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THEMA: Gravitationswellen und Drehimpuls schwarzer Löcher

Gravitationswellen und Drehimpuls schwarzer Löcher 09 Sep 2017 16:29 #19286

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Hallo,

freue mich sehr das Andreas Müller nun zum Team gehört!
Vielen Dank auch für die 3 Videos von Ihm zu Gravitationswellen.

Habe allerdings einige Fragen und würde mich sehr freuen wenn Herr Müller, Herr Gaßner, Herr Lesch oder ein anderer Forum Benutzer sie mir beantworten könnte.

Im Video wird erklärt das anhand der Gravitationswellen Aufzeichnungen der Drehimpuls und die "Drehekliptik" der beiden verschmelzenden schwarzen Löcher bestimmt werden kann.
Ist sie gleich wahrscheinlich beide schwarzen Löcher aus einem Doppelsternsystem entstanden, ist sie bei beiden total verschieden wurde eins der beiden schwarzen Löcher wahrscheinlich eingefangen.

Frage 1: Wenn der Sternenrest kollabiert, die Materie asymetrisch in das schwarze Loch stürzt und das Ding so einen Kick bekommen kann so das es durch das Universum flitzt, kann der Kick nicht auch so ausfallen das die Drehebene sich einfach ändert, bzw. anders ist, wie beim Stern aus dem es entstanden ist?
Das Universum ist ja bekanntlich ziemlich groß und leer so fällt mir die Vorstellung schwer das ein schwarzes Loch mal eben ein anderes einfängt.

Frage 2: Bei einem schwarzen Loch kann man doch eigentlich nur noch von Gravitation sprechen und nicht mehr von Materie. Wenn man die Tuch Veranschaulichung nimmt, wo eine Orange eben eine tiefere Delle macht als eine Rosine, hat das Tuch bei einem schwarzen Loch doch eben unten ein Loch oder einen Riss.
Wie kann etwas was nahezu unendlich klein komprimiert ist und eigentlich gar nicht da ist sich überhaupt drehen?

Frage 3: Etwas das sich dreht muss ja existieren und somit eben auch eine Form haben. Der Ereignishorizon ist Kugelförmig um das Gravitationszentrum. Aber beim Loch selbst kann man da noch von einer Kugel sprechen? Oder hat das Loch einen Radius der gegen unendlich klein verläuft?

Frage 4: Beim Kollaps gibts den effekt wie wenn ein Eiskunftläufer die Arme anzieht.
Das Loch müsste doch wenn das Zentrum sich gegen unendlich klein komprimiert doch eigentlich gegen unendlich schnell laufen.
Da es keine unendlich große Geschwindigkeit gibt müsste es sich aber doch zumindest mit Lichtgeschwindigkeit drehen.
Wie sieht es da mit Fliehkräften aus?

Frage 5: Wenn sich ein schwarzes Loch mit maximal möglicher Geschwindigkeit also Lichtgeschwindigkeit dreht (was es ja eigentlich müsste?) sollte das Gravitationswellen Signal eines einzelnen doch ein sehr sehr hochfrequentes Dauersignal sein bzw. eine "Maximalfrequenz" erreichen. (Also bei einem einzelnen)

Würde mich sehr freuen wenn sich jemand die Zeit nehmen würde und mir bei diesen Fragen helfen würde.

Vielen Dank und viele Grüße

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Gravitationswellen und Drehimpuls schwarzer Löcher 09 Sep 2017 18:22 #19288

Hallo Renar,

um alle Fragen zu beantworten, fehlt mir die Zeit, aber für die 1. reichts gerade.

