Gaswolken, die vor allem aus Wasserstoff bestehen
RTL - 05.03.2010, 15:25 | Fir d'lescht aktualiséiert: 05.03.2010, 15:58
FRO vum Daniela Sens: Wat sënn a wéi entstinn "Akkretionsscheiben"?
ÄNTWERT vum Marc Zimer:
Um es gleich vorne weg zunehmen, eine Akkretionsscheibe ist, wie in der Abbildung 1 zu sehen ist, eine aus Gas und Staub bestehende Scheibe um ein Objekt, welches ein Sternentstehungsgebiet sein kann, aber auch ein schwarzes Loch. Akkretionsscheiben sind Gaswolken, die vor allem aus Wasserstoff bestehen.
Um nun verstehen zu können, was Akkretionsscheiben um schwarze Löcher sind, muss zuerst darauf eingegangen werden, wie Schwarze Löcher entstehen, wie der physikalische Begriff des Drehimpulses zu verstehen ist, um schlussendlich dann auf die Akkretionsscheiben zu sprechen zu kommen.
Fangen wir mit den Schwarzen Löchern an.
Wie entstehen Schwarze Löcher?
John Michell (1795) war der Erste, der sich nachweislich Gedanken über einen dichten Körper gemacht hat, dessen Gravitationskraft so groß sein sollte, dass sogar Licht ihm nicht entkommen kann und somit schwarz aussehen muss. In der rezenteren Geschichte hatte Eddington 1935 den Gedanken, dass es Objekte wie Schwarze Löcher geben könnte, die aus Sternen entstehen könnten. Er fand die Idee allerdings zu absurd. In Welt der Physik wurde schließlich der Ausdruck "Schwarzes Loch" von dem Physiker John Wheeler 1967 eingeführt. Eines der ersten Science-Fiction Bücher mit Beschreibung eines Schwarzen Loches findet man in Stanislaw Lems Roman Fiasko.
Schwarze Löcher können als Endzustand eines Sternes, der mehr als 3,2 Sonnenmassen besitzt, bei einer Supernova (Explosion eines Sternes) entstehen. Ein Teil der Masse des ursprünglichen Sterns wird bei einer solchen Explosion weggeschleudert. Der übrig gebliebene Rest der Stermasse fällt dann immer weiter in sich zusammen und wird komprimiert. Dabei wird die Dichte des so neu entstanden Körpers unglaublich erhöht und die Anziehungskraft (Gravitation) steigt dermaßen an, dass die Entweichungsgeschwindigkeit die ein Körper aufbringen müsste, um das Gravitationsfeld dieses Objekts zu überwinden, größer als die Lichtgeschwindigkeit wäre. Dieser Bereich wird als Ereignishorizont des Schwarzen Loches bezeichnet.
Wie wir wissen, ist laut der Allgemeinen Relativitätstheorie keine schnellere Bewegung als die Lichtgeschwindigkeit möglich. Das bedeutet, dass nichts also auch kein Licht das Gravitationsfeld dieses Objekts überwinden kann. Das Licht sitzt also in der Falle und das Objekt erscheint uns schwarz. Daher auch der Name: schwarzes Loch.
Am Ende haben wir einen Körper mit unendlich großer Dichte auf unendlich kleinem Raum. Zu diesem Zeitpunkt besitzen Schwarze Löcher nur noch 3 Eigenschaften: Masse, Drehimpuls und elektrische Ladung.
Dies führt uns zum zweiten Punkt:
Was ist der Drehimpuls?
Am besten man stellt sich ein Objekt vor, das sich um die eigene Achse dreht (wie z.B. die Erde). Der Drehimpuls ist eine physikalische Größe die die Drehbewegung beschreibt und im alltäglichen Sprachgebrauch Schwung genannt wird. Je größer der Schwung eines drehenden Objektes, desto größer der Drehimpuls; im weitesten Sinne könnte man daher sagen, dass der Drehimpuls die Stärke der Drehung beschreibt.
Doch wozu brauchen wir nun den Drehimpuls bei den Akkretionsscheiben?
Nun, der Drehimpuls ist eine der universellen Erhaltungsgrößen im Universum (wie auch z.B. die Energieerhaltung). Er verhindert, dass Materie, getrieben durch die Gravitationskraft, einfach kreisförmig in sich zusammenfällt, sondern anstatt dessen sich in Form von abgeplatteten Scheiben anordnet. Nur wenn die Materie ihren Drehimpuls auf andere Materie weiter außen abgibt, kann sie weiter nach innen wandern und schließlich auf das Zentralobjekt fallen. Der Mechanismus dabei ist, möglichst viel Drehimpuls auf möglichst wenig Masse zu verteilen. Dieser Vorgang wird als Akkretion bezeichnet und die Materiescheiben dementsprechend als Akkretionsscheiben.
Akkretionsscheiben findet man häufig bei sehr massereichen Objekten (u.a. schwarze Löcher), die über ihre Gravitationskraft Materie anziehen können. So z.B. auch enge Doppelsternsysteme, bei denen der eine Partner ein Stern der Riesenklasse ist und der andere Partner, meist ein Weißer Zwerg, Neutronenstern oder auch Schwarzes Loch ist, welches Materie vom Begleiter akkretieren. Die Materie kann aufgrund des Drehimpulses nicht einfach herabregnen, sondern bildet zuerst eine Akkretionsscheibe um das kompakte Zentralobjekt (Abb. 2). Durch den Vorgang der Akkretion kann das schwarze Loch Energie gewinnen, d.h. das schwarze Loch wird über die Akkretion gefüttert.
Prinzipiell gibt es zwei Arten von schwarzen Löchern: die Stellaren, die wie oben beschrieben, das Resultat einer Supernovae (Sternexplosion) ist, und die Supermassereichen (SMBH, mit mehr als 109 Sonnenmassen), welche in Zentren von Galaxien sitzen. Heute kann man davon ausgehen, dass in jedem Zentrum einer jeden Galaxie ein schwarzes Loch sitzt. Allerdings ist nicht jedes der SMBH aktiv.
Das schwarze Loch, das wir im Zentrum der Michstraße haben, ist zurzeit im Winterschlaf. (Abb 3.) Sind die SMBH jedoch hellwach, dann sind diese Akkretionsscheiben die hellsten bekannten Objekte im Universum und werden als aktive Galaxienkerne (Active Galactic Nucleus - AGN) bezeichnet. Doch auch, wenn es gerade keine Wechselwirkungen gibt, bleiben schwach ausgeprägte Akkretionsscheiben erhalten, wie auch im Zentrum unserer Galaxie, der Milchstraße. Leider ist aufgrund der Unmengen an Staub in der Sichtlinie kein direkter Blick im sichtbaren Spektrum auf das Schwarze Loch möglich (Abb 4).