Spaghettifizierung am Schwarzen Loch - Wenn Schwerkraft alles zerreißt

0:00 Willkommen zu einer neuen Folge von Schlafreise durch das Universum, deinem Podcast zum Entspannen, Loslassen und lernen. Kennst du schon unsere anderen Schlafreisereien wie Schlafreise durch vergessene Welten oder der Natur stell dir vor, du könntest dich einem der Geheimnisvollsten und zugleich gefährlichsten Objekte im Universum nähern, einem schwarzen Loch. Heute nehme ich dich mit auf eine Reise zu einem Phänomen, das so bizarr klingt, dass Wissenschaftler ihm einen fast humorvollen Namen gegeben haben.

0:38 Spaghettifizierung. Doch hinter diesem Begriff verbirgt sich eine der extremsten Kräfte, die das Universum zu bieten hat. Lass uns gemeinsam in die Tiefen des Kosmos gleiten, wo Raum und Zeit ihre gewohnten Regeln verlieren, wo Licht selbst nicht mehr entkommen kann und wo die Schwerkraft so stark wird, dass sie Materie in dünne Fäden zieht wie Nudeln beim italienischen Koch.

1:07 Bevor wir uns dem schwarzen Loch nähern, lass uns verstehen, was dieses kosmische Monster überhaupt ist. Ein schwarzes Loch entsteht, wenn ein massereicher Stern am Ende seines Lebens kollabiert. Sterne mit mehr als etwa 20 bis 25 Sonnenmassen durchlaufen ein dramatisches Finale, wenn ihr nuklearer Brennstoff erschöpft ist, kann der Strahlungsdruck nicht mehr gegen die Schwerkraft ankämpfen, der Kern kollabiert in Sekundenbruchteilen und die äußeren Schichten werden in einer gewaltigen Supernova ins All geschleudert.

1:43 Was zurückbleibt, ist etwas Unfassbares, eine Singularität, ein Punkt unendlicher Dichte, umgeben vom sogenannten Ereignishorizont. Der Ereignishorizont ist keine physische Oberfläche, sondern eine unsichtbare Grenze jenseits dieser Grenze ist die Fluchtgeschwindigkeit größer als die Lichtgeschwindigkeit, nichts, absolut nichts kann von dort zurückkehren. Der Radius dieses Ereignishorizonts wird Schwarzschildradius genannt, benannt nach dem deutschen Physiker Karl Schwarzschild.

2:19 Der 1916 die erste exakte Lösung von Einsteins Feldgleichungen, fand für ein schwarzes Loch mit der Masse unserer Sonne beträgt der Schwarzschildradius etwa 3 Kilometer, unser Stern müsste also auf die Größe einer kleinen Stadt komprimiert werden. Um zu einem schwarzen Loch zu werden, supermassive Schwarze Löcher in den Zentren von Galaxien haben Massen von Millionen bis Milliarden Sonnenmassen.

2:51 Sagittarius Stern das Supermassive Schwarze Loch im Zentrum unserer Milchstraße hat etwa 4000000, Sonnenmassen und einen Ereignishorizont mit einem Durchmesser von ungefähr 24000000 Kilometern. Nun beginnt unsere Reise. Wir nähern uns einem stellaren schwarzen Loch mit etwa 10 Sonnenmassen. Aus sicherer Entfernung erscheint es zunächst als perfekt schwarze Kugel vor dem Sternenhimmel, doch je näher wir kommen, desto mehr bemerken wir bizarre optische Effekte. Das schwarze Loch krümmt die Raumzeit so stark, dass Lichtstrahlen um es herum gebogen werden. Wir sehen einen leuchtenden Ring, den sogenannten Photonenring, wo Licht in engen Bahnen um das schwarze Loch kreist, bevor es entweder

3:43 hineinfällt oder ins All entweicht. Hinter dem Schwarzen Loch sehen wir nicht die Dunkelheit des Weltraums, sondern ein verzerrtes Bild der dahinterliegenden Sterne, die Gravitationslinse des Schwarzen Lochs wirkt wie ein kosmisches Vergrößerungsglas. Einstein hatte diesen Effekt vorhergesagt, und heute nutzen Astronomen ihn, um ferne Galaxien zu untersuchen.

