Schlagwort: Schwarzes Loch

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Illustration: Ein früher Quasar

Künstlerische Darstellung eines sehr Quasars im frühen Universum. In der Mitte ist ein heller Bereich, um den orangefarbenes und rotes Gas wirbelt. Nach links oben schießt ein heller Strahl.

Illustrationscredit und Lizenz: ESO, M. Kornmesser

Wie sahen die ersten Quasare aus? Von den Quasaren, die uns am nächsten sind, wissen wir heute, dass sie sehr massereiche Schwarze Löcher in den Zentren aktiver Galaxien waren. Gas und Staub, die auf einen Quasar fallen, leuchten hell und überstrahlen manchmal ihre ganze Heimatgalaxie.

Doch Quasare aus den ersten Milliarden Jahren des Universums sind noch rätselhafter. Jüngste Daten machen diese künstlerische Darstellung möglich. Sie zeigt, wie ein Quasar aus der Frühzeit des Universums vielleicht aussah: Im Zentrum ist ein massereiches Schwarzes Loch, das von Hüllen aus Gas und einer Akkretionsscheibe umgeben ist. Es stößt einen mächtigen Strahl aus.

Quasare gehören zu den fernsten Objekten, die wir sehen. Sie liefern der Menschheit einzigartige Information über das frühe Universum und den Bereich, der dazwischen liegt. Die ältesten Quasare, die wir derzeit kennen, haben eine Rotverschiebung von knapp 8 – das war nur 700 Millionen Jahre nach dem Urknall. Das Universum hatte nur ein paar Prozent seines heutigen Alters.

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MeerKAT: Das galaktische Zentrum im Radiobereich

Das MeerKAT-Array aus 64 Radioantennen in Südafrika zeigt viele Details von Sgr A* im Zentrum der Milchstraße.

Bildcredit: Ian Heywood (Oxford U.), SARAO; Farbbearbeitung: Juan Carlos Munoz-Mateos (ESO)

Beschreibung: Was passiert im Zentrum unserer Galaxis? Das ist mit optischen Teleskopen schwer zu erkennen, da sichtbares Licht vom interstellaren Staub verdeckt wird. Doch in anderen Bandbreiten des Lichts wie Radio kann das galaktische Zentrum abgebildet werden und erweist sich als ziemlich interessanter, aktiver Ort.

Oben seht ihr das aktuellste Bild vom Zentrum unserer Milchstraße, aufgenommen mit dem MeerKAT-Array aus 64 Radioantennen in Südafrika. Es ist viermal so breit wie die Winkelgröße des Mondes (2 Grad), also beeindruckend groß und detailreich. Viele bekannte Quellen sind deutlich abgebildet, darunter etliche mit dem Kürzel Sgr, da das galaktische Zentrum in Richtung des Sternbildes Schütze (Sagittarius) liegt. In der Bildmitte seht ihr Sgr A* mit dem sehr massereichen Schwarzen Loch im Zentrum der Milchstraße. Andere hier gezeigte Quellen sind weniger gut erforscht, etwa der Bogen links neben Sgr A* sowie zahlreiche faserartige Strukturen.

Zu den Zielen für MeerKAT gehört die Suche nach Radioemissionen von neutralem Wasserstoff aus einem viel jüngeren Universum sowie kurze, weit entfernte Radioblitze.

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Neunzig Gravitationswellenspektrogramme und es werden mehr

Spektrogramme von 90 Gravitationswellen-Ereignissen, die mit den Detektoren von LIGO (USA), VIRGO (Europa) und KAGRA (Japan) beobachtet wurden.

Bildcredit: NSF, LIGO, VIRGO, KAGRA, Georgia Tech, Vanderbilt U.; Graphik: Sudarshan Ghonge und Karan Jani

Beschreibung: Jedes Mal, wenn zwei massereiche Schwarze Löcher kollidieren, senden sie ein lautes Zirpen in Form von Gravitationswellen ins Universum. Erst seit sieben Jahren besitzt die Menschheit die Technologie, um dieses ungewöhnliche Zirpen zu hören, aber wir haben seither in den ersten drei Beobachtungsläufen schon etwa 90 davon gehört.

Oben seht ihr die Spektrogramme – Diagramme der Gravitationswellenfrequenz im Zeitverlauf – dieser 90 Ereignisse, die von den riesigen Detektoren von LIGO (USA), VIRGO (Europa) und KAGRA (Japan) beobachtet wurden. Je mehr Energie einer Kollision auf der Erde ankommt, desto heller erscheint diese Kollision auf der Grafik.

