen wegfinden würde, die tatsächliche Entstehung eines solchen Gebildes zu verhindern.

5:40 Vielleicht würden kollabierende Sterne immer genug Materie abstoßen, um ihre Kontraktion aufzuhalten. Vielleicht würde eine unbekannte Physik eingreifen. Die Singularität war ein mathematisches Artefakt, kein physisches Objekt. Dann, im Jahr 1939, bewiesen ja Robert Oppenheimer und Hartland Schnöder das Gegenteil. Sie zeigten, dass ein ausreichend massereicher Stern, der seine nuklearen Brennstoffe erschöpft hat, ohne Grenze kollabieren würde.

6:15 Der Kollaps wäre unaufhaltsam. Die Grenze würde sich bilden. Die Mathematik würde Wirklichkeit werden. Und noch immer hatte niemand etwas gesehen. Die Theorie war robust, die Vorhersage klar. Aber das Objekt selbst blieb jenseits der Beobachtung. Hier beginnt unsere Geschichte wirklich. Nicht mit der Entdeckung, sondern mit der langen, schwierigen Erfindung von Wegen, das zu sehen, was nicht direkt gesehen werden kann. Der erste Riss in der Dunkelheit kam aus einer unerwarteten Richtung.

6:55 Im Jahr 1960 entdeckte ein Raketenexperiment kosmische Röntgenstrahlung. Das war überraschend. Die Sonne sendet Röntgenstrahlen aus, aber nur schwach. Der Himmel sollte in diesem Teil des Spektrums dunkel sein. Doch etwas glühte intensiv aus Richtungen, in denen kein sichtbarer Stern leuchtete. Im Jahr 1970 begann ein eigener Satellit namens Uhuru mit der systematischen Kartierung.

7:30 Er fand beständige Röntgenquellen. Und eine der hellsten lag im Sternbild warm. Cygnus X -1 verhielt sich nicht wie ein normaler Stern. Seine Röntgenstrahlung flackerte und veränderte sich auf Zeitskalen von Millisekunden. Das bedeutete, dass die emittierende Region winzig war. Kleiner als ein Planet, vielleicht kleiner als eine Stadt. und als Astronomen optische Teleskope auf dieselbe Stelle richteten, fanden sie einen blauen Überriesenstern heiß und leuchtkräftig, der etwas Unsichtbares umkreiste. Das Spektrum des Sterns verschob sich mit einer Periode von etwa fünfeinhalb Tagen hin und her. Aus dieser Bewegung konnten die Astronomen den unsichtbaren Begleiter wiegen. Bis 1971 war die Antwort klar.

8:26 Was auch immer diesen Stern zog, wog mehr als das Dreifache der Masse unserer Sonne. Das war die kritische Schwelle. Oberhalb von etwa drei Sonnenmassen kann keine bekannte Kraft der Physik ein kompaktes Objekt gegen seine eigene Schwerkraft stützen. Neutronensterne, die zerklitschten Kerne toter Sterne, haben eine maximale Masse nahe dieser Grenze. Alles, was schwerer ist, muss weiter kollabieren. Der unsichtbare Begleiter von Cygnus X -1 war zu schwer, um ein Neutronenstern zu sein. Er war zu schwer, um irgendetwas anderes zu sein als das, was Oppenheimer und Snowder vorhergesagt hatten. Aber die Wissenschaft verlangt mehr als eine einzelne Schlussfolgerung. Es gab eine konkurrierende Erklärung, vernünftig und

9:21 hartnäckig. Vielleicht war das, was wir sahen, nicht ein unsichtbares Objekt, sondern zwei oder mehr normale Sterne, lichtschwach und dicht beieinander. Ihre kombinierte Masse hätte die Anziehungskraft erzeugt, während ihr einzelnes Licht zu schwach blieb, um sie zu trennen. Ein Dreifachsystem oder mehr könnte einen einzelnen massereichen, dunklen Begleiter vortäuschen. Diese Hypothese musste beseitigt werden. und sie wurde mit Geduld beseitigt. Astronomen beobachteten den Blauen, überwiesen jahrelang und maßen seine Geschwindigkeit mit immer feinerer Präzision. Ein Dreifachsystem würde den sichtbaren Stern auf komplexe, sich nicht wiederholende Weise zerren. Die Umlaufbahn würde taumeln. Doch der Begleiter von Cygnus

10:15 X -1 bewegte sich auf einer sauberen Ellipse, einer perfekten Keplerbahn. innerhalb der Messgenauigkeit. Kein dritter Körper war nachweisbar. Die Masse war real, konzentriert und dunkel. Dennoch war dies ein indirekter Beweis. Wir schlossen auf das schwarze Loch durch seinen Einfluss auf seinen Nachbarn, so wie man auf einen Strudel schließen könnte, indem man Boote im Kreis fahren sieht.

