Animation: Schwarzes Loch vernichtet Stern


Video-Illustrationscredit: DESY, Science Communication Lab

Beschreibung: Was passiert, wenn ein Stern einem Schwarzen Loch zu nahe kommt? Das Schwarze Loch zerreißt ihn – aber wie? Nicht die hohe Gravitationskraft ist das Problem – es sind die Gravitationskraftdifferenzen, die über den Stern hinweg verteilt sind, die zur Zerstörung führen.

Dieses animierte Video veranschaulicht die Auflösung. Am Beginn seht ihr einen Stern, der sich einem Schwarzen Loch nähert. Die Bahngeschwindigkeit nimmt zu, bei der größten Annäherung wird die äußere Atmosphäre des Sterns weggerissen. Ein Großteil der Sternatmosphäre verflüchtigt sich in den Weltraum, aber ein Teil kreist weiterhin um das Schwarze Loch und bildet eine Akkretionsscheibe.

Die Animation zeigt dann die Akkretionsscheibe mit Blick zum Schwarzen Loch. Neben seltsamen visuellen Gravitationslinseneffekten seht ihr sogar die Rückseite der Scheibe. Zuletzt verläuft der Blick einen der Strahlen entlang, die in der Rotationsachse ausgestoßen werden. Theoretische Modelle lassen vermuten, dass diese Strahlen nicht nur energiereiches Gas ausstoßen, sondern auch energiereiche Neutrinos erzeugen – eines davon wurde vielleicht kürzlich auf der Erde beobachtet.

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Die doppelt verzerrte Welt der binären Schwarzen Löcher


Credit für die Wissenschaftliche Visualisierung: NASA, Goddard Space Flight Center, Jeremy Schnittman und Brian P. Powell – Text: Francis Reddy

Beschreibung: In dieser faszinierenden Computervisualisierung bahnen sich Lichtstrahlen von Akkretionsscheiben um ein Paar einander umkreisender supermassereicher Schwarzer Löcher ihren Weg durch die gekrümmte Raumzeit, die durch extreme Gravitation entsteht.

Die simulierten Akkretionsscheiben wurden mit zwei Falschfarbschemata versehen: Rot für die Scheibe um ein Schwarzes Loch mit 200 Millionen Sonnenmassen, und blau für die Scheibe um ein Schwarzes Loch mit 100 Millionen Sonnenmassen. Das macht es einfacher, die Lichtquellen zu verfolgen, doch die Wahl spiegelt auch die Wirklichkeit wieder: Heißeres Gas gibt Licht ab, das näher am blauen Ende des Spektrums liegt, und Materie, die um kleinere Schwarze Löcher kreist, erfährt stärkere Gravitationseffekte, die höhere Temperaturen erzeugen. Bei den vorhandenen Massen würden die beiden Akkretionsscheiben jedoch den Großteil ihres Lichtes in Ultraviolett abstrahlen.

Im Video sind verzerrte Sekundärbilder des blauen Schwarzen Lochs zu sehen, welche die Sicht des roten Schwarzen Lochs auf seinen Partner zeigen. Sie befinden sich im verworrenen Geflecht der roten Scheibe, die durch die Gravitation des blauen Schwarzen Lochs im Vordergrund verzerrt wird.

Weil wir die rote Sicht auf das Blau und gleichzeitig blau direkt sehen, erlauben uns die Bilder eine gleichzeitige Sicht auf beide Seiten von Blau. Rotes und blaues Licht, das von beiden Schwarzen Löchern stammt, ist im innersten Lichtring zu sehen, dem sogenannten Photonenring in der Nähe ihrer Ereignishorizonte.

Astronom*innen erwarten, dass sie in nicht allzu ferner Zukunft Gravitationswellen nachweisen können, das sind Wellen in der Raumzeit, die entstehen, wenn zwei supermassereiche Schwarze Löcher in einem System wie diesem hier einander auf spiralförmigen Bahnen nähern und verschmelzen.

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Die Galaxie, der Strahl und das berühmte Schwarze Loch

Die elliptische Galaxie Messier 87 (M87) im Sternbild Jungfrau enthält das sehr massereiche Schwarze Loch, das vom Event Horizon Telescope abgebildet wurde.