Neben vielen wissenschaftlichen Erfolgen bietet dieses Zirpen von Gravitationswellen der Menschheit eine beispiellose Bestandsaufnahme von Schwarzen Löchern und Neutronensternen, aber auch eine neue Methode, um die Wachstumsgeschwindigkeit unseres Universums zu messen.

Für Anfang Dezember 2022 ist ein vierter Gravitationswellen-Beobachtungsdurchlauf mit erhöhter Genauigkeit geplant.

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Das holografische Prinzip und eine Teekanne

Dreidimensionale Teekanne in einem zweidimensionalen Bild.

Bildcredit: Caltech

Beschreibung: Sicherlich seht ihr das zweidimensionale bunte Rechteck, aber seht ihr auch tiefer hinein? Wenn ihr die Farbflecke auf diesem Bild zählt, schätzt ihr vielleicht, dass dieses digitale 2D-Bild höchstens 60 (waagrecht) x 50 (senkrecht) x 256 (mögliche Farben) = 768.000 Bit an Information enthalten kann.

Das noch unbewiesene holografische Prinzip besagt jedoch, dass – anders als erwartet – ein 2D-Bild alle Information des 3D-Raums enthalten könnte, den es umschließen kann. Das Prinzip leitet sich von der Idee ab, dass die Planck-Länge – das ist jene Länge, bei der die Quantenmechanik beginnt, die klassische Gravitation zu dominieren – die eine Seite eines Bereichs ist, der nur etwa ein Bit an Information enthalten kann.

Die Grenze wurde erstmals 1933 von dem Physiker Gerard ‚t Hooft postuliert. Sie ergibt sich aus der Verallgemeinerung scheinbar weit entfernter Vermutungen, wonach die Information, die in einem Schwarzen Loch enthalten ist, nicht vom eingeschlossenen Volumen bestimmt wird, sondern vom Oberflächenbereich seines Ereignishorizonts. Der Begriff „holografisch“ stammt aus der Analogie zu einem Hologramm, bei dem dreidimensionale Bilder durch Projektion von Licht auf einem flachen Bildschirm erzeugt werden.

Aufgepasst! Manche Leute, die auf dieses Bild starren, denken eher nicht, dass es nur 768.000 Bit codiert – und auch nicht die möglichen 2563000 Bit-Permutationen – sondern sie meinen, es zeige eine dreidimensionale Teekanne.

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Tanzende Geister: Gekrümmte Strahlen aktiver Galaxien

Seltsam gekrümmte Ströme aus den Kernen aktiver Galaxien.

Bildcredit: Jayanne English und Ray Norris, EMU-ASKAP, DES; Text: Jayanne English (U. Manitoba)

Beschreibung: Warum senden Galaxien Strahlen aus, die wie Geister aussehen? Und warum tanzen sie scheinbar? Die gekrümmten, verschwommenen Ströme aus den sehr massereichen Schwarzen Löchern in den Zentren ihrer Galaxien oben in der Mitte und links unten sind mit nichts Bekanntem vergleichbar. Forschende entdeckten sie mithilfe des Radioteleskops Australian Square Kilometer Array Pathfinder (ASKAP) beim Erstellen von Karten, welche die Entwicklung von Galaxien aufzeigen.

Auf früheren Bildern dieser Entwicklungslandkarte des Universums waren nur verwaschene Kleckse zu sehen. Schließlich zeigte ein Vergleich der relativen Menge an abgestrahlter Energie, dass die leuchtenden länglichen Strukturen von Elektronen erzeugt werden, die um Magnetfeldlinien strömen.

Eine Überlagerung der Radiodaten mit einer visuellen Himmelsansicht (der Dark Energy Survey) bestätigte, dass die Elektronenströme aus den Zentren aktiver Galaxien stammten. Meist erzeugen solche Aktiven Galaxienkerne (AGN) gerade Strahlen. Eine führende Hypothese für den geometrischen Ursprung dieser ungewöhnlichen Formen basiert auf dem Strom großräumiger intergalaktischer Winde.

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EHT löst den zentralen Jet des Schwarzen Lochs in Cen A auf

Das Event Horizon Telescope (EHT) zeigt einen Bildausschnitt eines Schwarzen Lochs in Centaurus A, der am Himmel die Winkelgröße eines Golfballs auf dem Mond einnimmt.

Bildcredit: Universität Radboud; CSIRO/ATNF/I.Feain et al., R.Morganti et al., N.Junkes et al.; ESO/WFI; MPIfR/ESO/APEX/A. Weiss et al.; NASA/CXC/CfA/R. Kraft et al.; TANAMI/C. Mueller et al.; EHT/M. Janssen et al.

