Astro-Lexikon W 1

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Dieses Theorem nach A.G. Walker und R. Penrose aus dem Jahr 1970 besagt, dass in einer Typ-D Raumzeit ein symmetrischer, konformer Killing-Tensor zweiter Stufe existiert. Dies ist in der theoretischen Astrophysik deshalb von Belang, weil alle Typen Schwarzer Löcher Typ-D sind (siehe dazu Petrov-Klassifikation). Die zweifache Verjüngung des Killing-Tensors ist erhalten! Diese Erhaltungsgröße ist wiederum mit der Carter-Konstante assoziiert. Brandon Carter fand 1968 den kompletten Satz von Photonenimpulsen im ZAMO für die Kerr-Geometrie. Seine Arbeit ist die Grundlage von Ray Tracing bei rotierenden Schwarzen Löchern.

Eine nicht so häufig verwendete Bezeichnung für die drei Eichbosonen der schwachen Wechselwirkung: den beiden elektrisch positiv bzw. negativ geladenen W-Zeilchen W^- sowie W⁺ und dem elektrisch neutralen Z-Teilchen Z⁰.

Der Weinberg-Winkel ist eine elementare Naturkonstante und verknüpft die elektrische Elementarladung e mit der schwachen Elementarladung g.

Weinberge sind doch recht steil...?

Das Quadrat vom Sinus des Weinberg-Winkels entspricht (ohne so genannte Strahlungskorrekturen, also dem Austausch virtueller Teilchen) gerade dem Quadrat des Verhältnisses von elektrischer zu schwacher Elementarladung (siehe Gleichung rechts). Mithilfe der Massen der Austauschteilchen der schwachen Kraft, dem Z-Teilchen und den W-Teilchen (Weakonen), folgt der Weinberg-Winkel experimentell. Er wird allerdings nicht vom Standardmodell der Teilchenphysik theoretisch vorhergesagt!

alternativer Zugang über elektroschwache Theorie

Der Weinberg-Winkel hängt auch mit der Feinstrukturkonstanten und der Fermi-Konstanten zusammen und kann so alternativ bestimmt werden. In der elektroschwachen Theorie, einer unifizierten Theorie aus und elektromagnetischer und schwacher Wechselwirkung gibt der Weinberg-Winkel die 'Mischung' zwischen Photon und Z-Teilchen an.

Weiße Löcher sind salopp gesagt das Gegenteil von Schwarzen Löchern: eine sichtbare Singularität! Die Einsteinschen Feldgleichungen sind symmetrisch in der Zeit (zeitumkehr-invariant), d.h. eine Zeitumkehrtransformation einer Lösung der Feldgleichungen ist wieder eine Lösung! Ein nicht rotierendes Weißes Loch entspricht der avancierten Eddington-Finkelstein-Lösung eines Schwarzschild-Loches.

Klingt recht technisch. Wie sieht das Teil aus?

Eine zeitliche Umkehrung eines Schwarzen Loches sähe so aus, dass aus dieser Raumzeitregion ständig Materie und Strahlung herausfließen würde! Selbstverständlich wurden diese Objekte nie von Astronomen beobachtet, aber eine interessante Frage ist es doch, ob es mehr ist als eine 'mathematische Spielerei'.

Nackich is nich

Diese sichtbaren - Relativisten sagen auch nackte - Singularitäten (engl. naked singularities), sind nach der kosmischen Zensur (engl. cosmic censorship) von Roger Penrose verboten: Sie müssen nach diesem Theorem durch einen Ereignishorizont verhüllt sein. Wäre das nicht der Fall, würden Akausalitäten auftreten.

Tunnel in eine andere Welt?

