Schwarze Löcher in den Kernen von Galaxien

Von Michael Fiedler

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Inhalt

• Geschichte der Schwarzen Löcher (SL)

• Grundlagen

• Beobachtungsmethoden NGC4258 Andromeda Galaxie M 31 (NGC 224) Sgr A* im Milchstraßenzentrum

• Alternative Theorien

• Heutiger Stand der Wissenschaft

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Geschichte

• 1784 John Michell: Schwarzer Stern

• 1905 Einstein: Informationsvernichtung• 1916 Einstein: Schwarzes Loch• 1916 Karl Schwarzschild: Schwarzschildradius

• 1963 Roy Kerr: Rotierende SL

kmM

M

c

GMRS

95,2~2

2

4

Schwarzschildradius

• Schwarzschildradien von:

Sonne: 2,95km R = 7x105km

Erde: 9mm RErde = 6378km

SL mit 3,7x106 M : 1,09*107km ~ 0,1AE

SL mit 3,5x107 M : 1x108km ~ 1AE

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Erste „Entdeckungen“

• 1963: Quasare

• Leuchtkräfte bis zu 100 x Leuchtkraft aller Sterne in Galaxie

beste Erklärung mit SL Theorie

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Charakteristika eines SL

• Nur 3 Charakteristische Eigenschaften zeichnen ein SL aus (SL haben keine Haare)

1. Masse

2. Spin

3. Ladung (wird meistens durch das umgebende Plasma aufgehoben)

Es reicht Masse und Spin zu bestimmen um ein SL zu beschreiben

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Beobachtungsmethoden

Bei einer Kreisbahn um das SL:

Newtonnäherung für genügend große r.

Es reicht 2 von 3 Unbekannten: , P oder r zu messen um M abzuschätzen

GP

GP

rGr

M2

4 3

2

322

Geschwindigkeit Periode PRadius rGravitationskonstante G

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Akkretionsscheibe

• Kleinste stabile Umlaufbahn (RISCO) (Innermost stable circular orbit)

• Wenn r ≥ RISCO Umlaufbahn stabil gegen kleine Störungen

• Wenn r RISCO nicht stabil: Gas fällt ins Loch

• Rin = RISCO , Rin innere Rand der Akkretionsscheibe

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Kleinste stabile Umlaufbahn

Maximal rotierendes SL:

Ruhendes SL

GISCO Rc

GMR 1

2 SL Spin || zur Umlaufbahn

RG Gravitationsradius

GISCO Rc

GMR 9

92

SL Spin anti || zur Umlaufbahn

SISCO Rc

GMR 3

62

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Maser

• Maser aus Gaswolken

Starke Emissionslinien leichte Messung der Rotverschiebung Bestimmen der Geschwindigkeit der Wolke

• Mit guter Winkelauflösung kann man auch r bestimmen

M kann abgeschätzt werden.

11http://www.inastars.de/m106.htm

NGC 4258

10

12

SL in NGC 4258

• H2O Wolken Masern

Emissionslinie

=1,36 cm

• Kepler Geschwindigkeitsprofil (r-1/2)

• Rin=0,13pc ~ 104 AEDunkle Masse

M=3,5x107 M

• Sehr starke Hinweise auf ein SL

http://www.oulu.fi/astronomy/astrophysics/pr/head.html13

NGC 4258

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Geschwindigkeitsdispersion

Geschwindigkeitsdispersion =

Wenn stark ansteigt für r 0

großes M innerhalb r

http://hubblesite.org

Andromeda Galaxie M31 (NGC 224)

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• Doppelkern

• Alte Messungen: SL in leuchtschwächeren Teil (P2)

• Neue Beobachtung: 3. Bereich in P2 vermutete SL in P3

Kern von M31

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Kern von M31

Dispersionsmessungen:

P3 :=1183201 km s-1

alte Messungen:

=250 km s-1

M=1,4x108 M

Milchstraßenzentrum

http://chandra.harvard.edu/photo/2003/0203long/

18http://www.solstation.com/x-objects/sag2dwf.jpg

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SL in Milchstraße

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Sgr A*

Perizentrum v=5000 kms-1

~8*v beim Apozentrum

Umlaufzeit 15,2 a

a=5,5 ld

(3,70,2)x106 M

innerhalb von r=17 lh

Perizentrum Radius:

100RS von SL 3x106 M

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Sgr A*

• v zur galaktischen Ebene von Sgr A* : -0.4 ± 0.9km s-1 ~ 0 km

• Radiowellenmessungen im mm Bereich weisen auf:

rSgr A*~27RS

von SL mit M=3,7x106

⇒ Alles weißt auf ein SL hin

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Alternative Theorien zu SLHaufen von dunklen Objekten

• Braune Zwerge

• Weiße Zwerge

• Neutronen Sterne

• SL mit wenigen M

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Alternative Theorien zu SL

Einige können nicht ausgeschlossen werden

Mini SLs

• NGC 4258: M<0,04 M

• Sgr A* : M<0,005 M

10-8 ≤ M ≤ 0,03 M ausgeschlossen

Ansammlung von Bosonen

Beides sehr unwahrscheinlich aber nicht ausgeschlossen

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Heutiger Stand der WissenschaftM-Sigma Beziehung

• Feste Beziehung zwischen M und

• SL hat ~ 0.13% MBulge

• Keine SL – Scheiben Beziehung

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M-Sigma Beziehung

3 Theorien

1. SL wuchsen vor der Entstehung von Galaxien und beeinflussten diese dann

2. Samen SL waren vorher da und wuchsen mit den Galaxien

3. SL akkretierte Masse aus der fertigen Galaxie

Beobachtungen sagen nicht aus welche richtig sind

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Sternenbewegung:

Strahlung derheißenAkkretionsscheibe:

Maser:

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Zusammenfassung

• Skepsis Beobachtung allgemein anerkannt

• Andere Theorien nicht auszuschließen, sind aber höchst unwahrscheinlich

• Verständnis wichtig für Galaxienentwicklung

• In Zukunft bessere Instrumente und Techniken Genauere Modelle von SL

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Literaturverzeichnis

• Begelman, Rees: „Schwarze Löcher im Kosmos“• New Journal of Physics, 7:199, 2005• The Astrophysical Journal, 494:L181–L184, 1998• The Astrophysical Journal, 631:280–300, 2005• arXiv:astro-ph/0105230, 14 May 2001• Nature, 419 : 694-696, 2002• Nature, 373 : 127-29, 1995• Annual Revue Astronomy and Astrophysics 1995

33:581-624 Kormendy, Richstone• Sky & Telescope, July 2006:41-46

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Weitere Literatur zum Thema

• Annual Revue Astronomy and Astrophysics 2001, 39:309-352 Melia, Falke

• Nature, 425:934-937 2003