10:44 Wir hatten das Ding selbst nicht gesehen. Und Cygnus X -1 war, so bahnbrechend es auch war, nur ein Objekt stellarer Masse. Die Theorie sagte schwarze Löcher über einem riesigen Massenbereich voraus. Das Universum, so schien es, sollte Giganten beherbergen. Die zweite unabhängige Methode kam aus größerer Nähe, aus dem Zentrum unserer eigenen Galaxie. Seit den 1970er Jahren vermuteten Astronomen, dass im Sternbild Schütze etwas Mächtiges lauerte, eine helle Radioquelle, umgeben von wirbelndem Gas. Doch das galaktische Zentrum ist von Staub verdeckt. Optisches Licht kann nicht hindurchdringen.

11:32 Erst in den 1990er Jahren mit Infrarotaleskopen und einer Technik namens adaptive Optik konnten Astronomen einzelne Sterne verfolgen. die diese zentrale Dunkelheit umkreisten. Adaptive Optik verwendet verformbare Spiegel, die die Unschärfe der Erdatmosphäre in Echtzeit ausgleichen. Ein Stern mit der Bezeichnungs 2 wurde zur Sonde.

11:58 Über 16 Jahre zeichnete er eine vollständige Ellipse um die unsichtbare Masse. Seine größte Annäherung brachte ihn bis auf 100 astronomische Einheiten heran. Eine Entfernung vergleichbar mit der Umlaufbahn Plutos um die Sonne. Und doch bewegte er sich mit fast drei Prozent der Lichtgeschwindigkeit. Aus der Umlaufbahn von S2 und aus den Bahnen dutzender anderer ähnlich gefangener Sterne ergab sich die zentrale Masse mit erdrückender Unausweichlichkeit.

12:32 Vier Millionen Mal die Masse unserer Sonne, gepackt in eine Region, die nicht größer ist als unser Sonnensystem. Das war kein schwarzes Loch stellarer Masse wie Cygnus 1 .1. Das war ein supermassereiches Monster. Und es war nicht einzigartig. Ähnliche Messungen in anderen Galaxien offenbarten vergleichbare Objekte. Millionen bis Milliarden Sonnenmassen in den Zentren großer und kleiner Galaxien. Das schwarze Loch war keine Kuriosität. Es war eine Architektur. Und dennoch hatten wir noch keines gesehen. Wir hatten sie durch ihre Anziehungskraft auf Sterne und Gas gewogen. Wir hatten sie gewissermaßen gehört durch die Röntgenstrahlung, die Materie aussendet, wenn sie sich beim Hineinstruden erhitzt.

13:27 Aber der Ereignishorizont selbst, die Grenze ohne Wiederkehr, blieb eine schattenhafte Schlussfolgerung. Die dritte Methode änderte das, und sie kam aus einer Technologie, deren Ehrgeiz fast absurd klingt. Valley -Long -Baseline -Interferometrie verbindet Radioteleskope über Kontinente hinweg und behandelt die gesamte Erde als eine einzige Schüssel. Das Event Horizonteleskop trieb dies an die Grenze, indem es Beobachtungen von Standorten auf Hawaii, in Arizona, Mexiko, Chile, Spanien und am Jute Pool synchronisierte. Die Basislinien überspannten den Planeten. Die Auflösung entsprach dem Lesen einer Zeitung in New York von einem Bürgersteig in Paris aus. Im Jahr 2019, nach Jahren der Datenverarbeitung, veröffentlichte

14:23 die Kollaboration ein Bild. Keine Illustration, keine Simulation, sondern eine rekonstruierte Fotografie des schwarzen Lochs im Zentrum der Galaxie. Zu sehen war eine dunkle zentrale Region, umgeben von einem hellen Ring, der Photonensphäre in der Licht das schwarze Loch umkreist, bevor es entkommt oder hineinfällt. Der Durchmesser des Rings beträgt 42 Mikrobogensekunden, plus minus drei. Diese Unsicherheit von etwa 7 % entspricht ungefähr der Breite eines menschlichen Haares, gesehen aus mehreren Kilometern Entfernung. Der Schatten war nicht perfekt kreisförmig. Er war auf einer Seite, leicht abgeflacht, übereinstimmend mit den Vorhersagen für ein rotierendes schwarzes Loch. Zum ersten Mal schlossen wir nicht nur.