Soviel vorab. SL können einen massereichen Vorläuferstern als Einzelstern haben oder aus einem Doppelsternsystem hervorgehen, wobei hier alle möglichen Kombinationen der beiden Sternreste gedacht werden können.
So kann in einem Doppelsternsystem die eine Komponente ein SL sein und die andere ein weißer Zwerg, oder ein SL und ein Neutronenstern oder zwei SL.
Betrachten wir den letzten Fall, dann nimmt man an, dass die beiden Vorläufersterne eine gemeinsame Geburt aus einer einzigen Gaswolke hatten und diese Gaswolke nur einen Drehsinn hatte. Folglich war die Ausrichtung der Drehimpulse schon von Anfang an parallel. Beim Zusammenstürzen änderten sie sich nicht, nur die Rotationsgeschwindigkeit nahm zu (Piruetteneffekt).
Wenn zwei SL beispielsweise in einem Sternhaufen entstanden sind, nicht als Doppelsystem, sondern unabhängig voneinander, dann ist es leicht, einzusehen, dass in diesem Fall die Ausrichtung der Drehachsen beliebig im Raum angeordnet sein können.
Da aber in einem Sternhaufen gerade in den Zentren die Sterne verhältnismäßig nahe beieinander stehen, ist es gar nicht so unwahrscheinlich, dass sie sich irgendwann so nahe kommen, dass sie sich gegenseitig spüren und umeinander zu kreisen beginnen.
Erst jetzt beginnen sie Gravitationswellen abzustrahlen, nicht die einzelnen SL, sondern das Gesamtsystem, bestehend aus beiden.
Das hat zur Folge, dass sie sich annähern und irgendwann miteinander verschmelzen.
Da aber jetzt die Rotationsachsen eine beliebige Ausrichtung und vielleicht auch einen gegenläufigen Drehsinn haben, sieht ein Chirpsignal, das aus so einem Mergerereignis resultiert anders aus, als ein Chirpsignal, das aus einem Merger mit gleichem Drehsinn und gleicher Ausrichtung der Drehachsen, resultiert.
Deshalb simuliert man alle möglichen Konstellationen, um im Falle einer Messung einen Katalog von Simulationen an der Hand zu haben, mit dem man dann das Messsignal vergleicht. Findet sich im Simulationskatalog ein Signalverlauf, der mit dem Messsignal gut übereinstimmt, kann man daraus auf die Ausgangsgeometrie, die beteiligten Massen und Energien schließen.

Noch eine Bemerkung zum schnellen Irrläufer:
Dieser Fall tritt ein, wenn in einem Doppelsternsystem eine Komponente durch eine Supernovaexplosion völlig zerstört wird und diese Explosion keine Sternleiche hinterlässt (zB.: SN 1A)
In diesem Fall verliert der verbleibende Stern seinen Partner und verlässt die gemeinsame Kreisbahn und fliegt jetzt mit hoher Geschwindigkeit vom Ort des Geschehens davon.
Das ist in etwa so, wie wenn man einen Stein an einer Schnur herumwirbelt und dann plötzlich loslässt. Denn fliegt der Stein auf einer Geraden davon ( gilt natürlich nur im gravitatiosfreiem Raum) .
Solche Irrläufer gibt es. Allerdings beobachtbar sind sie nur als noch leuchtende Sterne.
Ein SL als Irrläufer zu beobachten ist nicht möglich, da man es ja nicht sieht.

Viele Grüße
Thomas
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Gravitationswellen und Drehimpuls schwarzer Löcher 10 Sep 2017 03:43 #19295

Ich habe gerade das letzte Video von Andreas Müller gesehen und muss sagen, dass der noch üben muss (so ganz ohne Publikum). Aber seine Themen sind Klasse weil er tatsächlich Neues präsentiert, viel mehr als ich eigentlich erwarten würde.

Zu den Fragen:
1.) Das Universum ist ja bekanntlich ziemlich groß und leer so fällt mir die Vorstellung schwer das ein schwarzes Loch mal eben ein anderes einfängt.
Diese Vorstellung fällt auch Astronomen schwer, in Kugelhaufen vielleicht... Da rauschen diese Dinger in einigen 100 AU aber auch nur aneinander vorbei. ABER: Wenn sich diese massiven SL nur nah genug kommen, dann gelten nicht mehr die Kepler-Gesetze sondern die Schwarzschild-Lösung der AR. Und genau diese Energie, die dort verloren geht, wird als Gravitationswellen abgestrahlt.

2.) Wie kann etwas was nahezu unendlich klein komprimiert ist und eigentlich gar nicht da ist sich überhaupt drehen?
"nahezu unendlich klein" ist nicht gleich NULL, und "nahezu" ist kein wissenschaftlicher Begriff. Tatsächlich kann sich ein Körper nicht unendlich komprimieren, aus vielen Gründen. Aber Schwarze Löcher haben natürlich einen Drehmoment, beschrieben in der Kerr-Metrik.

