Was ist der Beweis für ein supermassereiches Schwarzes Loch im Zentrum der Milchstraße?

Schwarze Löcher können nicht gesehen werden, da sie weder sichtbares Licht noch elektromagnetische Strahlung aussenden.

Dies ist insofern nicht ganz korrekt, als sichtbares Licht beim Einfangen geladener Materie aus der Strahlung emittiert wird, wenn es in das starke Gravitationspotential des Schwarzen Lochs fällt, aber es ist nicht stark genug, um eine Entdeckung eines Schwarzen Lochs zu charakterisieren . Röntgenstrahlen werden auch emittiert, wenn die Beschleunigung der geladenen Teilchen hoch ist, wie es von einer attraktiven Senke eines Schwarzen Lochs erwartet wird.

Der Verdacht auf die Existenz eines Schwarzen Lochs ergibt sich aus kinematischen Unregelmäßigkeiten in Umlaufbahnen. Zum Beispiel:

Doppler-Studien dieses blauen Überriesen in Cygnus zeigen eine Periode von 5,6 Tagen im Orbit um einen unsichtbaren Begleiter.

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1. Eine Röntgenquelle wurde 1972 im Sternbild Cygnus entdeckt (Cygnus X-1). Röntgenquellen sind Kandidaten für Schwarze Löcher, da Materie, die in Schwarze Löcher strömt, ionisiert und stark beschleunigt wird, wodurch Röntgenstrahlen erzeugt werden.

2. Ein blauer Überriesenstern, etwa 25-mal so schwer wie die Sonne, wurde gefunden, der offenbar um die Röntgenquelle kreist. Es ist also etwas massives, aber nicht leuchtendes vorhanden (Neutronenstern oder Schwarzes Loch).

3. Dopplerstudien des blauen Überriesen zeigen eine Umlaufzeit von 5,6 Tagen um das dunkle Objekt. Die Verwendung der Periode plus Spektralmessungen der Umlaufgeschwindigkeit des sichtbaren Begleiters führt zu einer berechneten Systemmasse von etwa 35 Sonnenmassen. Die berechnete Masse des dunklen Objekts beträgt 8-10 Sonnenmassen; viel zu massereich, um ein Neutronenstern zu sein, der eine Grenze von etwa 3 Sonnenmassen hat - also Schwarzes Loch.

Das ist natürlich kein Beweis für ein Schwarzes Loch – aber es überzeugt die meisten Astronomen.

Ein weiterer Beweis dafür, dass das unsichtbare Objekt ein Schwarzes Loch ist, ist die Emission von Röntgenstrahlen von seinem Standort, ein Hinweis auf Temperaturen in Millionen von Kelvin. Diese Röntgenquelle zeigt schnelle Schwankungen mit Zeitskalen in der Größenordnung von einer Millisekunde. Dies deutet auf eine Quelle hin, die nicht größer als eine Licht-Millisekunde oder 300 km ist, also ist sie sehr kompakt. Die einzigen Möglichkeiten, die wir kennen, die so viel Materie in einem so kleinen Volumen unterbringen würden, sind Schwarze Löcher und Neutronensterne, und der Konsens ist, dass Neutronensterne nicht massereicher als etwa 3 Sonnenmassen sein können.

Aus häufig gestellten Fragen: Welche Beweise haben wir für die Existenz von Schwarzen Löchern? , zuerst in einer Google-Suche:

Astronomen haben überzeugende Beweise für ein supermassereiches Schwarzes Loch im Zentrum unserer eigenen Milchstraßengalaxie, der Galaxie NGC 4258, der riesigen elliptischen Galaxie M87 und mehreren anderen gefunden. Wissenschaftler bestätigten die Existenz der Schwarzen Löcher, indem sie die Geschwindigkeit der Gaswolken untersuchten, die diese Regionen umkreisen. 1994 maßen Daten des Hubble-Weltraumteleskops die Masse eines unsichtbaren Objekts im Zentrum von M87. Basierend auf der Bewegung des Materials, das um das Zentrum wirbelt, wird das Objekt auf etwa 3 Milliarden Sonnenmassen geschätzt und scheint in einem Raum konzentriert zu sein, der kleiner ist als unser Sonnensystem.

Auch hier ist es nur ein Schwarzes Loch, das diese Daten in unser allgemeines Relativitätsmodell des Universums einfügt.

Der Beweis für unsere Galaxie basiert also auf dem kinematischen Verhalten der Sterne und Sternensysteme im Zentrum unserer Galaxie.

