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Thema: krümmt ein schwarzes Loch den Raum oder das Licht?

  1. #1
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    Standard krümmt ein schwarzes Loch den Raum oder das Licht?

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    Hallo Leute,

    ich habe das Forum über Google gefunden und würde gerne eine Frage stellen.

    Krümmt die Anziehungskraft eines schwarzen Loches nur "den Raum" oder das Licht - oder Beides?

    Ich habe gelesen, dass ein Black Hole den Raum krümmt. Wenn die Masse eines schwarzen Loches in der Lage ist den Raum "ein Stückchen zu krümmen" dann ist die Krümmung doch umso stärker je größer die Masse eines Black Hole ist - oder?

    Wenn dies so wäre - was würde mit dem Raum geschehen - wenn ALLE vorhandenen schwarzen Löcher in einem einzigen SUPERRRR-SUPER Schwarzen Loch vereint wären?????

    Würde solch eine Masse nicht ausreichen um den Raum nicht nur zu krümmen sondern in sich "zusammenfallen" zu lassen? Könnte solch eine gigantische vereinte Masse nicht in der Lage sein die scheinbar immer schneller werdenden Expansion des Universums aufzuhalten?

    Meiner Überlegung nach "frisst" ein "normales" schwarzes Loch zwar alle Planeten, Sterne, Sternensysteme usw. aber nicht "den Raum" selbst. Das schwarze Loch "benutzt" den Raum ja als "Transportschiene" und krümmt Ihn dabei wenn das schwarze Loch "durch das Universum reist". Was würde nun aber passieren wenn die Masse aller schwarzer Löcher auf einen Punkt vereint wäre? Die Krümmung des Raumes müsste doch dann ins Unendliche gehen und somit den Raum selbst in sich zusammen fallen lassen bzw. Ihn "aufsaugen".


    Es wäre sehr nett wenn dazu jemand etwas sagen könnte.

    Vielen Dank schonmal.

    Matthias

  2. #2
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    Standard Raumkrümmung

    Hallo Ionit.

    Zuerst einmal besteht das Universum ja bekanntermaßen nicht nur aus der sichtbaren Materie, sondern zum weitaus größten Teil aus nicht sichtbarer Materie (Dark Matter). Ein schwarzes Loch entsteht aus den Komponenten der sichtbaren Materie´, nämlich aus Sternen. Selbst wenn man alle schwarzen Löcher des Universums zusammenfassen würde, wäre das immer noch "nur ein Bruchteil" dessen, was tatsächlich vorhanden ist. Ich könnte mir vorstellen, dass auch die dunkle Materie in der Lage ist, die Raumzeit zu krümmen, wenn sie in entsprechenden Konzentrationen auftritt. Die "Verbiegung" der Raumzeit durch ein einziges schwarzes Superloch wäre wahrscheinlich von Ausmaßen, die man sich kaum vorstellen kann. Aber ich denke nicht, dass dadurch das Universum kollabieren könnte. Das "Gegengewicht" zu dieser Kraft, nämlich die dunkle Materie, würde das mit Sicherheit verhindern.

    Bis dann.

  3. #3
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    Standard

    Hallo Fisch77,

    vielen Dank für Deine Antwort.

    Ist denn schon bekannt ob "dunkle Materie" auch von schwarzen Löchern erfasst/aufgesaugt werden kann oder ist die theoretische dunkle Materie völlig unabhängig von der Anziehungskraft eines schwarzen Loches?

  4. #4
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    Standard Raumkrümmung

    Hallo Ionit.

    Nein, bisher ist darüber noch gar nichts bekannt. Bisher ist die dunkle Materie und auch die dunkle Energie rein hypothetisch. Sie wurde eingeführt, weil die Wissenschaft sich sonst ein sich beschleunigt ausdehnendes Universum nicht erklären konnten. Aber es muss ja so etwas wie eine "treibende Kraft" geben, die diesen Trend aufrecht erhält. Ob und wie die dunkle Materie in Wechselwirkung mit der sichtbaren Materie steht, kann erst beantwortet werden, wenn sie gefunden und untersucht wird. Man darf also gespannt sein. Ich persönlich glaube, dass die beiden "Materiearten" zwar auf eine durchaus miteinander wechselwirken. Mal schauen, was die Zukunft so bringt.