3.) Oder hat das Loch einen Radius der gegen unendlich klein verläuft?
Ich denke meine Antwort zu dieser Frage erübrigt den Rest.
Ein Schwarzes Loch hat einen genau definierten Radius, nur abhängig von seiner Masse. Dieser Radius nennt sich Schwarzschild-Radius. Unsere Sonne liegt da bei 3 km (frage wolframalpha.com für soetwas), aber unsere Sonne ist zu klein, um per Gravitation alle anderen Kräfte übertrumpfen zu können. Also, die SL sind tatsächlich Löcher, klein im Gegensatz zum Rest des Universums, aber nicht unendlich klein.

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Gravitationswellen und Drehimpuls schwarzer Löcher 10 Sep 2017 13:06 #19300

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Danke dgbrt!
Ich hatte das mit dem Schwarzschildradius wohl falsch verstanden.
Dachte bislang das es sich damit so verhält, das wenn man wie in deinem Beispiel unsere Sonne auf 3 km komprimiert, es dann flutsch macht und das Ding kollabiert zu einer Art "Singularität" und ist dann quasi "weg".
Liegt dann da wirklich noch ein 3 km großes schwarzes kugelförmiges etwas?
Gibts Theorien wie diese "Zentrumsmaterie" aussieht oder was mit dieser passiert?
Bei einem Neutronenstern werden die Elektronen in den Atomkern gequetscht, was geht denn noch mehr?
Oder sind wir hier wirklich schon am Rand der Erkenntnis wo man einfach bloß noch philosophieren kann?

Danke und Grüße!

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Gravitationswellen und Drehimpuls schwarzer Löcher 10 Sep 2017 13:53 #19302

Renar schrieb: Liegt dann da wirklich noch ein 3 km großes schwarzes kugelförmiges etwas?
Gibts Theorien wie diese "Zentrumsmaterie" aussieht oder was mit dieser passiert?
Bei einem Neutronenstern werden die Elektronen in den Atomkern gequetscht, was geht denn noch mehr?
Oder sind wir hier wirklich schon am Rand der Erkenntnis wo man einfach bloß noch philosophieren kann?


In den letzten Jahren habe ich hierzu verschiedene Hypothesen gelesen.

Wir haben hier zwei Probleme:
- Wir haben keine "Vereinigungstheorie" zur Allgemeinen Relativitätstheorie und der Quantenmechanik - und im Inneren eines Schwarzen Loches sind beide relevant.
- Wir haben keine Beobachtungsmöglichkeit im Inneren eines Schwarzen Lochs.

Aus meiner Sicht würde ich Deine letzte Frage daher mit ja beantworten.

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Gravitationswellen und Drehimpuls schwarzer Löcher 11 Sep 2017 06:44 #19310

Zur Frage 5:
Eine Welle entsteht durch Veränderung, eine Gravitationswelle durch Veränderung im Gravitationspotential. Ein rotationssymetrischer Körper der einfach nur da liegt und rotiert verursacht jedoch keine Veränderung im Potential. Deshalb gibts da auch keine Dauerwelle. ;)

Das ändert sich jedoch wenn die Symetrie gebrochen, wenn das Objekt kein perfektes Ellipsoid ist. Dann müsste auch davon ein Signal ausgehen das jedoch schwächer und in einem anderen Frequenzbereich zu suchen wäre. Ich meine Jörn Müller sprach davon in seinem Vortrag.

Schwächer deshalb weil dafür ja nur die "Unwucht" verantwortlich ist und nicht die Gesamtmasse. Mit "Unwucht" meine ich die Masse die die Abweichung von der Idealform ausmacht.

assume good faith

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Gravitationswellen und Drehimpuls schwarzer Löcher 11 Sep 2017 08:04 #19311

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Ja aber wäre das nachzuweisen nicht schon ein Fortschritt?
Bislang sind ja keinerlei Informationen aus einem SL gedrungen.
So könnte ja zumindest schonmal gesagt / geprüft werden, das Zentrum muss einer perfekten Kugel entsprechen und selbst die einfallende Materie sorgt nichtmal kurzzeitig für die geringste Asymetrie sondern legt sich direkt perfekt um die Form herum.
Würde allerdings darauf tippen das dazu die Detektoren nicht empfindlich genug sind, klingt ja logisch das zwei sich umkreisende Objekte wesentlich mehr Wirbel verursachen.

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