Die Spekulation geht sogar noch weiter: Die Allgemeine Relativitätstheorie gestattet es, Raumzeiten 'aneinanderzukleben', weil die Topologie durch die Feldgleichung nicht festgelegt ist. So ist es möglich, ein System aus einem Schwarzen und einem Weißen Loch zu 'basteln'. Die Theoretiker nennen dieses Gebilde Einstein-Rosen-Brücke oder Wurmloch. Dieses Objekt würde auf der einen Seite der Raumzeit Materie und Strahlung verschlucken, durch einen engen Raumzeitkanal transportieren und auf der Seite des Weißen Loches wieder ausstoßen. Ein solch abenteuerliches Gebilde könnte als Kanal zwischen flachen Raumzeiten oder gar Universen dienen. Die Brücke besteht im Rahmen der Theorie zwischen den beiden punktförmigen, zentralen Singularitäten.

Wie im Flugzeug: Reise durch's Wurmloch wird eng

Die enormen Gezeitenkräfte würden jedoch alles, was den Kanal passieren würde zerreißen, weshalb eine Reise durch Wurmlöcher, wie sie in SF-Romanen geschildert werden, alles andere als angenehm wäre. Die Gezeitenkräfte sind zwar bei supermassereichen Schwarzen Löchern wesentlich geringer als bei den stellaren Schwarzen Löchern, doch spätestens, wenn das einfallende Objekt die punktförmige Singularität passiert, wird es zerquetscht. Darüber hinaus zeigen Berechnungen, dass diese Brücken äußerst instabil wären und nach kurzer Zeit verschwinden würden. Eine Reise durch ein Wurmloch wäre nach allem, was die Theorie an halbwegs wissenschaftlichen Spekulationen erlaubt, eine Reise ins Ungewisse - vermutlich in den Tod.

Bislang Fehlanzeige

Bisher wurde von keinem beobachteten kosmischen Objekt die Vermutung geäußert, dass es sich dabei um ein Weißes Loch handeln könnte. Immerhin sollten diese 'umgekehrten Schwarzen Löcher' viel deutlicher in Erscheinung treten als ihre dunklen Zwillingsbrüder. Daher gelten sie nach wie vor als hochgradig spekulativ!

Weiße Zwerge (engl. white dwarfs, WD) sind kompakte Objekte, die sich am Ende der Entwicklung von Sternen mit etwa einer Sonnenmasse bilden.

Eigenschaften

Sie haben in etwa die Größe der Erde (Größenordnung 5000 km), vereinigen aber eine gesamte Sonnenmasse in sich! Daher ist ihre mittlere Dichte mit etwa 10⁶ g/cm³ beträchtlich. Ihre Oberflächentemperatur (siehe auch Effektivtemperatur) beträgt etwa 20000 bis 30000 Kelvin, weshalb sie maximal im Ultraviolett strahlen (zu sehen anhand Gleichung im Wienschen Verschiebungsgesetz in den Einträgen Planckscher Strahler sowie Spektraltyp).

Entstehung Weißer Zwerge

Weiße Zwerge bilden sich, wenn der Vorläuferstern seine äußeren Hüllen nach dem Rote-Riesen-Stadium als planetarischen Nebel abgestoßen hat, aus der Restmasse. Die kritische Obergrenze ist die Chandrasekhar-Masse von 1.46 Sonnenmassen (Chandrasekhar, 1930). Diese Grenzmasse ist unabhängig von Zentraldichte und Radius und hängt nur von der Zusammensetzung des Weißen Zwergs ab. Rechnerisch gewinnt man die Massengrenze aus der Masse-Radius-Beziehung eines Polytropen und der numerischen Lösung der so genannten Lane-Emden-Gleichung. In diese Gleichung gehen lediglich die Zustandsgleichung des Polytropen, Annahme hydrostatischen Gleichgewichts und die Poisson-Gleichung des Gravitationsfeldes ein.

Was bewahrt den Zwerg vor dem Kollaps?

Stabilität erhalten die Weißen Zwerge vom fermionischen Entartungsdruck der Elektronen, die dem Pauli-Prinzip unterliegen und sich daher nicht beliebig nahe kommen können. Der Entartungsdruck skaliert nur mit der Massendichte (Potenzgesetz mit Potenz 5/3, nicht relativistisch, oder 4/3, relativistisch) und wird daher besonders relevant bei hohen Dichten. Doch bei zu starken Gravitationsdrücken kann auch der Entartungsdruck nichts mehr stabilisieren.