Wenn sich das Schwarze Loch mitten im Nirgendwo befinden würde und von Materie umgeben wäre, dann wäre es in der Tat ziemlich schwierig, es zu beobachten. Jedes Schwarze Loch mit einer beträchtlichen Masse sendet eine extrem kleine Menge an Hawking-Strahlung aus, und das war's. Das Schwarze Loch im Zentrum unserer Galaxie ist jedoch von Materie umgeben. Daher können wir es durch seine Anziehungskraft auf diese Materie beobachten.

Zuerst schaust du auf die umliegenden Sterne und entdeckst, dass sie etwas umkreisen.

Die Perioden sind klein, wobei S2 die Umlaufbahn in nur 15,2 Jahren abschließt (die Beobachtungen über 15 Jahre sind in diesem Clip zu sehen , dank luk32 für den Link zum Bild). Solche kurzzeitigen Umlaufbahnen weisen auf die Anwesenheit des supermassereichen Objekts hin:

Aber es gibt auch Materie in der Nähe des Schwarzen Lochs. Unter seiner enormen Anziehungskraft wird die meiste Materie verstreut, während ein kleiner Teil zur Inspiration getrieben wird, bis es in dem als Akkretion bekannten Prozess auf das Schwarze Loch fällt. Die fallende Materie strahlt hauptsächlich im Funkspektrum, was dazu führt, dass sie Energie verliert und weiter fällt. Wir können diese Strahlung an der anwachsenden Materie sehen.

Was wir jedoch nicht sehen, ist die Strahlung des Objekts, auf das diese Materie fällt. Durch all das herunterfallende, an der Oberfläche komprimierte und überhitzte Material würde jedes gewöhnliche Objekt sehr hell sein. Stattdessen ist es sehr düster, als wäre all diese Materie irgendwann einfach verschwunden. Dies steht im Einklang mit der Existenz des Horizonts des Schwarzen Lochs.

Ein ähnliches Prinzip funktioniert für andere Kandidaten für Schwarze Löcher. Wir können seine Anziehungskraft auf die umgebende Materie und die Strahlung von der Akkretionsscheibe in seiner Nähe beobachten.

Sagittarius A* (das Schwarze Loch im Zentrum unserer Galaxie) hat einige der besten Beobachtungsbeweise für Schwarze Löcher, die ich je gesehen habe. Sehen Sie sich hier die Animationen der UCLA anaus unseren Beobachtungen gemacht. Dies basiert auf Daten, die über einen Zeitraum von 20 Jahren erhoben wurden. Sie können die hellen Flecken (Sterne) sehen, die um einen Fleck des Nichts kreisen. Diejenigen, die wirklich nahe kommen, peitschen mit einer wahnsinnigen Geschwindigkeit herum, werden aber schnell langsamer, wenn sie sich entfernen. Was auch immer im Mittelpunkt steht, hat offensichtlich eine respektable Masse. Beachten Sie aber auch, dass sich die Sterne immer um etwas zu bewegen scheinen, das sich im Totpunkt befindet (und ihre Umlaufbahnen Ellipsen sind, was zeigt, dass wir die Kamera nicht nur bewegen, um sie im Zentrum zu halten). Bedenken Sie, dass die Masse dieser Sterne neben der Masse des Zentralkörpers wahnsinnig klein sein muss, sonst würde sie in die andere Richtung in den Weltraum geschleudert, wenn ein Stern wirklich nahe kommt.

Hier können Sie also massive Sterne sehen, die etwas umkreisen, das kein Licht abgibt und um Größenordnungen massiver sein muss als jeder der Sterne um ihn herum. Nun, das scheint zum Profil eines Schwarzen Lochs zu passen. Außerdem ist die Masse, die wir berechnen müssen, hoch genug, dass alles, was so massiv und kompakt ist, zu einem schwarzen Loch zusammenbrechen müsste.

PS Wenn Sie sich die Videos nicht angesehen haben, tun Sie es. Sie sind großartig; Ich liebe sie.

Kurze Antwort: Es gibt zwingende Beweise für die Existenz eines supermassiven dunklen kompakten Objekts im Zentrum der Milchstraße, aber die Schlussfolgerung, dass dieses kompakte Objekt ein Schwarzes Loch ist (und daher einen Horizont hat), ist noch lange nicht gesichert. Darüber hinaus mag die Aussage „Schwarze Löcher existieren in unserem Universum“ grundsätzlich nicht widerlegbar sein, aber Alternativen zu Schwarzen Löchern können ausgeschlossen oder durch Experimente bestätigt werden.