15:22 Wir schauten. Die Präzision dieser Messung ist es wert, verstanden zu werden. Die Masse selbst trägt eine Unsicherheit von ungefähr 10%. Diese Unsicherheit wird nicht von der Bildgebung dominiert, sondern von der unsicheren Entfernung zu M87, die von unserer Messung der Expansionsrate des Universums abhängt. Hier gibt es eine interessante Spannung. Die lokalen und die frühen Messungen dieser Expansion im Universum, weichen leicht voneinander ab. Und diese Abweichung pflanzt sich in unsere Schätzung der Masse des schwarzen Lochs fort. Der Schatten ist scharf. Die kosmische Entfernungsleiter ist es weniger. Inzwischen hatte sich ein vierter Kanal geöffnet, einer, der überhaupt kein Licht verwendet. Im Jahr 2015

16:18 registrierten die LIGO -Observatorien ein Signal. Es war ein Zwitschern in Gravitationswellen, Kreuselungen der Raumzeit selbst, ausgesandt als zwei schwarze Löcher mit der 30 -fachen Masse unserer Sonne umeinander spiralten und verschmolzen. Das Signal dauerte Bruchteil einer Sekunde, aber es trug die Massen, Spins und die Entfernung der verschmelzenden Objekte in sich kodiert.

16:46 Bis 2021 waren Dutzende solcher Ereignisse katalogisiert. Und die Verschmelzungsrate für schwarze Löcher dieser Größe war festgelegt. Ungefähr 24 Ereignisse pro Kubik -Gigaparsec. Und ja, die Unsicherheit ist asymmetrisch. Die tatsächliche Rate könnte so hoch wie etwa 38 oder so niedrig wie etwa 15 sein. Diese schiefe Form entsteht, weil wir eher schwache, entfernte Verschmelzungen übersehen, als falsche zu erfinden. Die Unsicherheit selbst erzählt eine Geschichte über die Detektion. Diese Gravitationswellenmessungen sind unabhängig von allem, was zuvor kam. Sie beruhen nicht auf elektromagnetischer Strahlung. Sie erfordern keine optische Identifikation einer Heimatgalaxie. Sie sind eine direkte Messung

17:46 des Einflusses der Schwarzen, Löcher auf die Geometrie der Raumzeit. Und sie stimmen überein. Die von Ligo und Virgo gefundenen Massen sind konsistent mit den aus röntgen Doppelsternen abgeleiteten Massen. Die Spins, wo messbar, sind konsistent mit den Vorhersagen der allgemeinen Relativitätstheorie darüber, wie schwarze Löcher sich bei Kollisionen verhalten sollten. Diese Konvergenz ist der Grund, warum wir der Schlussfolgerung vertrauen. Nicht weil eine einzelne Beobachtung entscheidend war, sondern weil vier völlig verschiedene Methoden auf dieselben Objekte mit denselben Eigenschaften zeigen. Diese Methoden sind Sterndynamik, Röntgenaggression, direkte Bildgebung und Gravitationswellen.

18:34 Das schwarze Loch im Zentrum unserer Galaxie wiegt vier Millionen Sonnenmassen. Plus minus ein paar tausend. Die Unsicherheit liegt jetzt unter einem halben Prozent. Das schwarze Loch in Cygnus X -1, kürzlich neu vermessen mit verbesserten Entfernungsschätzungen aus der Radioastrometrie, wiegt 21 Sonnenmassen mit einer Unsicherheit von etwa 10 Prozent. Sein Spinnen... Abgeleitet aus der detaillierten Form seines Röntgenspektrums übersteigt 99 ,8 Prozent des von der allgemeinen Relativitätstheorie erlaubten Maximums. Diese Spinnmessung hängt jedoch von Modellen ab, wie sich die innere Kante der Akkretionsscheibe verhält.

19:19 Verschiedene Scheibenmodelle können die Schätzung verschieben. Die Massenmessung aus der Bahndynamik ist direkte. Was ungewiss bleibt, ist nicht, ob schwarze Löcher existieren. Diese Frage ist durch unabhängige Konvergenz über Skalen von wenigen Sonnenmassen bis zu Milliarden geklärt. Was bleibt, ist schwieriger. Wir wissen nicht, was an der Singularität geschieht, wo die Mathematik unendliche Dichte und den Zusammenbruch der bekannten Physik vorhersagt. Wir wissen nicht, ob der Ereignishorizont eine echte Grenze ist oder ein Übergang zu einer Quantenstruktur, eine Firewall aus hohen ergetischen Teilchen, wie manche Theorien nahelegen. Wir verstehen nicht vollständig, wie schwarze Löcher von Millionen oder Milliarden Sonnenmassen im