Wie stoßen sehr massereiche Schwarze Löcher mächtige Strahlen aus? Um das herauszufinden, bildete das Event Horizon Telescope (EHT) das Zentrum der nahen aktiven Galaxie Centaurus A ab. Im Bild ist eine Kaskade an immer detailreicheren Bildern eingefügt. Der große Bildausschnitt zeigt Cen A auf einem großen Teil des Himmels. Der eingeblendete Mond zeigt die Größenordnung. Der kleinste Himmelsausschnitt unten hat die Größe eines Golfballs auf dem Mond.

Das neue Bild zeigt etwas, das wie zwei Strahlen aussieht. Es sind aber zwei Seiten eines einzigen Strahls. Diese neu entdeckte Aufhellung des Strahlenrandes ist keine Lösung für das Rätsel der Entstehung der Strahlen. Es lässt jedoch vermuten, dass der Teilchenfluss durch einen starken Druck begrenzt wird – vielleicht durch ein Magnetfeld.

Das EHT ist eine Kooperation von Radioteleskopen auf der ganzen Welt. Zu den beteiligten Instituten zählen das Caltech-Submillimeter-Observatorium auf Hawaii in den USA, ALMA in Chile, NOEMA in Frankreich und weitere. Das EHT beobachtet weiterhin massereiche Schwarze Löcher in der Nähe und ihre energiereiche Umgebung.

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GW200115: Simulation der Verschmelzung eines Schwarzen Lochs mit einem Neutronenstern


Videocredit: Simulation: S.V. Chaurasia (Stockholm U.), T. Dietrich (Potsdam U. & MPIGP); Visualisierung: T. Dietrich (Potsdam U. und MPIGP), N. Fischer, S. Ossokine, H. Pfeiffer (MPIGP)

Beschreibung: Was passiert, wenn ein Schwarzes Loch einen Neutronenstern vernichtet? Analysen lassen den Schluss zu, dass so ein Geschehen das Gravitationswellenereignis GW200115 verursachte, das im Januar 2020 von den Observatorien LIGO und Virgo beobachtet wurde.

Um das ungewöhnliche Ereignis besser zu verstehen, wurde diese Visualisierung aus einer Computersimulation erstellt. Zu Beginn des Visualisierungsvideos kreisen das Schwarze Loch (etwa 6 Sonnenmassen) und der Neutronenstern (etwa 1,5 Sonnenmassen) umeinander und senden dabei eine immer größer werdende Menge an Gravitationsstrahlung aus. Das malerische Muster der Gravitationswellen-Emission ist in Blau dargestellt.

Das Duo nähert sich einander immer schneller auf spiralförmigen Bahnen, bis der Neutronenstern vollständig vom Schwarzen Loch verschlungen wird. Da der Neutronenstern während der Kollision nicht auseinanderbricht, entkommt nur wenig Licht – das passt zum Fehlen eines beobachteten optischen Gegenstücks. Das übrig gebliebene Schwarze Loch schwingt kurz. Sobald das Schwingen abklingt, verebben auch die ausgesendeten Gravitationswellen.

Das 30-sekündige Zeitraffervideo ist scheinbar kurz, doch in Wirklichkeit dauert es etwa 1000-mal so lang wie das echte Verschmelzungsereignis.

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M104, die Sombrerogalaxie

Die Spiralgalaxie M104 im Sternbild Jungfrau am Rand des Virgo-Galaxienhaufens erinnert vom Aussehen her an einen Sombrero.

Bildcredit und Bildrechte: Bray Falls

Die prächtige Spiralgalaxie M104 ist berühmt für ihr Profil mit einem breiten Rand aus undurchsichtigen Staubbahnen. Man sieht sie fast von der Seite. Die Schneise aus kosmischem Staub bildet eine Silhouette vor einer ausgedehnten zentralen Wölbung aus Sternen. Dadurch sieht die Galaxie ähnlich aus wie ein breitkrempiger Hut. Das führte zu ihrem landläufigen Namen Sombrerogalaxie.

Diese scharfe optische Ansicht der bekannten Galaxie wurde aus bodenbasierten Bilddaten erstellt und so bearbeitet, dass Details erhalten blieben, die häufig im Glanz der hellen Zentralwölbung von M104 verloren gehen.

Die Sombrerogalaxie ist auch als NGC 4594 bekannt. Sie leuchtet im gesamten Spektrum und enthält ein zentrales, sehr massereiches Schwarzes Loch. M104 ist ungefähr 50.000 Lichtjahre groß und 28 Millionen Lichtjahre entfernt. Sie ist eine der größten Galaxien am südlichen Rand des Virgo-Galaxienhaufens. Die farbigen gezackten Vordergrundsterne im Bild liegen weit innerhalb unserer Milchstraße.

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