Jean-Pierre Luminet

Schwarze Locher

Jean-Pierre Luminet

Schwarze Locher

Aus dem Franzosischen iibersetzt von Thomas Filk

Mit 71 Abbildungen

Facetten

II Vleweg

TiteI der franzosischen Originalauflage: Les trous noirs © Belfond, 1987

Der Ubersetzung Iiegt die iiberarbeitete, 1992 bei Editions du SeuiI erschienene Ausgabe zugrunde.

AIle Rechte vorbehalten © Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbH, Braunschweig/Wiesbaden, 1997 Softcover reprint of the hardcover 1 st edition 1997

Der Verlag Vieweg ist ein Unternehmen der BerteIsmann Fachinformation GmbH.

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Umschlaggestaltung: Schrimpf und Partner, Wiesbaden

Gedruckt auf saurefreiem Papier

ISSN 0949-1295 ISBN-13: 978-3-322-85015-7 e-ISBN-13: 978-3-322-85014-0 DOl: 10.1007/978-3-322-85014-0

Dieses Buch ist all jenen gewidmet, fUr die eine Antwort eine neue Frage ist.

Danksagung

Jean Audouze, Philippe Andre, Rene Lachal, Jean-Alain Marek, Sylvano Bo­nazzola, Christian Poinas, Brandon Carter, Laurent Nottale, Andrew King und Egidio Landi haben liebenswerterweise - jedoch auch ohne Nachsicht - mein Manuskript gelesen, diskutiert und korrigiert. Ich schulde ihnen tiefen Dank.

Bucher sind nicht dazu da, daB man ihnen blind vertraut, sondem daB man sie einer Priifung unterzieht. Wenn wir ein Buch zur Hand nehmen, durfen wir uns nicht fragen, was es besagt, sondem was es besagen will ...

UMBERTO Eeo, Der Name der Rose

Vorwort zur zweiten franzosischen Auflage

Ais ich Anfang Februar 1987 mein Manuskript der Schwarzen LOcher meinem Herausgeber Pierre Be1fond iibergab, konnte ich nicht ahnen, daB eine Woche spiiter ein auBergewohnliches astronomisches Ereignis stattfinden soUte, auf das man nahezu vier lahrhunderte gewartet hatte, und das ich in meinem 6. Ka­pitel herbeisehnte: die Explosion eines Sternes, nahe genug, urn mit bloBem Auge gesehen werden zu konnen, in Form einer Supernova. Dieses kosmische Ereignis hat vieUeicht ein schwarzes Loch erzeugt, oder zumindest ein unvor­stellbar dichtes Objekt, das mit einer schwindelerregenden Geschwindigkeit herumgewirbelt wird.

Aus technischen Griinden war es nicht mehr moglich, den entsprechenden Teil des Buches zu revidieren, und ich muBte mich mit einer FuBnote zufrieden geben. Seitdem hat der riesige Fortschritt auf dem Gebiet der beobachtenden Astronomie eine Unzahl weiterer Neuheiten am Himmel enthiillt, die mehr oder weniger mit der Existenz schwarzer Locher zusammenhiingen. Neben Korrekturen und einzelnen Verbesserungen, die von besonders aufmerksamen Lesern vorgeschlagen wurden, erschien es mir daher notwendig, die vorliegen­de Aufiage in wesentlichen Punkten auf den neuesten Stand zu bringen.

Bei den theoretischen Fragen, die ungefiihr die Hiilfte des Buches au sma­chen, gab es kaum einen Fortschritt. Das Innere der schwarzen Locher bleibt - und wird es auch noch fiir lange Zeiten bleiben - nach wie vor riitselhaft, aber ich habe einige neuere Spekulationen iiber Wurmlocher hinzugefiigt, jene seltsamen Strukturen, die einem beherzten Raumfahrer als "Abkiirzungen" in der Raum-Zeit dienen konnen.