4:10 In etwa 100 Kilometern Entfernung vom Ereignishorizont beginnen wir die ersten Anzeichen der Gezeitenkräfte zu spüren, Gezeitenkräfte entstehen, weil die Gravitationskraft mit der Entfernung abnimmt, wenn du mit den Füßen voran auf ein schwarzes Loch zufällst. Sind deine Füße dem Zentrum näher als dein Kopf?

4:34 Die Gravitation zieht stärker an deinen Füßen als an deinem Kopf, gleichzeitig werden deine Seiten zusammengedrückt, da sie beide zum Zentrum des Schwarzen Lochs gezogen werden. Diese unterschiedlichen Kräfte erzeugen eine Dehnung in Längsrichtung und eine Kompression in Querrichtung. Bei einem stellaren schwarzen Loch mit 10 Sonnenmassen würde ein menschlicher Körper bereits weit außerhalb des Ereignishorizonts zerrissen werden.

5:05 Die kritische Distanz, ab der ein Objekt durch Gezeitenkräfte zerstört wird, nennt man Roche Grenze, benannt nach dem französischen Astronomen Edouard Roche. Für einen menschlichen Körper liegt diese Grenze bei einem stellaren Schwarzen Loch, etwa 1000 Kilometer vom Ereignishorizont entfernt. Doch bei supermassiven schwarzen Löchern ist die Situation völlig anders.

5:34 Aufgrund ihrer enormen Größe sind die Gezeitenkräfte am Ereignishorizont viel schwächer verteilt. Ein Astronaut könnte theoretisch den Ereignishorizont eines supermassiven Schwarzen Lochs überschreiten, ohne sofort zerrissen zu werden. Er würde allerdings nie zurückkehren können und würde letztendlich näher am Zentrum, doch der Spaghettifizierung erliegen.

6:01 Lass uns die Mathematik hinter diesem Phänomen betrachten. Die Gezeitenkraft kann beschrieben werden durch die Formel F. Gleich 2 mal g, mal m, mal l geteilt durch r hoch 3. Dabei ist g die Bakiski, die gravitationskonstante m die Masse des Schwarzen Lochs, l die Länge des Objekts und Erster die Entfernung zum Zentrum.

6:24 Die Kraft nimmt also mit der dritten Potenz der Entfernung ab, das bedeutet. Dass schon kleine Änderungen in der Entfernung zu dramatischen Unterschieden in der Gezeitenkraft führen, während wir weiter auf das schwarze Loch zufallen, beschleunigen wir immer schneller. Bei der Hälfte des Schwarzschildradius hätten wir bereits etwa 70% der Lichtgeschwindigkeit erreicht, die Zeit beginnt sich zu verhalten, wie Einstein es in seiner allgemeinen Relativitätstheorie beschrieben hat. Für einen weit entfernten Beobachter scheint unsere Zeit immer langsamer zu vergehen, je näher wir dem Ereignishorizont kommen.

7:07 Tatsächlich würde ein externer Beobachter niemals sehen, wie wir den Ereignishorizont überschreiten, unser Bild würde immer mehr einfrieren und dabei röter werden, da das Licht zunehmend rot verschoben wird. Für uns selbst vergeht die Zeit jedoch normal weiter. Wir würden den Ereignishorizont in endlicher Eigenzeit erreichen und überschreiten.