    Bis dann.

  5. #5
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    Standard

    Zitat Zitat von Fisch77
    Ich könnte mir vorstellen, dass auch die dunkle Materie in der Lage ist, die Raumzeit zu krümmen, wenn sie in entsprechenden Konzentrationen auftritt.
    Jede Masse krümmtdie Raumzeit, selbst die deines Körpers. Wichtig ist dabei dass nicht nur der Raum sondern auch die Zeit gekrümmt wird. Nur so kann Gravitation gleich Raumzeitkrümmung sein.

  6. #6
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    Standard Ein paar kleine Informationen ...

    Hallo,

    Ich hoffe, mit folgenden Zeilen etwas mehr Klarheit in die Thematik "Schwarze Löcher" zu bringen.

    Jede uns bekannte Materie unterliegt der Gravitation, einer universell wirkenden Anziehungskraft. Die Gravitation nimmt dabei eine Sonderstellung ein, da alle anderen bekannten Kräfte auch abstoßende Effekte kennen. Dabei ist die Gravitation am wenigsten verstanden.

    Wenn sich also Materie gegenseitig anzieht, kommt es zur Verdichtung. Irgendwann kann die Dichte so groß werden, dass Protonen (Wasserstoffkerne) ihre gegenseitige elektrostatische Abstoßung überwinden müssen und eine Kernfusion stattfindet.

    Die dabei freiwerdenden Teilchen (Photonen/Licht, alle Teilchen mit hoher kinetischer Energie) üben einen Strahlungsdruck aus, der der Gravitation entgegenwirkt. Der Stern hält in seiner Größe für einige Zeit inne.

    Doch irgendwann sind (annähernd) alle Protonen (Wasserstoff) verschmolzen zu Heliumkernen. Der Gravitationsdruck erhöht sich weiter. Weitere Verschmelzungsprozesse können diesen Schrumpfprozess nicht lange aufhalten. Ab der Verschmelzung zu Eisenkernen wird keine Energie mehr frei, um Strahlungsdruck zu erzeugen.

    Was passiert dann?

    Nach der Quantenmechanik gibt es das Pauli-Ausschließungsprinzip (allerdings nicht für alle Teilchen), dass einen Gegendruck aufbaut. Man erreicht so etwas wie einen einzigen Super-Atomkern.

    Es lässt sich aber berechnen, dass ab einer kritischen Massendichte überhaupt kein Gegendruck die Gravitation mehr kompensieren kann. Der Stern schrumpft zusammen zu einem mathematischen Punkt - dem (heute so genannten) Schwarzen Loch.

    Die Gleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie zeigen, dass Masse die "Raumzeit krümmt". Das ist bisher glänzend experimentell bestätigt.

    "Raumzeitkrümmung" bedeutet: Die zentrale Überlegung der Allgemeinen Relativitätstheorie (wenn Du in einem Container ohne Kommunikation nach außen erwachst - der Film "Cube" lässt grüßen - kannst Du durch kein einziges physikalisches Experiment entscheiden, ob Du weit entfernt im Weltraum schwebst, oder ob Du in einem Gravitationsfeld frei fällst) führt zu einem Satz physikalischer Gleichungen mit folgenden Eigenschaften.

    1) Es gibt eine Abhängigkeit zwischen Zeit (t) und Raum (x,y,z).

    2) Die Gleichungen lassen sich sehr elegant formulieren, wenn man die Zeit, mit der imaginären Einheit i multipliziert, als vierte Raumdimension behandelt. Man spricht deshalb von "Raumzeit".

    3) Der Raum (x,y,z) folgt nicht mehr der Euklidischen Geometrie. Vielmehr erscheint der Raum gekrümmt. Z.B. fliegt ein Photon (Lichtstrahl) gemäss Impulserhaltung immer geradeaus (lässt sich auch aus der Wellenmechanik ableiten). In der Nähe massereicher Objekt - z.B. unserer Sonne - wird daher der Lichtstrahl abgelenkt. Das ist experimentell bestätigt. Ebenso bestätigt ist hierdurch ein Teil der Periheldrehung des Merkur.

    Wenn ein Objekt ein genügend hohe Massedichte erreicht, wird die Raumzeit derart stark gekrümmt, dass z.B. der Lichtstrahl nicht mehr vorbeifliegt, sondern gar zurück - oder gar nur noch um das Objekt herum.