Längere Antwort. Das Zentrum unserer Galaxie beherbergt einen Kandidaten für ein supermassereiches Schwarzes Loch , das unter anderen angeblichen Schwarzen Löchern am besten durch Beobachtungen eingeschränkt wird. Seine Masse und Entfernung wurden aus den Umlaufbahnen naher Sterne und seinen Eigenbewegungsstudien genau bestimmt, und es wurde festgestellt, dass hochfrequente Radio- und hochvariable Nahinfrarot- und Röntgenemissionen von diesem Objekt aus einem Umkreis von wenigen Schwarzschild stammen Radien dieses sehr kompakten Objekts.

Andere Antworten führen diese Beweise detaillierter auf, aber lassen Sie mich Folgendes betonen: Dies sind alles Beweise für ein massives dunkles kompaktes Objekt , nicht unbedingt für das Schwarze Loch.

Geht man von der Gültigkeit der klassischen allgemeinen Relativitätstheorie aus, gibt es nur eine mögliche Interpretation: Im Zentrum unserer Galaxie befindet sich ein Schwarzes Loch. Es besteht jedoch immer die Möglichkeit, dass es eine neue Physik gibt, die in Situationen relevant wird, in denen sich ein Schwarzes Loch in gewöhnlichem GR bilden würde, eine Physik, die möglicherweise die Bildung eines Horizonts verhindern würde, das definierende Merkmal eines Schwarzen Lochs.

Was könnte also eine Alternative zum Schwarzen Loch sein? Der allgemeine Name ist ein exotisches kompaktes Objekt (ECO). Es kann als zwei miteinander verklebte Regionen gesehen werden: das Äußere der Lösung des Schwarzen Lochs, das aus einiger Entfernung beginnt$r_g\cdot\epsilon$(wo$r_g$ist der Schwarzschild-Radius für eine gegebene Masse eines ECO ) des angenommenen Horizonts und des Inneren , das aus exotischem Material besteht, auf eine Weise, die nicht zur Bildung der Horizonte führt. Wenn der Parameter$\epsilon$klein genug ist, dann könnten die meisten Merkmale, die man von Schwarzen Löchern erwarten könnte: starker Gravitationslinseneffekt, allgemeines relativistisches Verhalten der Umlaufbahnen in der Nähe des ECO einschließlich Photonensphäre , Ergosphäre , Bildung von Gravitationswellen durch Verschmelzungen der kollidierenden ECO usw. vorhanden sein bei solchen Objekten.

Beim klassischen GR ist es für kein Signal (EM oder GW) möglich, die Oberfläche des Horizonts zu verlassen. Für jeden gegebenen Effekt eines Schwarzen Lochs wäre es also möglich, klein genug zu wählen$\epsilon$so dass es unmöglich wäre, zwischen einem echten Schwarzen Loch und einem hypothetischen ECO zu unterscheiden, das keinen Horizont hat, was bedeutet, dass die Existenz von Schwarzen Löchern nicht falsifizierbar ist.

Es gibt verschiedene theoretische Modelle, die zur Bildung von ECOs anstelle von Schwarzen Löchern führen. Die meisten von ihnen basieren auf etwas spekulativen Annahmen über das Verhalten bestimmter Modelle der Quantengravitation (oder spezifische Eigenschaften des Materiegehalts) im starken Regime.

Eine Übersicht über verschiedene Arten von Alternativen zu Schwarzen Löchern findet sich in einem kürzlich erschienenen Artikel:

• Cardoso, V., & Pani, P. (2017). Tests auf die Existenz von Schwarzen Löchern durch Gravitationswellenechos . Nature Astronomy, 1(9), 586, doi , arXiv , erweiterte Version .

Dieses Papier ist leicht zugänglich und enthält die folgende Abbildung, die einen Überblick über verschiedene Arten von ECO gibt:

Beispiel:$2-2$hole , hier ist ein Vorschlag für eine bestimmte Art von ECO (hauptsächlich ausgewählt, weil ich das noch nie gesehen habe):

• Holdom, B., & Ren, J. (2017). Nicht ganz ein schwarzes Loch . Physical Review D, 95(8), 084034, doi , arXiv .

Es basiert auf einer mutmaßlichen Analogie zwischen Quantenchromodynamik und quadratischer Quantengravitation: oberhalb einer bestimmten Größenordnung$\Lambda_{QQG}$Die Quantengravitation weist einen Spin-2-Geister auf. Ein starkes Gravitationsregime wäre also ganz anders als das Infrarotregime, das die klassische quadratische Gravitation ist. EIN$2-2$Loch ist eine Lösung, die ein Äußeres der Schwarzschild-Lösung bis zu einer Planck-Eigenlänge des Möchtegern-Horizonts ist, während es im Inneren eine Phase starker Quantengravitation ohne Horizont gibt:

Experimentelle Tests Obwohl es viele Modelle für verschiedene ECO-Typen gibt, können sie durch Experimente eingeschränkt werden:

• Sich schnell drehende ECOs zeigen oft Instabilität und verlieren Drehimpuls. Die Beobachtung eines großen Drehimpulses von Kandidaten für Schwarze Löcher würde solche Modelle ausschließen.

