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Gefangen im Wirbel aus Raum und Zeit Gefangen im Wirbel aus Raum und Zeit --
RotierendeRotierendeSchwarze Schwarze LöcherLöcher
Andreas MüllerAndreas MüllerTheoriegruppeLandessternwarte Heidelberg
08.12.2004AK Astronomie
Universität Stuttgart
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Eine ÜbersichtEine Übersicht
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Grundsätzliches über Schwarze Grundsätzliches über Schwarze LöcherLöcher
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Warum Schwarzes Loch?Warum Schwarzes Loch?
Fluchtgeschwindigkeit c
Krümmungssingularität in der Raumzeit
schwarz
Loch
Begriff „Schwarzes Loch“ stammt vom Relativisten John Archibald Wheeler (1968),aber erste Spekulation bereits vom Geologen und Astronomen John Michell (1783)
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Allgemeine RelativitätstheorieAllgemeine Relativitätstheorie
Schwarze Löcher sind Lösungen der Feldgleichungen der ART von Albert Einstein (1915)
Gµν = 8π TµνGeschichte:
Schwarzschild 1916 (statisch, neutral, Vakuum)Reissner-Nordstrøm 1918 (statisch, elektrisch geladen)Kerr 1963 (rotierend, neutral, Vakuum)Kerr-Newman 1965 (rotierend, geladen)
Raumzeit im metrischen Tensor gµν löst FeldgleichungMasse steckt in Punkt- oder Ringsingularität
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Schwarze Löcher haben keine Haare!Schwarze Löcher haben keine Haare!
Schwarzschild MReissner-NordstromM,QKerr M,aKerr-Newman M,a,Q
Wheeler: Keine-Haare Theorem
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Standardmodell der Standardmodell der TeichenphysikTeichenphysik
elementare Bausteine: Quarks und Leptonen
Alle Hadronen bestehen aus Quarkmaterie:
2 Quarks konstituieren Mesonen wie π, K, ...
3 Quarks konstituieren Baryonen wie p, n, Σ0, Ξ−, ...
auch Tetraquarks und Pentaquarks 2003 entdeckt!
leptonische Materie besteht aus e-, e+, µ, νe, ντ, ...
exotische ultradichte Aggregatzustände:
Quark-Gluonen Plasma, Diquarks
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Jenseits des StandardmodellsJenseits des Standardmodells
supersymmetrische Materie:
Superpartner wie Neutralino, Selektron, Higgsino, ...
bisher nicht nachgewiesen!
String- und Branen-Materie (Extradimensionen!)
Superstringtheorien
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Standardmodell der KosmologieStandardmodell der Kosmologie
Datengrundlage:
kosmische Hintergrundstrahlung (WMAP)
Supernovae Typ Ia
baryonische Materie Ωb = 0.04
Dunkle Materie ΩDM = 0.23, Ωm = ΩDM + Ωb = 0.27
baryonisch: Braune Zwerge, M-Zwerge, extrasolare Planeten, ...
nicht-baryonisch: Axion, WIMPs, Dark SUSY
Dunkle Energie ΩΛ = 0.73
kosmologische Konstante Λ, Quintessenzen, Phantom-Energie
antigravitativ: Expansion des UniversumsExpansion des Universums, Quantenvakuum?
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... und Schwarze Löcher?... und Schwarze Löcher?
Masse steckt in Krümmungssingularitäten
Diskussion des Riemannschen Krümmungstensors Rκλµν
„singuläre Materie“: Raumzeit-Singularitäten
„Masse ohne Materie“
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Statik vs. RotationStatik vs. Rotation
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MassenskalaMassenskala
TeV MBH ~1 TeVprimordial MBH ~ 1018 gstellar 1 M < MBH < 100 Mmassereich 100 M < MBH < 106 Msupermassereich 106 M < MBH < 1010 M
TeV Mini-Löcher in Teilchenbeschleunigernprimordial Frühes Universum, galaktische Saatkörner?stellar Schicksal massereicher Sterne, Mikroquasare massereich Kugelsternhaufen supermassereich Galaktische Zentren und AGN
Indikatoren stellarer Schwarzer Löcher: Hypernovae, GRBs, SupernovaeIndikatoren supermassereicher Schwarzer Löcher: MBH-σ- und MBH-Mbulge-Relationen
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BildungsmechanismenBildungsmechanismenTeV Stöße relativistischer Schwerionen?primordial Huhn-Ei Problem...
Brill-Wellen?topologische Defekte nach SSB?
stellar Gravitationskollaps massereicher SterneSN Ia: explodierende WDVerschmelzungsereignisse NS-SL, SL-SL
massereich akkretierende Schwarze Löcher Verschmelzung in Haufenzentren?Relikte supermassereicher Sterne?
supermassereich akkretierende Schwarze LöcherVerschmezungen in SternhaufenVerschmelzung von Galaxien
Prinzipiell alle Typen (?): super-kritische Brill-Wellen
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SupermassereicheSupermassereicheSchwarze LöcherSchwarze Löcher
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Dichotomie inAGN Typ 1 AGN Typ 2
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AGN TypAGN Typ--1 Spektrum1 Spektrum
IR UVopt Xγ
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Radiogalaxie Radiogalaxie CygCyg A, z = 0.056A, z = 0.056
starke RadioquelleEntfernung 233 MpcQuasar-ähnliche Morphologierelativistische Jets, β ~ 0.5cMSMBH ~ 2.5 x 109 M
CygAVLA
CygAChandra
Skizze
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Relativistisches Ray Relativistisches Ray TracingTracing
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Ray Ray TracingTracing MethodeMethode
Müller, Diplom 2000
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Einsteins DopplerEinsteins Doppler--EffektEffekt
Keplerbahnen bis zum Radius marginaler StabilitätNeigung ist Parameter mit stärkstem Einfluss
Müller, Diplom 2000
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Relativistischer DopplerfaktorRelativistischer Dopplerfaktor
klassischer Doppler-Effekt signifikant modifiziert!relativistisch: Beaming und Gravitationsrotverschiebungbeeinflußt jede Emission in der Nähe Schwarzer Löcher!