Eine 1a Supernova

Das geschieht, wenn der Zwerg zuviel Masse bekommt, z.B. von einem nahen Begleitstern. In der Natur beobachten Astronomen den Fall in Doppelsternsystemen, dass Materie eines Sterns zum benachbarten Weißen Zwerg überfließt. Der Zwerg nimmt durch Akkretion immer mehr Sternplasma des Begleiters auf. Oberhalb der Chandrasekhar-Masse werden Weiße Zwerge instabil. Die katastrophale Folge ist die Explosion des Weißen Zwergs in einer Supernova vom Typ Ia (thermonukleare Supernova) - von ihm bleibt nichts übrig! Anmerkung: Schwerere Sterne hingegen kollabieren zu einem Neutronenstern, Quarkstern oder stellaren Schwarzen Loch. Die damit verbundene Explosion ist eine Supernova Typ II bzw eine Hypernova.

zwei Zwergtypen: CO & Fe

Die Daten des Astrometrie-Satelliten Hipparcos belegen, dass man unter den Weißen Zwergen zwei Typen nach ihrer Zusammensetzung unterscheiden kann: CO-Weiße Zwerge und Fe-Weiße Zwerge. Letztere sind noch kleiner. CO-Weiße Zwerge gehen aus massearmen Sternen hervor und enthalten Kohlenstoff (C) und Sauerstoff (O). Fe-Weiße Zwerge dagegen sind Relikte massereicher Sterne. Massereiche Sterne erzeugen in nuklearen Fusionsprozessen schwerere Elemente bis Eisen (Fe).

Hier 'brennt' nichts mehr

In Weißen Zwergen läuft keine thermonukleare Fusion mehr ab, so dass sie lediglich nur noch auskühlen. Bei angenommenen 20 Millionen Kelvin im Innern strahlen sie immer noch 10 Milliarden Jahre lang, also der Zeitskala des Alters des Universums! Oder wie es die Astrophysiker gerne formulieren:

Die Kelvin-Helmholtz-Zeitskala liegt in der Größenordnung der Hubble-Zeit.

Danach werden sie zunächst Rote Zwerge (Oberflächentemperatur etwa 3000 K) und schließlich Schwarze Zwerge und somit Form baryonischer Dunkler Materie. Die geringe Leuchtkraft decken Weiße Zwerge aus noch gespeicherter thermischer Energie.

berühmte Weiße Zwerge

Bekannte Vertreter sind der Begleiter von Sirius im Sternbild Großer Hund (internat. Canis Major), Sirius B, der 1914 entdeckt wurde. Er hat etwa eine Sonnenmasse, eine Oberflächentemperatur von 27000 K (Vergleich Sonne: ca. 6000 K), eine Leuchtkraft von nur 0.002 Sonnenleuchtkräften und umläuft den Hauptstern Sirius A in 50 Jahren. 1844 hat Bessel Sirius B aufgrund periodisch schwankender Eigenbewegungen von Sirius A vorhergesagt. Clark hat ihn 1862 zufällig entdeckt!
Astronomen kennen derzeit etwa 600 Weiße Zwerge. Weitere sind Procyon B im Sternbild Kleiner Hund (internat.: Canis Minor), 40 Eri B im Sternbild Eridanus, EG 50, GD 140 und Stein 2051.

CVs

Eine spezielle Form von Doppelsternen, die immer einen Weißen Zwerg als kompakte Komponente haben, sind die kataklysmischen Veränderliche.

Sonne wird zum Weißen Zwerg werden

Nach dem Stadium eines Roten Riesen in einigen Milliarden Jahren wird unsere Sonne das Schicksal ereilen, dass sie zum Weißen Zwerg von etwa einer halben Sonnenmasse wird, eingebettet in einen farbenprächtigen Planetarischen Nebel. Die Erde wird also keinen Kältetod erleiden, sondern die Ozeane werden durch die enorme Hitze des aufgeblähten Roten Riesen verdampfen!

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© Andreas Müller, August 2007

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