• Verschmelzende ECOs hätten Echos in der Signatur von Gravitationswellen. Die Analyse von Daten von LIGO und zukünftigen Generationen von GW-Detektoren könnte einige ECO-Modelle unterstützen oder widerlegen. Siehe zum Beispiel dieses Papier:

  Abedi, J., Dykaar, H., & Afshordi, N. (2017). Echoes from the Abyss: Vorläufige Beweise für eine Struktur im Planck-Maßstab an Horizonten von Schwarzen Löchern. Physical Review D, 96(8), 082004, doi .

• Das vorgeschlagene Event Horizon Telescope könnte Daten über ECO sammeln.

Und so wird diese Heimindustrie von Alternativen zu Schwarzen Löchern hauptsächlich von der Hoffnung (so klein sie auch sein mag) angetrieben, dass Beobachtungen der fast möglichen Horizontstruktur uns ein Fenster in die Quantengravitation geben würden.

Zunächst einmal geben die Akkretionsscheiben von Schwarzen Löchern Strahlung ab. Das ist eine Methode, mit der Astronomen Schwarze Löcher entdecken, d. h. die einfallende Strahlung beobachten. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Bewegung von Objekten mit der Bewegung zu vergleichen, die von Objekten in der Nähe von Schwarzen Löchern erwartet wird. Dies ist relevant für Ihre Frage: Viele Astronomen haben festgestellt, dass die Bewegung von Sternen in der Nähe des Zentrums unserer Galaxie der erwarteten Bewegung von Sternen in Gegenwart von Schwarzen Löchern entspricht. Dies ist ein Beweis für das Vorhandensein eines massiven Schwarzen Lochs im Zentrum der Milchstraße.

Schwarze Löcher sind wie deine Death Metal liebenden Nachbarn, die nie ihre Wohnung verlassen: Du kannst sie nicht sehen, aber du weißt sicher, dass sie da sind.

Wenn Sie sagen, dass "Schwarze Löcher nicht sichtbar sind, weil sie keine elektromagnetische Strahlung aussenden", haben Sie nominell Recht: Die Menge an Hawking-Strahlung, die die großen aussenden, ist so gering, dass sie vor dem Mikrowellenhintergrund tatsächlich einen Schatten bilden.

Aber Schwarze Löcher interagieren auf dramatische Weise gravitativ mit ihrer Umgebung. Die jenseitige Beschleunigung von Materie, die das Schwarze Loch umkreist und in es hineinfällt, kann zu ziemlich spektakulären Strahlungsemissionen führen. Dieser Artikel aus dem Jahr 2015 berichtet über Röntgenemissionen, die vom Chandra-Observatorium in der Radiogalaxie Pictor A beobachtet wurden. Die Hypothese ist, dass es sich bei den Röntgenstrahlen um Synchrotronstrahlung handelt, die von einem hochenergetischen Teilchenjet ausgeht, der wiederum in der Nähe des Schwarzen Lochs entsteht im Zentrum der Galaxie.

Um einen Überblick über das Ausmaß der Ereignisse zu bekommen, wollen wir uns ein paar Zahlen ansehen.

• Die Leistung der beobachteten Strahlung wird auf etwa 2*10 ³⁵ Watt geschätzt. Das ist eine halbe Milliarde Mal die gesamte Sonnenenergie .
• Die beobachtbare Strahlung ist nur ein kleiner Bruchteil der Strahlkraft, die auf das 100- bis 1000-fache geschätzt wird. Das würde die Energieabgabe der Strahlen gleich der Energieabgabe einer kleinen Sternengalaxie machen.
• Der Strahl hat einen Durchmesser von mehreren Kiloparsec. Das macht sie breiter als die Höhe unserer Galaxie und macht einen wesentlichen Bruchteil des Durchmessers unserer Galaxie aus.

Kein bekannter Mechanismus außerhalb von Schwarzen Löchern wäre in der Lage, irgendetwas in diesem Ausmaß zu bewirken. Sie wissen, dass Ihre Nachbarn da sind, weil sie mehr Lärm verursachen als der gesamte Rest Ihres Wohnblocks.