Demgegeniiber hat die andere Hiilfte des Buches, das den wirklichen Beob­achtungen des Himmels gewidmet ist, durch den aktuellen Fortschritt groBere Veriinderungen erfahren. Ich habe selbstverstiindlich neue Abschnitte zur Su­pernova vom Februar 1987 und den in diesem Zusammenhang nachgewiesenen Neutrinos eingefiigt. Diese Beobachtung von Neutrinos markiert den Anfang einer neuen Astronomie. Ich habe das Thema der Gravitationslinsen weiter aus­gearbeitet, das zu einem der Schliisselbereiche der beobachtenden Kosmologie geworden ist (und sichtbarer Beweis fiir die Realitiit der Raumkriimmung). Ich muBte unsere Vorstellung vom galaktischen Zentrum - fruchtbare Wiege und

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geeigneter Nahrboden schwarzer Locher - den Signalen des Teleskops Sigma anpassen. Dieser Gammastrahlendetektor in einem Satelliten hat insbesondere eine neue Rontgen-QueUe entdeckt, die einem schwarzen Loch zum Verwech­seln ahnlich ist. Neue Nachrichten aus den fernen Bereichen des Kosmos ha­ben monatlich Zusatze erforderlich gemacht. Planeten wurden auf Bahnen urn Pulsare entdeckt. 1m Sternbild des Schwans hat eine auBergewohnliche No­va die Liste der Kandidaten schwarzer Locher verI angert, wohingegen neue Gewichtsbestimmungen des Sterns SS-433 diese Liste verkiirzt hat. Ein neuer astronomischer Satellit hat enthiillt, daB die Gamma-,,Burster", ratselhafte kos­mische Eruptionen mit hochenergetischer Strahlung, sehr viel weiter entfernt sind, als urspriinglich angenommen. Es handelt sich daher urn unvorstellbar intensive und sehr seltene Ereignisse, moglicherweise urn die Spuren von Ster­nen, die innerhalb eines kurzen Augenblicks von der Gravitationskraft riesiger schwarzer Locher zerstort werden.

Ich habe auch ein musikalisches und astronomisches "Spektakel" beschrie­ben, bei dem ich kiirzlich das Gliick hatte, mitwirken zu konnen, die Nacht der Sterne, wo der Gesang von Pulsaren mit einer von Menschen gespielten Musik in einen Dialog tritt. 1m Innersten bin ich namlich der Uberzeugung, daB die Kunst, ebenso wie die Wissenschaft, teilhat an einer komplementiiren Suche nach der Schonheit - wenn nicht gar nach der Wahrheit - der Welt, die uns gegeben wurde, sie zu verstehen.

Sicherlich werden die Entdeckungen in den wenigen Monaten zwischen dem letzten "update" und dem Erscheinen dieses Buches unsere Theorien verbessert haben, und vielleicht andere als falsch erwiesen haben. Ich freue mich schon jetzt auf den nachsten "update" ...

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Vorwort von Jean Audouze

Die Geschichte des Universums und seiner Entwicklung bringt uns immer wie­der zu den fundamentalen Fragen tiber unsere eigene Geschichte und das Ver­sUindnis unserer Umgebung. Die Astrophysiker haben das zweifelhafte Privi­leg, den umfassendsten Blick auf unser Universum werfen zu konnen. Teil­chendetektoren dienen heute der Erkundung weiter Sterne ebenso wie groBe Teleskope, und yom unendlich Kleinen bis hin zum unendlich GroBen, im Raum und in der Zeit, wird das Universum uns immer wieder tiberraschen und allmahlich die Vielfalt seiner Strukturen preisgeben.

In dieser Hinsicht leben wir in einer aufregenden Zeit. Jedes neue Jahr be­schert der Astronomie ein wichtigen Ereignis: 1986 war durch die Erkundun­gen von Uranus und dem Halleyschen Kometen gekennzeichnet, die uns viel tiber die Entstehung unseres Sonnensystems lehrten; 1988 wird den Start des Teleskops Spatial sehen; 1989 ktindigt sich durch die Erforschung des Planeten Neptun an, 4,5 Milliarden Kilometer von uns entfernt. .. Und 19877 Seit dem 24. Februar wissen wir, daB dieses Jahr flir lange Zeit als das Jahr der "Super­novaexplosion" in der GroBen Magellanschen Wolke in den Annalen bleiben wird. Dieses seltene und kurzlebige Ereignis, auf das die Astronomen seit vier Jahrhunderten gewartet haben, ist urn so auBergewohnlicher, als moglicherwei­se "vor unseren Augen" einer der fremdartigsten Himmelskorper entstanden ist: ein schwarzes Loch.