7:33 Das ist eines der faszinierendsten Paradoxe der Schwarzen Löcher. 2. Unterschiedliche Perspektiven, beide physikalisch korrekt, aber scheinbar widersprüchlich. Jetzt wird die Spaghettifizierung ernst. Die Gezeitenkräfte nehmen exponentiell zu. Wenn dein Körper 2 Meter lang ist und du mit den Füßen voranfällst, beträgt der Unterschied in der Gravitationskraft zwischen Kopf und Füßen bei einer Entfernung von 100 Kilometern vom Zentrum eines 10 Sonnenmassen schweren Schwarzen Lochs mehrere 1000 Newton, das ist, als würde ein Gewicht von mehreren 100 Kilogramm an deinen Füßen ziehen, während dein Kopf relativ ruhig bleibt.

8:20 Bei 50 kilometern Entfernung sind es bereits 10 bis 20000 Newton. Knochen brechen, Gewebe reißt, dein Körper beginnt sich tatsächlich zu strecken wie ein Gummiband auf der atomaren Ebene werden die Molekülbindungen auseinandergezogen, die Zellen deines Körpers verlieren ihre Struktur. Interessanterweise ist dieser Prozess bei kleineren schwarzen Löchern extremer als bei größeren. Ein mikroskopisch kleines schwarzes Loch sollte es existieren, hätte am Ereignishorizont so extreme Gezeitenkräfte, dass selbst Atome zerrissen würden, lange bevor sie den Horizont erreichen. Bei einem supermassiven schwarzen Loch wie Sagittarius A Stern hingegen sind die Gezeitenkräfte am Ereignishorizont vergleichsweise

9:14 mild. Die Krümmung der Raumzeit ist sanfter verteilt über den viel größeren Radius, während die Spaghettifizierung fortschreitet, werden die Atome selbst auseinandergezogen, die Elektronenhüllen werden verzerrt, chemische Bindungen brechen auf, Materie wird in ihre elementaren Bestandteile zerlegt.

9:38 Schließlich bleiben nur noch Elementarteilchen, Protonen, Neutronen, Elektronen. Und diese werden weiter in Quarks und Leptonen aufgespalten, sofern die Energie ausreicht. Der Prozess endet nicht an der Oberfläche des Schwarzen Lochs, denn eine solche Oberfläche existiert nicht wirklich, der Ereignishorizont ist lediglich eine mathematische Grenze. Die Materie fällt weiter ins Innere. Zur Singularität im Zentrum.

10:09 Was dort geschieht, wissen wir nicht mit Sicherheit, unsere physikalischen Theorien brechen an diesem Punkt zusammen, die Allgemeine Relativitätstheorie und die Quantenmechanik, unsere beiden fundamentalsten Theorien, sind bei der Singularität unvereinbar. Einige Theorien der Quantengravitation wie die Schleifenquantengravitation oder die Stringtheorie versuchen zu beschreiben, was in diesem extremen Regime geschieht. Möglicherweise gibt es keine echte Singularität, sondern eine Art quantenmechanische Struktur, vielleicht ist die Raumzeit selbst körnig auf der Planklänge von etwa 10 hoch -35 Metern. Lass uns einen Moment bei der Akkretionsscheibe verweilen, die viele schwarze Löcher umgibt.

11:04 Wenn ein schwarzes Loch Materie von einem nahegelegenen Stern anzieht oder durch eine Gas und Staubwolke wandert, sammelt sich diese Materie in einer rotierenden Scheibe um das schwarze Loch, die Reibung zwischen den Teilchen in der Akkretionsscheibe erhitzt das Material auf Millionen Grad Celsius. Bei diesen Temperaturen strahlt die Materie intensiv im Röntgenbereich.

11:32 Paradoxerweise gehören schwarze Löcher mit aktiven Akkretionsscheiben zu den hellsten Objekten im Universum. Quasare die aktivsten Kerne von Galaxien werden von supermassiven schwarzen Löchern angetrieben und können Billionen mal heller leuchten als unsere Sonne. Die Energie stammt aus der Gravitationsenergie der Hineinfallenden Materie. Tatsächlich ist dieser Prozess effizienter als die Kernfusion in Sternen, etwa 10 bis 40%, der Ruhemasse der Hineinfallenden Materie kann in Strahlung umgewandelt werden, verglichen mit etwa 0,7% bei der Wasserstofffusion in der Akkretionsscheibe erlebt die Materie ebenfalls eine Form der. Der Spaghettifizierung bevor sie den Ereignishorizont erreicht Gaswolken werden

12:29 auseinandergezogen, in Spiralbahnen gezwungen und auf relativistische Geschwindigkeiten beschleunigt. Magnetfelder in der Scheibe können gebündelt werden und Jets von Teilchen senkrecht zur Scheibe ins All schleudern. Diese Jets können sich über tausende Lichtjahre erstrecken und mit nahezu Lichtgeschwindigkeit bewegen.