    Lichtstrahlen können die Oberfläche eines Objektes mit hoher Massendichte nicht mehr verlassen, da ihre Energie draufgeht, um gegen das Gravitationsfeld anzusteigen.

    Diese Objekte nabeln sich faktisch von der uns zugänglichen/erfahrbaren Welt ab. Man spricht (heute) von schwarzen Löchern.

    Die Raumzeitkrümmung ist in unserer Erfahrungswelt sehr unanschaulich. Man kann eigentlich nur Berechungen anstellen: Wie sehen Effekte in der Nähe sehr massereicher Objekte aus für den weit entfernten Beobachter?

    Unsere heutige Physik stößt hier an ihre Grenzen. Die Gleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie erlauben Singularitäten. Es gibt Widersprüche zur Quantentheorie. Beide Theorien sind in unserer Erfahrungswelt dagegen sehr erfolgreich - z.B. funktioniert UPS dank beider (!) Theorien recht gut.

  7. #7
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    Standard Schwarze Löcher

    Zitat Zitat von Sanctitas
    Jede uns bekannte Materie unterliegt der Gravitation, einer universell wirkenden Anziehungskraft. Die Gravitation nimmt dabei eine Sonderstellung ein, da alle anderen bekannten Kräfte auch abstoßende Effekte kennen.
    Bei negativer Energiedichte ist die Gravitation auch abstoßend! Das kommt aber nur unter ganz extremen Umständen vor.

    Dabei ist die Gravitation am wenigsten verstanden.

    Zitat Zitat von Sanctitas
    Wenn sich also Materie gegenseitig anzieht, kommt es zur Verdichtung. Irgendwann kann die Dichte so groß werden, dass Protonen (Wasserstoffkerne) ihre gegenseitige elektrostatische Abstoßung überwinden müssen und eine Kernfusion stattfindet.
    Dazu müssen die Kerne sich nicht einmal ganz auf 10^13 m annähern. Die Kerne tunneln einander entgegen.

    Zitat Zitat von Sanctitas
    Der Stern hält in seiner Größe für einige Zeit inne.
    Die Lebensdauer des Sterns ist dabei der Masse umgekehrt proportional.

    Zitat Zitat von Sanctitas
    Ab der Verschmelzung zu Eisenkernen wird keine Energie mehr frei, um Strahlungsdruck zu erzeugen.
    Weitere Elemente wie Uran, werden wärend dem Kollaps erzeugt.

    Was passiert dann?

    Zitat Zitat von Sanctitas
    Nach der Quantenmechanik gibt es das Pauli-Ausschließungsprinzip (allerdings nicht für alle Teilchen), dass einen Gegendruck aufbaut. Man erreicht so etwas wie einen einzigen Super-Atomkern.
    Dieser sogenannte Entartungsdruck kann Kerne von Sternen mit einer Masse von bis zu 1,44 Sonnenmassen stabiel halten. Das ist die Chandrasekhar-Grenze. Dabei bewegen sich die Elektronen schon mit fast Lichtgeschwindigkeit um den Atomkern.

    Zitat Zitat von Sanctitas
    Es lässt sich aber berechnen, dass ab einer kritischen Massendichte überhaupt kein Gegendruck die Gravitation mehr kompensieren kann. Der Stern schrumpft zusammen zu einem mathematischen Punkt - dem (heute so genannten) Schwarzen Loch.
    Bis zu einer Masse von 2,5 bis 3 Sonnenmassen kann der Sternenkern einen Neutronenstern bilden. Dabei werden die Elektronen sozusagen in die Protonen gepresst und bilden Neutronen. Das ist die Umkehrung des Beta-Zerfalls.

    Zitat Zitat von Sanctitas
    2) Die Gleichungen lassen sich sehr elegant formulieren, wenn man die Zeit, mit der imaginären Einheit i multipliziert, als vierte Raumdimension behandelt. Man spricht deshalb von "Raumzeit.
    Abstände in der Raumzeit sind dabei entweder durch:

    s = Wurzel (x^2+y^2+z^2+(tci)^2)
    s= Wurzel ((xi)^2+(yi)^2+(zi)^2+(tc)^2)

    Der Absolutbetrag ist dabei der selbe. Es ist also Sache der Konvenktion ob man die Zeit oder die drei Raumdimensionen als imaginärwertig betrachtet.