Die "Erfindung" der schwarzen Locher ist zweifelsohne eines der ktihnsten intellektuellen Abenteuer der heutigen Zeit. Schon die Bezeichnung "schwar­zes Loch" besitzen eine magische Bedeutung: Es gibt in unserem Universum Objekte, die man nicht sehen kann, die aber samtliche Materie der Umgebung absorbieren konnen. Abgeschlossene Welten, vollkommen getrennt von der unsrigen, offnen sich zu einem bodenlosen Schlund, in dem alles, jede Mate­rie, unweigerlich zermalmt wird ... Die Eigenschaften schwarzer Locher sind so seltsam, daB sie lange Zeit der Glaubhaftigkeit des Begriffs geschadet haben, obwohl sie bei sensationsstichtigen Amateuren immer beliebt waren. Schwar­ze Locher bertihren die Grundlagen unserer Vorstellungen tiber Raum und Zeit. Die breite Offentlichkeit hat das wohl verstanden und sie herzlich wiII-

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kommen geheiBen: Schwarze Locher wurden die HeIden von Science fiction­Geschichten, Comic strips und Katastrophenfilmen.

Obwohl diese Begriffe zweifellos geheimnisvolle Aspekte haben, so sind sie doch nicht weniger "magisch" als andere anscheinend vertrautere Speku­lationen, wie beispielsweise die Anwensenheit von Leben urn andere Sterne als die Sonne. Mein Freund Jean-Pierre Luminet besitzt die Gabe, die kom­pliziertesten Zusammenhange auf dem Gebiet der Gravitation und der Rela­tivitatstheorie nicht nur zu verstehen und aufzudecken, sondern er kann den Inhalt seiner Entdeckungen auch in einfacher Form darstellen und andere dar­an teilhaben lassen. Er hat nun ein meisterhaftes Buch tiber die Natur und die Existenz der schwarzen Locher geschrieben. Er entftihrt uns zu einer Reise in die Zeit und den Raum, dorthin, wo die Gravitationskrafte regieren und die Raum-Zeit ihren gebieterischen Launen unterwirft. Am Ende dieser Reise, bei der unser kosmischer Erzahler jeden Schritt beleuchtet, wird der Leser erken­nen, daB der Begriff des schwarzen Loches nicht mehr so geheimnisvoll ist, und daB es am Himmel tatsachlich Objekte gibt, die aIle charakteristischen Symptome schwarzer Locher zeigen. Der Autor zeigt uns auch, daB schwarze Locher ein groBartiges analytisches Hilfsmittel sind, eine Art theoretisches Te­leskop mit veranderbarer VergroBerung, mit dem sich sowohl die Geheimnisse des Mikroskopischen wie auch des Makroskopischen durchforschen lassen. In diesem Sinne bilden sie ftir uns einen wichtigen Schltissel ftir das Verstandnis des Universums.

Schwarze Locher haben ihren Ursprung im inteIlektuellen Abenteuer, doch in zuktinftigen Jahrhunderten werden sie vielleicht in den Augen der Raumfah­rer zu dem Abenteuer an sich. Ahnlich den Seefahrern des Altertums werden sie ftirchten, die Grenzen der Welt zu tiberschreiten und dort in das Leere und Unbekannte hinabzusttirzen. SchlieBlich hoffe ich, daB der Leser, ebenso wie ich, aus diesem Buch den Eindruck gewinnen wird, daB die modernen Ent­wicklungen auf dem Gebiet der Astrophysik eben so faszinierend zu entdecken und zu verschlingen sind, wie die phantasievollsten Science-fiction-Romane.

