Allgemeine Relativitätstheorie

Schwarze Löcher, dunkle Materie

Weitere Überlegungen zu Schwarzen Löchern (SL)

Die beste Möglichkeit zur Entdeckung von SL bieten Doppelsternsysteme, bei denen sich ein SL und ein anderer Stern umkreisen. Das SL entzieht dem Stern große Mengen Gas, das komprimiert und aufgeheizt wird. Dabei entsteht messbare Röntgenstrahlung. Möglicherweise existieren Milliarden von SL, deren Massen zu einem kleinen Teil zu der ominösen Dunklen Materie im Kosmos beitragen könnten. Quasare – "quasi-stellare Licht- und Strahlungsquellen" – scheinen das Resultat des Kollapses riesiger Mengen Materie in ein SL. Sie scheinen so hell wie Sterne, obwohl sie in Entfernungen von ca. 10 Milliarden Lichtjahren die Zentren von Galaxien bilden. Für die Erzeugung der beobachteten Energien sind etwa eine Milliarde Sonnenmassen notwendig. Bei Quasaren handelt es sich wohl um den Gravitationskollaps der Zentralregion von Galaxien oder die Vereinigung mehrerer SL.

Einfluss der Quantenphysik auf SL
Laut Stephen Hawking ist es möglich, dass am Horizont des SL Photonen als virtuelle Teilchen entstehen und dem SL Energie in Form von Wärmestrahlung entziehen, indem eines der beiden Photonen vom Horizont verschlungen wird, das andere aber nicht. Hawking errechnet die Lebensdauer des SL auf etwa 10⁷⁰ Jahre, lang, aber endlich. Die Strahlung verringert die Masse des SL, bis der Schwarzschild-Radius nur noch dem des Atomkern entspricht. Dann erfolgt eine gigantische Explosion.
Möglicherweise existieren SL, die noch von Urknall herrühren und jederzeit explodieren können, doch trotz intensiver Suche nach Gammastrahlen solcher Ereignisse konnte bisher nichts gefunden werden.

Gravitationswellen
Plötzliche Veränderungen der Raum-Zeit-Struktur sollten Gravitationswellen hervorrufen, mit Lichtgeschwindigkeit davoneilende Schwebungen der Raum-Zeit-Struktur. Die Verschmelzung zweier Neutronensterne zu einem SL lässt die riesige Energie von 10⁴⁵ W/s als Gravitationswelle frei. Auf der Erde sucht man mit Hilfe von Gravitationswellen-Interferometern nach solchen Wellen, konnte aber bisher keine feststellen.

Kosmische Aussichten
Hubble entdeckte, dass sich die meisten Galaxien voneinander fortbewegen (Rotverschiebung), d.h. nicht die Galaxien bewegen sich durch den Raum< fort, sondern der Raum selbst dehnt sich aus. Friedmann errechnete aus den Feldgleichungen, dass das Universum nicht statisch sein kann; entweder nehmen Materiedichte und Raumkrümmung ab oder zu. Eine der aktuellsten Fragen des Astronomie ist, ob sich das Universum für alle Zeiten weiter ausdehnt oder ob es sich nach einem Wendepunkt wieder zusammenzieht.

Entscheidend ist dafür die Expansionsgeschwindigkeit und die Materiedichte im Kosmos. Möglich ist

Fall 1: eine permanente Expansion, ein "offenes Universum" mit negativer
Raumkrümmung und zu geringer Materiedichte; keine Umkehr und Kontraktion;

Fall 2: ein "geschlossenes Universum" mit positiver Raumkrümmung und ausreichender Materiedichte; oder

Fall 3: der Grenzfall, indem die Expansion nach unendlich langer
Zeit zum Stillstand kommt – ein euklidischer Raum ohne Krümmung.

Besondere Anmut verspricht keine der Möglichkeiten, doch davon später mehr im Kapitel "kosmische Perspektiven"

Die "kritische Massendichte" für den Grenzfall beträgt ca. 3 Wasserstoffatome pro m³.

Der Omega-Faktor Ω ist die reale durchschnittliche Massendichte geteilt durch kritische Massendichte.
Ω = 1 bedeutet Grenzfall 3    Ω < 1 bedeutet Fall 1    Ω > 1 bedeutet Fall 2

Auf Basis der sichtbaren, leuchtenden Materie ist Ω nur einige % von 1; unter Einschluss aller denkbarer SL kaum mehr als 10 %.

Hier setzt die Suche nach der Dunklen Materie ein. Analysen der Struktur von Galaxien ergaben, dass etwa zehnmal soviel Dunkle Materie wie leuchtende Materie vorhanden sein muss. Sollten z.B. Neutrinos nicht wie angenommen masselos sein, könnten sie durch ihre Masse Ω nahe an 1 heranbringen. Das eigentlich Wunderbare scheint jedoch die Tatsache, dass Ω überhaupt in der Größenordnung von 1 ist, denn theoretisch könnte es auch zigtausendmal so groß sein.

Der Urknall

Nach den Friedmann-Berechnungen stand am Anfang von Raum, Zeit und Materie der Urknall, die Expansion aus einer Singularität mit unendlich hoher Dichte und Temperatur. Nach allgemeiner Übereinstimmung liegt der Urknall etwas 15 Milliarden Jahre zurück.

Bewiesen wurde die Urknall-Theorie und die hohe Ausgangstemperatur durch die Entdeckung der von der Theorie geforderten kosmischen Hintergrundstrahlung, das "Echo des Urknalls", die mit einer Temperatur von 2,7°K den gesamten Weltraum nahezu gleichförmig erfüllt.