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IMP 10 · Astronomie und logarithmische Darstellung

Fluchtgeschwindigkeit und Schwarzschild-Radius

Um von der Oberfläche eines Himmelskörpers (Masse M, Radius r) ganz zu entkommen, braucht ein Körper die Fluchtgeschwindigkeit vF = √(2 G Mr). Presst man denselben Körper zusammen, wächst vF. John Michell fragte 1783: Was, wenn sie die Lichtgeschwindigkeit c erreicht? Aus vF = c folgt der Schwarzschild-Radius rs = 2 G Mc². Die Werte reichen über viele Größenordnungen, deshalb sind alle Skalen logarithmisch.

So gehst du vor

  1. 1Wähle einen Himmelskörper. Bestimme seine Fluchtgeschwindigkeit zuerst mit der Sonde: Startgeschwindigkeit einstellen, starten, einschachteln.
  2. 2Drücke den Körper dann mit dem Regler zusammen (Masse bleibt gleich) und beobachte die Fluchtgeschwindigkeit.
  3. 3Übernimm Radius und Fluchtgeschwindigkeit für mehrere Radien in die Tabelle und werte doppelt logarithmisch aus.
  4. 4Suche den Radius, bei dem die Fluchtgeschwindigkeit die Lichtgeschwindigkeit erreicht, und vergleiche mit dem Schwarzschild-Radius.
Radius r
6.371 km
Fluchtgeschwindigkeit
11,2 km · s⁻¹

Himmelskörper

Radius r (zusammendrücken)

6.371 km

Sonde starten

Startgeschwindigkeit v0

10 km · s⁻¹

Ohne Luftwiderstand und ohne Antrieb nach dem Start. Die Startgeschwindigkeit streut um etwa 0,5 %.

Messreihe: Fluchtgeschwindigkeit über dem Radius

Einen Körper in mindestens fünf Radien über mehrere Zehnerpotenzen. Die Auswertung verlängert die Gerade bis zur Lichtgeschwindigkeit.

Nr.Radius r in kmvF in km · s⁻¹
10⁻³0,010,11101001.00010.0001101001.00010.00010⁵10⁶r in km (log.)vF in km · s−1 (log.)

Gestrichelte Waagerechte: Lichtgeschwindigkeit. Nahe an c gilt Newtons Rechnung eigentlich nicht mehr; dass sie trotzdem den richtigen Radius liefert, ist ein Glücksfall. In der Relativitätstheorie ist der Raum so stark gekrümmt, dass alle Wege nach innen führen.

Aufträge

  1. Bestimme die Fluchtgeschwindigkeit der Erde mit Sondenstarts auf drei geltende Ziffern. Prüfe dann mit „Rechnung zeigen“.
  2. Halbiere den Radius der Erde, dann teile ihn durch 100. Um welchen Faktor wächst vF jeweils? Begründe mit der Formel.
  3. Nimm die Messreihe auf und werte sie aus. Warum ergibt sich im doppelt-logarithmischen Diagramm eine Gerade, und warum hat sie die Steigung −0,5?
  4. Auf welchen Radius müsste man die Erde, auf welchen die Sonne zusammendrücken, damit sie zu schwarzen Löchern würden? Vergleiche mit 2GM : c².
  5. Wie viel fehlt dem Weißen Zwerg Sirius B, wie viel dem Neutronenstern bis zum schwarzen Loch? Gib das Verhältnis von Radius und Schwarzschild-Radius an.
  6. Erde und Sonne: Ihre Massen unterscheiden sich um den Faktor 333 000. Wie verhalten sich ihre Schwarzschild-Radien?

Theorie: Astronomie-Skript, Kapitel „Gravitation und Fluchtgeschwindigkeit“ und Abschnitt „Schwarze Löcher“.