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Inhaltsverzeichnis

I Gravitation und Licht

1 Die Anfange 1.1 Der GliickIichste unter den SterbIichen . 1.2 Der Appetit auf Planeten . . . . . . . . 1.3 Zwei Vorlaufer der unsichtbaren Welten 1.4 Die Feldtheoretiker . . . . . 1.5 Licht im Sinne von Maxwell . . . . . .

2 Relativitat 2.1 Die Wellen werden gestOrt 2.2 Bewegung und Ruhe .. 2.3 Ein Schutze und ein Zug . 2.4 Der Ather . . . . . . . . . 2.5 Ein manipuIiertes Rennen . 2.6 Die Spezielle Relativitatstheorie 2.7 Eine Theorie liegt "in der Luft" . 2.8 Das Gewebe aus Licht .. 2.9 Zeit zum Spielen . . . . . 2.10 Die relativistische Bombe .

3 Die gekriimmte Raum-Zeit 3.1 Das Aquivalenzprinzip . 3.2 Ein neues Inertialsystem 3.3 Kosmisches Golfspiel .. 3.4 Gekrummte Geometrien 3.5 Geometrie und Materie . 3.6 Der Licht-Pudding ... 3.7 Die Einsteinschen Gleichungen . 3.8 Die Allgemeine Relativitatstheorie auf dem Prtifstand . 3.9 Eine magische Theorie . . . . ........ .

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II Au6ergewohnliche Uberreste Vorbemerkungen . . . . . . . . . . . . .

4 Chronik der heillen Jahre 4.1 Die Geburt der Sterne . . 4.2 Der Kampf des Feuers . 4.3 Das verbleibende Leben 4.4 Roter Psalm . . . .

5 Asche und Diamant 5.1 Die Planetarischen Nebel 5.2 Eine Farbenpalette ... 5.3 Der Garten der weiBen Zwerge 5.4 Entartete Materie ...... . 5.5 Die Enthiillung der weiBen Zwerge . 5.6 HeiB und kalt ...... . 5.7 Das Zeitalter des Kristalls . 5.8 Zukiinftiges Funkeln

6 Die Supernova 6.1 Die nukleare Kette 6.2 Eine riesige Zwiebel 6.3 Neutronisation.... 6.4 Der Blow-out . . . . 6.5 Beobachtung mit allen Mitteln 6.6 Historische Supernovae ... . 6.7 Identifikation eines Sterns .. . 6.8 Die Supernovae der Renaissance 6.9 Die Uberreste des Festes . 6.10 Gefiihrliche Liebschaften . . . 6.11 Begegnung der dritten Art .. 6.12 Die Magellansche Supernova.

7 Pulsare 7.1 Leuchttiirme am Himmel 7.2 Extreme Sterne . . . . 7.3 Schreie und Fliistern . 7.4 Die Nacht des Sternes . 7.5 Ein Pulsar verstummt .

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7.6 Supernovae und Pulsare ..... . 7.7 Himmelskreisel.......... 7.8 Doppelpulsare kommen zur Hilfe . 7.9 Sternenbeben .......... . 7.10 Das Innere eines Neutronensterns 7.11 Die Geheimnisse dichter Materie .

8 Die Gravitation triumphiert

III VerlOschtes Licht

9 Der wesenlose Horizont 9.1 Die Schwarzschild-Losung ........ . 9.2 Der magische Kreis ............ . 9.3 Die unsichtbaren Sterne erscheinen wieder. 9 A Dunkler als man denkt .. . . . 9.5 Die Gefangennahme des Lichtes 9.6 Der Ereignishorizont . . . . 9.7 Der unvorsichtige Reisende . 9.8 Die eingefrorene Zeit 9.9 Eine invertierte Welt

10 Dluminationen 10.1 Eine Frage der Beleuchtung . 10.2 Das glanzende schwarze Loch 10.3 Kopf und Zahl . . . . . . . . . lOA Das fotografierte schwarze Loch

11 Hinab in den Mahlstrom 11.1 Das schwarze Loch von Kerr 11.2 Das maximale schwarze Loch 11.3 Der kosmische Mahlstrom . . 1104 Die Ringsingularitiit. . . . . . 11.5 Das elektrisch geladene schwarze Loch 11.6 Das "haarlose" schwarze Loch . . . . .