Müller, Diplom 2000
i = 60°a = 0.99rin = rHrout = 30.0
Kepler-Kinematik
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Relativistische StrahlungsverteilungRelativistische Strahlungsverteilung
Müller & Camenzind, A&A 2004
a = 0.1i = 40°rin = rH = 1.995 rgrout = 30.0 rgRt = 6.0 rgKepler + Drifttrunk. Emissivität
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SchwarzmalereiSchwarzmalerei
unterdrückte Emission durch GravitationsrotverschiebungVLBI an der Schwelle für direkte AuflösungVermessung des „Großen Schwarzen Flecks“ obskurative Methode
Müller 2002, PhD 2004
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Diagnostik mit EmissionslinienDiagnostik mit Emissionslinien
Fluoreszenz heißer IonenFe Kα bei ~ 6.4 keV dominantRöntgendaten: ASCA, Chandra, XMMLinienzoo!Quellen: Seyfert 1, Quasare Typ 1, Mikroquasarespektro-relativistische Methode
Müller & Camenzind, A&A 2004
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Löcher als GravitationslinsenLöcher als Gravitationslinsen
Deformation klassischer Ellipsenrelativistische Bildverzerrungstarke Abhängigkeit von Inklination!aberrative Methode
Müller, PhD 2004
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SternzerrissSternzerriss durch Gezeitendurch GezeitenGezeitenradius:
alle 10 000 JahreRX J1242-1119, z = 0.05(Komossa et al. 2004)
Akkretion stellarer BruchstückeFreisetzung von 1051 ergRöntgenflare!eruptive Methode
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Relevanz von RotationRelevanz von Rotation
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Penrose PaarbildungPenrose Paarbildung
Penrose-Prozess: Extraktion von Rotationsenergie des Lochs Williams 2002,2003
γγ e+e-
γsphere > MeV
γin ~ 10 keV
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JetJet--Scheiben SymbioseScheiben Symbiose
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Jet MotorJet Motor
Blandford-Znajek Mechanismus (1977):Extraktion von Loch-Rotationsenergie über MagnetfelderEnergiequelle: Loch
Blandford-Payne Szenario (1982):magneto-zentrifugal getriebener Ausfluss aus Akkretionsscheibe („Scheibenwind“)Energiequelle: Scheibe
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MagnetosphärenphysikMagnetosphärenphysik
Freisetzung von Feldenergie durch RekonnexiongravitomagnetischerDynamo: Torsion des Magnetfelds durch gravitomagnetische Kraft dominant toroidalesMagnetfeld!
Analogie:Jupiter Magnetosphäre, VLA 20cm
Van Allen StrahlungsgürtelSynchrotronstrahlung von e-
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Zug der rotierenden RaumzeitZug der rotierenden Raumzeit
Semenov et al., Science, 2004
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Magnetisch getriebene, bipolare JetsMagnetisch getriebene, bipolare Jets
Semenov et al., Science, 2004
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PoyntingPoynting FlüsseFlüsse
Poynting-Fluss dominierte Ausflüsse für extreme Kerr-Lösung Krolik et al. 2004
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Krise Schwarzer LöcherKrise Schwarzer Löcher
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GravasterneGravasterne und und HolosterneHolosterne
Alternativen zum Schwarzen Lochantigravitative Vakua: Dunkle Energie (Λ) vs. Stringskeine Singularität, kein Horizont!Aber: nicht-rotierend
Mazur & Mottola 2001 , Petri 2003
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NachweismethodenNachweismethoden
kinematischkinematisch: umlaufende Sterne/Flares, QPOs, M-σ Relationobskurativobskurativ: Strahlungsunterdrückung durch Gravitations-rotverschiebung („Großer Schwarzer Fleck“)aberrativaberrativ: Gravitationslinsen-Effekte, direkte Abbildung, indirekt bei Mikrolinsenspektrospektro--relativistischrelativistisch: Diagnostik mit Emissionslinienakkretivakkretiv: aktive Schwarze Löcher, typische AGN-Aktivität und Variabilitäteruptiveruptiv: Sternzerriss durch Gezeitenkäfte, Flares, Supernovae, Hypernovae, GRBsGravitationswellenGravitationswellen--induziertinduziert: z.B. SL-SL Einspiralphasebald im irdischen Laborirdischen Labor Teilchenbeschleuniger: Mini-Löcher und Hawking-Strahlung?
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Schwarze Löcher im InternetSchwarze Löcher im Internet
http://www.lsw.uni-heidelberg.de/users/amueller/astro_sl.html
Mehr Details, mehr Formeln, mehr Bilder...
http://www.lsw.uni-heidelberg.de/users/amueller/lexdt.html
Online-Lexikon zu vielen Begriffen der Astrophysik.
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Schwarze Löcher Schwarze Löcher auf Papier Iauf Papier I
Oktober AusgabeS.24 f
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Schwarze Löcher Schwarze Löcher auf Papier IIauf Papier II
Dissertation Andreas Müller, Oktober 2004:
Black Hole Black Hole AstrophysicsAstrophysics: : MagnetohydrodynamicsMagnetohydrodynamics on on thethe Kerr Kerr GeometryGeometry
182 Seiten, 53 Abbildungen, englisch, pdf mit 10 MB
Download unter:http://www.lsw.uni-heidelberg.de/users/amueller/downloads/PhD/PhD_AMueller.pdf