20:12 frühen Universum entstanden sind, ob durch den direkten Kollaps massereicher Gaswolken oder durch die Verschmelzung kleinerer Keime. Wir wissen nicht, wie wir die Information, die offenbar verloren geht, wenn Materie in ein schwarzes Loch fällt, mit den Prinzipien der Quantenmechanik in Einklang bringen sollen. Und es gibt Anomalien, die an unserem Vertrauen sticheln. Ein Gravitationswellenereignis, GWIMU 190522, betraf ein schwarzes Loch von etwa 85 Sonnenmassen, mitten in einem Bereich, in dem die Theorie der Sternentwicklung vorhersagt, dass pulsationsbedingte Parinstabilitäts -Supernovee den Stern vollständig auseinanderreißen sollten, ohne etwas zurückzulassen. Das ist die obere Massenlücke, ungefähr 65 bis 120 Sonnenmassen,

21:09 verschieden von der unteren Lücke zwischen Neutronensternen und schwarzen Löchern bei ungefähr 3 bis 5 Sonnenmassen. Die Existenz eines solchen Objekts fordert unser Verständnis davon heraus, wie massereiche Sterne sterben. Es mag neue Physik erfordern oder neue Astrophysik oder einfach ein besseres Verständnis der Instabilitäten, die die letzten Momente massereicher Sternkerne bestimmen. Die Grenzen beider Lücken bleiben unscharf. Der Anteil supermassereicher schwarzer Löcher in kleinen Galaxien ist weiterhin umstritten. Jede Antwort bringt neue Fragen hervor.

21:53 Was wir mit Zuversicht sagen können ist, dass das schwarze Loch nicht aus einer einzelnen Beobachtung oder einer einzelnen Methode hervorgegangen ist. Es ging aus Bewegung hervor. Sterne, die in Ellipsen gezogen werden. Gas. das auf Millionen Grad erhitzt wird. Licht, das zu Ringen gebogen wird. Die Raumzeit selbst, die von kollidierenden Massen erschüttert wird. Es ging aus unabhängigen Messlinien hervor, die über Jahrzehnte konvergierten, wobei jede die Grenzen der anderen korrigierte. Der Röntgen -Doppelstern fand die Objekte stellacher Masse, konnte sie aber nicht abbügen. Die Verfolgung des galaktischen Zentrums fand die supermaßreichen Objekte, konnte aber ihre Horizonte nicht auflösen.

22:49 Das Event Horizon Telescope löste den Horizont auf, aber nur für die zwei größten scheinbaren Schatten am Himmel. Gravitationswellen fanden Verschmelzungen, aber nur solche, die laut genug waren, um über kosmische Entfernungen gehört zu werden. Zusammen vervollständigen sie ein Bild, das keine einzelne Methode hätte malen können. Die Messung geht weiter. Das Event Horizon Telescope fügt weitere Schüssen hinzu und verbessert seine Auflösung. Die derzeitige Anordnung kann nur diese zwei größten Schatten auflösen. Künftige Verbesserungen zielen darauf ab. kleinere schwarze Löcher abzubilden oder feinere Substrukturen im Photonenring sichtbar zu machen und zu prüfen, ob sie den Vorhersagen der allgemeinen Relativitätstheorie

23:44 mit noch feinerer Präzision entsprechen. Gravitationswellendetektoren werden empfindlicher und dringen tiefer in den Raum und tiefer in der Frequenz vor. Die nächste Generation könnte Verschmelzungen supermaßreicher, schwarzer Löcher nachweisen, und ein völlig neues Band des Gravitationsspektrums öffnen. Was ungewiss bleibt, ist nicht, ob das Phänomen existiert.

24:12 Es ist, was das Phänomen letztlich ist. Das Schwarze Loch begann als Gedankenexperiment über Fluchtgeschwindigkeit, wurde zu einer mathematischen Singularität, dann zu einer astrophysikalischen Vorhersage, dann zu einem erflossenen Objekt, dann zu einem abgebildeten Schatten. dann zu einer Quelle von Gravitationswellen.

24:35 Jeder Schritt war eine Korrektur, eine Verfeinerung, eine tiefere Auseinandersetzung mit dem, was die Evidenz verlangte. Verständnis vertieft sich allmählich. Es kommt nicht durch Offenbarung. Es kommt durch die geduldige Anhäufung unabhängiger Tests, von denen jeder seinen Platz im Gebäude des Wissens dadurch verdient, dass er die Prüfung übersteht, die seine Vorgänger zerbrochen hat.

25:02 So wissen wir.