12 Kartenspiele 12.1 Schwarz und WeiB 12.2 Das Spiel der Einbettung

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125 125 126 127 129 131 133 136 137 140

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12.3 Das Wurmloch ...... . 12.4 Das Kruskal-Spiel. . . . . . 12.5 WeiSe Locher aus der Urzeit 12.6 Das Penrose-Spiel. 12.7 Das enge Tor ....... . 12.8 Die Zeitmaschine ..... . 12.9 Die GravitationssingulariUiten 12.10Die kosmische Zensur . 12.11Die Quantengravitation ....

13 Das schwarze Loch als Maschine 13.1 Thermodynamik ......... . 13.2 Die Dynamik schwarzer LOcher . 13.3 Das schwarze Loch als Energiequelle 13.4 Das schwarze Loch als Dynamo 13.5 Das schwarze Loch als Laser . .

14 Das quantisierte schwarze Loch 14.1 Das schrumpfende schwarze Loch 14.2 Der Tunnel ...... . 14.3 Das polarisierte Vakuum . 14.4 Schwarz ist schwarz .... 14.5 Die Gravitationsinstabilitiit 14.6 Gott mogelt ....... .

IV Das wiedergefundene Licht

15 Die primordialen schwarzen Locher 15.1 Klumpen ..... . 15.2 Kollidierende Welten 15.3 Ein kurzes Leben . 15.4 Der Letzte Schrei . 15.5 Gravitationsbilder . 15.6 Dunkle Materie ..

16 Der Zoo der Rontgen-Sterne 16.1 Das Spektrum eines Lebens zu zweit . 16.2 Eine bestimmte Verschiebung. 16.3 Fliegende Observatorien ..

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171 176 179 184 188 191 194 195 196

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16.4 Der Satellit "Freiheit" . 16.5 Rontgen-Pulsare ... . 16.6 Rontgen-Burster ... . 16.7 Auf der Suche nach seltenen Tieren 16.8 Das Wiegen von Sternen 16.9 Der schwarze Schwan. 16.lOAdvocati Diaboli ... . 16.11Der Club der Fiinf ... . 16.12Ist der Zwillingsbruder eines schwarzen Loches

ein schwarzes Loch? 16.13Ein Stern als Galaxie ............. .

17 Die schwarzen Riesenlocher 17.1 Ein Phantombild ..... . 17.2 Die Kugelhaufen ............... . 17.3 Sagittarius oder das galaktische schwarze Loch 17.4 Die Welt der Galaxien . 17.5 Aktive Kerne ... 17.6 Fiinf einfache Teile . . 17.7 Massenpsychologie .. 17.8 Ein schwankendes Herz ... 17.9 Kosmische Jets . . . . . . 17.lOVeranderungen der Kontinuitat 17.11 Alternative Motoren . 17.12Zu Tisch! ........ . 17.13 Kometensterne ..... . 17.14Die Kollision von Sternen. 17. 15Schwarze Gezeiten .... 17 . 16Flambierte Crepes . . . . . 17.17Das schwarze Loch als Ziindmechanismus . 17.18Die Gamma-Burster ..... 17.19 Allgemeiner Kannibalismus

18 Gravitationswellen

19 Das Universnm als schwarzes Loch

Anhang Al Das Hertzsprung-Russell-Diagramm

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A2 Das Masse-Dichte-Diagramm der Himmelskorper und das Ende der stellaren Entwicklung. 315

Kalte Korper. . . 315 Schwarze Locher . . 317 HeiBe Korper . . . . 317 Stellare Entwicklung 318

Kurzes Literaturverzeichnis 320

Namensverzeichnis 321

Sachwortverzeichnis 324

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