12:51 Ein faszinierendes Ereignis, bei dem wir Spaghettifizierung direkt beobachten können, sind sogenannte Tidal Disruption Events, kurz tdes. Dabei kommt ein Stern dem supermassiven Schwarzen Loch im Zentrum einer Galaxie zu nahe, die Gezeitenkräfte überwinden die Eigengravitation des Sterns und er wird zerrissen. Etwa die Hälfte der Sternmaterie wird auf Bahnen um das schwarze Loch geschleudert und bildet eine neue heiße Akkretionsscheibe.

13:26 Die andere Hälfte wird mit hoher Geschwindigkeit ins All katapultiert. Astronomen haben Dutzende solcher Ereignisse beobachtet, sie erscheinen als plötzliche helle Aufflackern im Zentrum von Galaxien, die. Die über Wochen bis Monate andauern und dann langsam verblassen. Die Spektren dieser Ereignisse zeigen charakteristische Merkmale von zerrissener Sternmaterie durch die Beobachtung von TD.

13:56 Es können Wissenschaftler die Massen und Eigenschaften der supermassiven Schwarzen Löcher bestimmen und die Physik extremer Gravitation studieren. Ein bemerkenswertes Beispiel ist dasereignis.at 2019 cursi i idis, das im September 2019 entdeckt wurde. Ein sonnenähnlicher Stern kam einem schwarzen Loch mit etwa einer 1000000 Sonnenmassen zu nahe und wurde innerhalb von Stunden zerrissen.

14:28 Die Beobachtungen zeigten, wie das Sternmaterial in die Akkretionsscheibe fiel und dabei Temperaturspitzen von über 100000 Kelvin erreichte. Die Spaghettifizierung ist nicht nur ein Phänomen der Zerstörung, sondern auch ein Fenster in die fundamentale Physik, sie zeigt uns, wie Gravitation auf extremen Skalen wirkt und wie die Geometrie der Raumzeit selbst zur dominierenden Kraft wird.

14:57 Einstein erkannte, dass Gravitation keine Kraft im klassischen Sinne ist, sondern eine Krümmung der Raumzeit. Massive Objekte krümmen die Raumzeit um sich herum und andere Objekte folgenden kürzesten wegen, den sogenannten Geodäten, durch diese gekrümmte Raumzeit bei einem schwarzen Loch ist diese Krümmung so extrem, dass die Geodäten alle zum Zentrum führen, sobald man den Ereignishorizont überschritten hat. Es gibt keinen möglichen Weg zurück, nicht weil eine Kraft dich hindert, sondern weil die Geometrie der Raumzeit selbst alle Pfade nach innen lenkt.

15:37 Alle zukünftigen Weltlinien, alle möglichen Pfade durch Raum und Zeit führen zur Singularität. Stephen Hawking entdeckte in den 70er Jahren, dass Schwarze Löcher nicht vollkommen schwarz sind. Durch quantenmechanische Effekte am Ereignishorizont strahlen sie eine schwache thermische Strahlung ab, die Hawking Strahlung genannt wird. Diese Strahlung ist unglaublich schwach für stellare schwarze Löcher, ein schwarzes Loch mit 10 Sonnenmassen hat eine Temperatur von nur etwa 0,0000000 s. Kelvin weit kälter als die kosmische Hintergrundstrahlung mit 2,7 Kelvin.

