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Zielformel:

RS=2GMc2sowieρ=3c632πG3M21M2

Gültigkeitsbereich / Annahmen:

  • Heuristische (newtonsche) Herleitung: klassische kinetische Energie und Fluchtgeschwindigkeit, Licht als „Wurfkörper mit c" behandelt — siehe den eigenen Abschnitt „Warum nur heuristisch".
  • Masse M kugelsymmetrisch, nicht rotierend, ungeladen (genau die Voraussetzungen der Schwarzschild-Lösung).
  • „Volumen" in der Dichteformel = Kugelvolumen innerhalb des Ereignishorizonts (Konvention für die mittlere Dichte, keine reale Materieverteilung — die ART sagt den Kollaps zur Singularität voraus).

Verwendete Formeln

FormelNameFormelnheft
Ekin=mv22kinetische Energie✅ S. 2 („Ekin=mv22")
W=GMm(1r11r2)Gravitationsenergie✅ S. 2 („Gravitationsenergie")
vF=2GMRFluchtgeschwindigkeit❌ nicht im Formelnheft — selbst herleiten (Schritte 1–2; ausführlich in [[themen/Raumfahrtphysik/2.4#2.4 Fluchtgeschwindigkeit
ρ=mVDichte✅ S. 2 („ρ=mV")
VKugel=43πR3Kugelvolumen❌ Mathematik, nicht im Formelnheft — selbst hinschreiben
c=2,9979108 m/sLichtgeschwindigkeit✅ S. 1 (Konstanten)

Herleitung (Schritt für Schritt)

A) Schwarzschildradius

  1. Zuerst die Fluchtgeschwindigkeit herleiten (Energieerhaltung: an der Oberfläche r1=R erhält der Körper genau so viel kinetische Energie, dass er den Potenzialtopf bis r2 verlässt und dort mit v=0 ankommt. Die nötige Hubarbeit liefert die Gravitationsenergie von S. 2, mit 1r20 für r2):mvF22=GMm(1R1=0)=GMmR
  2. m kürzen und nach vF auflösen (durch m0 dividieren, mal 2, Wurzel ziehen — die Fluchtgeschwindigkeit ist unabhängig von der Masse des Wurfkörpers):vF=2GMR
  3. vF=c setzen (definierende Bedingung des schwarzen Lochs) (am Ereignishorizont ist die Fluchtgeschwindigkeit genau gleich der Lichtgeschwindigkeit: selbst Licht entkommt gerade nicht mehr. Einsetzen und quadrieren):c2=2GMR
  4. Nach R auflösen (beide Seiten mal Rc2 — der kritische Radius heißt Schwarzschildradius):RS=2GMc2Jeder Körper hat seinen eigenen RS: Wird die Masse M auf weniger als RS komprimiert, wird sie zum schwarzen Loch.

Warum nur heuristisch (in der Prüfung unbedingt ansprechen!)

  • Licht hat keine Ruhemasse: Schritt 1 behandelt Licht als Wurfkörper der Masse m — für Photonen unzulässig (m kürzt sich zwar, aber die Logik beruht auf dem Bild eines massebehafteten Wurfkörpers).
  • 12mv2 ist bei vc nicht zulässig: Die klassische kinetische Energie ist nur die Niedriggeschwindigkeits-Näherung; nahe c gilt die relativistische Energie (Formelnheft S. 5: Ekin=(mm0)c2) — die newtonsche Mechanik ist hier ohnehin außerhalb ihres Geltungsbereichs.
  • Die strenge Herleitung gehört zur ART: 1916 fand Karl Schwarzschild die exakte Lösung der Einstein'schen Feldgleichungen für das kugelsymmetrische Vakuum; der Ereignishorizont liegt bei RS=2GM/c2.
  • Gleiches Ergebnis = Zufall: Die newtonsche Rechnung liefert exakt dieselbe Formel — sogar der Faktor 2 stimmt — das ist ein glücklicher Zufall, kein Verdienst der Argumentation. In der Prüfung aktiv darauf hinweisen (Skript-Wortlaut: „glücklicher Zufall").

Rechenbeispiele (mit Probe)

  1. Erde (ME=5,9741024 kg, S. 1):RS=26,67310115,9741024(2,9979108)2=7,97310148,98710168,9103 m9 mm 
  2. Sonne (MS=1,9891030 kg, S. 1):RS=26,67310111,98910308,9871016=2,65510208,98710162,95103 m3 km 

B) Mittlere Dichte eines schwarzen Lochs

  1. Definition der mittleren Dichte ansetzen (ρ=m/V von S. 2, Volumen = Horizontkugel V=43πRS3):ρ=M43πRS3=3M4πRS3
  2. Zuerst RS3 berechnen (Schritt 4 als Ganzes hoch 3 — Zähler und Nenner getrennt potenzieren):RS3=(2GMc2)3=8G3M3c6
  3. Einsetzen und vereinfachen (Division durch einen Bruch = Multiplikation mit dem Kehrwert; M kürzt sich einmal, im Nenner bleibt M2):ρ=3M4πc68G3M3=3c632πG3M21M2Anschaulicher Grund: RSM → Volumen M3, Masse aber nur M → Dichte M/M3=1/M2. Je größer das schwarze Loch, desto kleiner die mittlere Dichte.
  4. Probe: schwarzes Loch von Sonnenmasse (c6=(c2)3=(8,9871016)3=7,261050; G3=(6,6731011)3=2,971031; MS2=3,9561060):ρ=37,26105032π2,9710313,9561060=2,1810511,1810321,81019 kgm3 (21019)Gegenprobe (ohne Formel, direkt ρ=M/V): RS=2953 m → V=43π(2953)3=1,081011 m³ → ρ=1,98910301,0810111,81019 kg/m³ ✓ (weit über Kernmateriedichte 1017 kg/m³). Größenordnung umgekehrt: supermassives Loch mit M109Mρ um Faktor 1018 kleiner → 18 kg/m³, dünner als Wasser.

Variablentabelle

SymbolBedeutungSI-Einheit
RSSchwarzschildradius (Radius des Ereignishorizonts)m
MMasse des Himmelskörpers / schwarzen Lochskg
mWurfkörper (Probemasse, wird gekürzt)kg
vFFluchtgeschwindigkeitm/s
RAbstand des Startpunkts vom Massenmittelpunkt (Oberflächenradius)m
r1,r2Start-/Zielabstand in der Gravitationsenergie-Formelm
ρmittlere Dichte (innerhalb des Horizonts)kg/m³
VVolumen der Horizontkugel
cVakuumlichtgeschwindigkeit =2,9979108 m/s (Formelnheft S. 1; im Skript c0)m/s
GGravitationskonstante =6,6731011 N·m2kg2 (Formelnheft S. 1)N·m²/kg²
ME, MSErd-/Sonnenmasse =5,9741024 / 1,9891030 kg (Formelnheft S. 1)kg

Verknüpfungen

  • H08 — die Kombination GM und „jeder Himmelskörper in derselben Formelmaschine".
  • Thema 11 §11.7 — Skript-Fassung (inkl. Nachfrage „Ist das streng?", Singularität, LHC-Klage); §11.7 mittlere Dichte.
  • Thema 2 §2.4 — vollständige Energieerhaltungs-Herleitung der Fluchtgeschwindigkeit (ausführliche Version der Schritte 1–2).