    Zitat Zitat von Sanctitas
    Wenn ein Objekt ein genügend hohe Massedichte erreicht, wird die Raumzeit derart stark gekrümmt, dass z.B. der Lichtstrahl nicht mehr vorbeifliegt, sondern gar zurück - oder gar nur noch um das Objekt herum.
    Im eineinhalbfachen des Schwarzschildradius fliegen Lichtstrahlen geschlossene Bahnen. Der Schwarzschildradius ist gegeben durch:

    R_SS = 2GM/c^2

    Schöne Grüße,
    Sky.

  8. #8
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    Standard @Sky: Negative Energiedichte?

    Hallo Sky,

    Das mit der negativen Energiedichte verstehe ich nicht ganz.

    Naiv denke ich, weniger als keine Energie gibt es nicht.
    Selbst die Energiedichte Null geht wegen der Quantenmechanik nicht.

    Würde negative Energiedichte nicht folgendes bedeuten?
    Ich füttere diesen Bereich mit Photonen, also elektromagnetischer Energie. Bis ich die Energiedichte erreicht habe, verschwinden meine Photonen (inklusive Feld und Impuls)?

    Kannst Du das erklären?

  9. #9
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    Standard

    Zitat Zitat von Sanctitas
    Naiv denke ich, weniger als keine Energie gibt es nicht.
    1) Doch, z.B. haben die virtuellen Teilchen eine so große negative potentielle Gravitationsfeldenergie dass diese ihre Massenenergie komplett aufhebt. Wird den Teilchen durch die Gezeitenkraft des Schwarzen Lochs auseinander gezogen, so werden sie reell. Das eine Teilchen wird emmitiert und das andere Fällt ins Schwarze Loch und gibt ihm eine negative Energie. Das andere Teilchen wird vom SL emmitiert. Dabei nimmt seine potentielle Energie ab. Dem SL ist die Energie des emitierten Teilchens verloren gegangen und es hat zusätzlich eine negative Energie aufgenommen.

    2) Strings die um die Extradimensionen gewickelt sind heißen gewundene Strings. Diese haben negative Energie und entsprechen Exotischer Materie. Sie sind nach der Superstringtheorie zahlreich beim Urknall entstanden und haben sich gegenseitig vernichtet.
    Die Windungsenergie eines solchen Strings ist gegeben durch

    E_w = 2 pi w R T_s

    Dabei ist w die Windungszahl, R der Umfang der kompaktifizierten Extradimensionen, also R = Wurzel (G h / 2 pi c^3) und T_s ist die Stringtension (=Stringspannung). Für w sind nur ganzzählige Werte erlaubt.
    Gewundene Strings haben aber enorm große Massen, die nahe an der Planck-Masse liegen. Diese ist gegeben durch

    M_PL = Wurzel (G h / 2 pi c^3) c^2 / 4 pi G

    Theoretisch Exisitieren verschiedene Formen von Vakuumenergie. Davon haben einige negative Energiedichte.

    An sich ist aber negative Energie auch ein problem da Teilchen mit negativer Energie, b.z.w. mit negativer Frequenz sich in die Vergangenheit bewegen müssten. Sochen Teilchen werden aber nicht beobachtet. Um den Zeitpfeil vollständig erklären zu können muss man wissen wie negative Frequenzen auszuschließen sind, d.h. wie ihre nichtexistenz aus einer Theorie abgeleitet werden kann.

  10. #10
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    Standard Verständnisprobleme ...

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    Hallo,

    @Sky Darmos: Du schreibst wie ein theoretischer Physiker. Bist Du einer? Jedenfalls hast Du mich abgehängt, was mein Verständnis angeht (ich bin nur ein kleiner Arbeitnehmer).

    Dazu habe ich aber einige kleine Fragen:

    Was bedeutet denn "negative Frequenz"? Wo liege ich in folgender Überlegung falsch? Frequenz ist eine Anzahl von Ereignissen pro Zeiteinheit. Weniger als kein Ereignis verstehe ich nicht. Das Zeitintervall mit negativem Vorzeichen als mathematischen Kniff zu verwenden verstehe ich ebensowenig.

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