16:22 Dennoch führt die Hawking Strahlung theoretisch dazu, dass schwarze Löcher langsam Masse verlieren und schließlich verdampfen. Für ein stellares schwarzes Loch würde dieser Prozess etwa 10 hoch 67 Jahre dauern, unfassbar viel länger als das aktuelle Alter des Universums von 13,8 Milliarden Jahren. Mikroskopische schwarze Löcher hingegen würden viel schneller verdampfen und in einem finalen Energieausbruch enden. Die Informationsparadoxie der Schwarzen Löcher ist eines der größten ungelösten Probleme der theoretischen Physik, wenn ein Objekt in ein schwarzes Loch fällt, scheint alle Information über seine Quantenzustände verloren zu gehen. Dies würde fundamentale Prinzipien der Quantenmechanik verletzen, die besagen, dass

17:18 Information erhalten bleiben muss. Hawking selbst vermutete zunächst, dass Information tatsächlich vernichtet wird, revidierte aber später seine Meinung. Heute glauben viele Physiker, dass die Information irgendwie in der Hawking Strahlung codiert ist. Aber wie genau, bleibt unklar. Während wir über diese tiefgründigen Fragen nachdenken, lass uns die Perspektive wechseln und uns vorstellen, was ein externes Messgerät aufzeichnen würde, wenn es die Spaghettifizierung eines Objekts beobachten könnte.

17:53 Das Objekt würde zunehmend rot verschoben erscheinen, da das Licht, das es aussendet, gegen das Gravitationsfeld arbeiten muss, um zu entkommen. Diese gravitative Rotverschiebung wird durch den Faktor z beschrieben, wobei C gleich 1 - 2 GM durch RC Quadrat zur -1 halbe -1 ist. Am Ereignishorizont wird dieser Faktor unendlich, was bedeutet, dass das Licht unendlich rot verschoben würde.

18:24 Praktisch würde das Objekt für einen externen Beobachter einfach in der Schwärze des Schwarzen Lochs verschwinden, während es selbst seine Reise zur Singularität fortsetzt. Rotierende schwarze Löcher, beschrieben durch die Kermetrik, fügen der Geschichte weitere Komplexität hinzu. Ein rotierendes Schwarzes Loch zieht die Raumzeit um sich herum mit ein Effekt namens Frame Draging oder Lense thiring Effekt in der Ergosphäre einer Region außerhalb des Ereignishorizonts ist es unmöglich stillzustehen.

19:02 Alles muss sich in Rotationsrichtung des Schwarzen Lochs mitbewegen, selbst Licht. Theoretisch könnte man Energie aus einem rotierenden schwarzen Loch extrahieren, indem man den Pen Rose Prozess nutzt. Ein Objekt könnte in die Ergosphäre fallen, dort in 2 Teile zerbrechen, wobei ein Teil ins Schwarze Loch fällt und der andere mit mehr Energie entweicht als das ursprüngliche Objekt hatte.

19:31 Diese Energie würde aus der Rotationsenergie des Schwarzen Lochs stammen. Für Zivilisationen der fernen Zukunft könnten rotierende schwarze Löcher die ultimativen Energiequellen sein. Roger Penrose schlug diesen Mechanismus 1969 vor und spätere Arbeiten zeigten, dass bis zu 29% der Ruhemasse eines extremal rotierenden Schwarzen Lochs als Energie gewonnen werden könnte. Während wir durch diese theoretischen Überlegungen schweben, kehren wir zurück zu unserem Sturz ins Schwarze Loch. Die letzten Momente vor dem Erreichen der Singularität sind jenseits unseres vollständigen Verständnisses, die Gezeitenkräfte würden jede Vorstellung wahre Struktur zerreißen.

20:27 Atome würden in Quarks aufgespalten, möglicherweise sogar in noch fundamentalere Bestandteile. Falls es solche gibt. Die Raumzeit selbst könnte quantenmechanische Fluktuationen aufweisen. Auf der Plankskala bei Abständen von 10, hoch -35 Metern und Zeitskalen von 10 hoch -44 Sekunden erwarten Physiker, dass die klassische Vorstellung von Raumzeit zusammenbricht und durch eine quantenmechanische Beschreibung ersetzt werden muss. Stringtheoretiker schlagen vor, dass fundamentale Teilchen nicht punktförmig sind, sondern winzige, vibrierende Strings. In der Nähe der Singularität könnten diese Strings so stark angeregt werden, dass völlig neue Phänomene auftreten. Einige Versionen der Stringtheorie sagen sogar voraus, dass schwarze Löcher in

21:24 höherdimensionalen Räumen existieren, wobei die zusätzlichen Dimensionen auf Plank Skala aufgerollt sind. Die Schleifenquantengravitation bietet eine andere Perspektive. Sie beschreibt Raumzeit als Netzwerk aus diskreten Quantisierten Schleifen. Anstatt einer Singularität könnte es eine Art Quantensprung geben, bei dem extreme Krümmung in eine neue Region der Raumzeit führt, möglicherweise sogar in ein neues Universum. Diese spekulativen Ideen zeigen, wie sehr schwarze Löcher die Grenzen unseres Wissens herausfordern. Sie sind natürliche Laboratorien für Physik bei extremen Bedingungen, die wir auf der Erde niemals reproduzieren könnten.

22:12 Jede Beobachtung, jede theoretische Einsicht bringt uns näher an ein tieferes Verständnis der fundamentalen Gesetze der Natur in den letzten Jahren haben Gravitationswellen Detektoren wie Ligo und Virgo das Feld revolutioniert. Die erste direkte Beobachtung von Gravitationswellen im September 2015 stammte von der Verschmelzung zweier schwarzer Löcher mit etwa 29 und 36 Sonnenmassen.

22:39 Diese Wellen kräuselungen in der Raumzeit selbst, hatten 1,3 Milliarden Jahre gebraucht, um uns zu erreichen. In der letzten Zehntelsekunde vor der Verschmelzung umkreisten die beiden schwarzen Löcher einander mit mehr als der halben Lichtgeschwindigkeit. Während dieser finalen Momente erfuhr die umgebende Raumzeit extreme Verzerrungen, Materie in der Nähe wäre einer noch intensiveren Spaghettifizierung unterlegen, da die Gezeitenkräfte zweier einander umkreisender schwarzer Löcher sich überlagern und verstärken.

23:21 Nach der Verschmelzung bildete sich ein einzelnes schwarzes Loch mit etwa 62 Sonnenmassen. 3 Sonnenmassen an Energie wurden in Gravitationswellen umgewandelt. Gemäß Einsteins berühmter Formel E gleich MC Quadrat das Event Horizon Teleskop, ein globales Netzwerk von Radioteleskopen, lieferte 2019 das erste Bild eines Schwarzen Lochs.

23:51 Genauer gesagt seines Schattens. Das Bild zeigt das Supermassive Schwarze Loch im Zentrum der Galaxie M 87 mit 6,5 Milliarden Sonnenmassen der dunkle Schatten in der Mitte ist etwa zweieinhalb Mal größer als der Ereignishorizont, da Lichtstrahlen um das schwarze Loch herum gebogen werden, der leuchtende Ring um den Schatten stammt von der heißen Akkretionsscheibe. Wobei wir aufgrund der extremen Geschwindigkeiten relativistische Effekte sehen.

24:24 Die Seite der Scheibe, die sich auf uns zubewegt, erscheint heller durch relativistische Strahlungsverstärkung. Diese Beobachtung bestätigte Vorhersagen der Allgemeinen Relativitätstheorie mit bemerkenswerter Präzision. Lass diese Gedanken sanft durch deinen Geist fließen, während du zur Ruhe kommst. Die Weiten des Kosmos sind da draußen geheimnisvoll und faszinierend.

24:52 Doch hier und jetzt bist du sicher umgeben von der Schönheit unseres Planeten, der uns Heimat gibt.