Bildcredit: NASA, JPL-Caltech, Event Horizon Telescope Collaboration

Beschreibung: Die helle elliptische Galaxie Messier 87 (M87) enthält das sehr massereiche Schwarze Loch, das auf dem allerersten je gemachten Bild eines Schwarzen Lochs vom Event Horizon Telescope auf der Erde abgebildet wurde. Die etwa 55 Millionen Lichtjahre entfernte M87 ist ein Riese im Virgo-Galaxienhaufen. Die große Galaxie wurde auf diesem Infrarotbild des Weltraumteleskops Spitzer in blauen Farbtönen gerendert. M87 erscheint großteils strukturlos und wolkig, doch das Spitzer-Bild zeigt Tetails der relativistischen Strahlen auf, die aus der Zentralregion der Galaxie schießen.

Die Strahlen, die rechts oben im Einschub zu sehen sind, sind Tausende Lichtjahre lang. Der hellere Strahl rechts kommt auf uns zu und verläuft in der Nähe unserer Sichtlinie. Gegenüber bringt die Erschütterung, die durch einen an sich unsichtbaren Strahl entsteht, der sich von uns entfernt, einen blasseren Materiebogen zum Leuchten.

Rechts unten im Einschub seht ihr im Kontext das historische Bild des Schwarzen Lochs im Zentrum der Riesengalaxie und der relativistischen Strahlen. Im Spitzer-Bild ist das sehr massereiche Schwarze Loch in keiner Weise aufgelöst, es ist von einfallender Materie umgeben, diese ist die Quelle der gewaltigen Energie für die relativistischen Strahlen, die aus dem Zentrum der aktiven Galaxie M87 strömen.

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Wenn Schwarze Löcher kollidieren


Videocredit und -rechte: Simulating Extreme Spacetimes Collaboration

Beschreibung: Was passiert, wenn zwei Schwarze Löcher kollidieren? Dieses extreme Szenario passiert in den Zentren vieler verschmelzender Galaxien und in Mehrfachsternsystemen. Dieses Video zeigt eine Computeranimation der Endphase so einer Verschmelzung und veranschaulicht die Gravitationslinseneffekte, die am Sternenfeld im Hintergrund auftreten würden.

Die schwarzen Regionen markieren die Ereignishorizonte des dynamischen Duos, während ein darum herum verlaufender Ring aus sich verschiebenden Hintergrundsternen die Position ihres gemeinsamen Einsteinrings anzeigt. Von allen Hintergrundsternen sind Bilder nicht nur außerhalb dieses Einsteinrings sichtbar, sondern jeweils auch ein oder mehrere Begleitbilder im Inneren.

Am Ende verschmelzen die beiden Schwarzen Löcher. Heute wissen wir, dass das Endstadium so einer Verschmelzung heftige Gravitationsstrahlung erzeugt, die eine neue Sichtweise auf unser Universum bietet.

Diese Woche ist Schwarze-Löcher-Woche der NASA

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Das Schwarze Loch im Zentrum von M87 in polarisiertem Licht

Die gemessene Richtung der Eigenrotation (Polarisation) von Radiowellen, die durch das starke Magnetfeld entsteht, welches das extrem massereiche Schwarze Loch in der elliptischen Galaxie M87 umgibt.

Bildcredit: Event Horizon Telescope Collaboration; Text: Jayanne English (U. Manitoba)

Beschreibung: Um es mit Carl Sagans berühmten Worten zu sagen: „Wenn du Strahlen aus Schwarzen Löchern strömen lassen willst, musst du erst Magnetfelder erzeugen.“ Dieses Bild zeigt die gemessene Richtung der Eigenrotation (Polarisation) von Radiowellen. Die Polarisation entsteht durch das starke Magnetfeld, welches das extrem massereiche Schwarze Loch im Zentrum der elliptischen Galaxie M87 umgibt.

Die Radiowellen wurden vom Event Horizon Telescope (EHT) detektiert, welches Daten von weltweit verteilten Radioteleskopen zusammenführt. Die Polarisationsstruktur wurde mithilfe computergenerierter Flusslinien kartiert und überlagert das berühmte EHT-Bild des Schwarzen Lochs, das 2019 veröffentlicht wurde.

Das vollständige dreidimensionale Magnetfeld ist komplex. Vorläufige Analysen zeigen, dass Teile des Feldes wie erwartet mit der sich ansammelnden Materie um das Schwarze Loch kreisen. Doch eine andere Komponente scheint sich vertikal vom Schwarzen Loch wegzubewegen. Diese Komponente könnte erklären, warum die Materie nicht in das Loch fällt, sondern in den Strahl von M87 geschleudert wird.

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Strahlen der ungewöhnlichen Galaxie Centaurus A

Aus Centaurus A strömen Plasmastrahlen, die mehr als eine Million Lichtjahre lang sind.

Bildcredit: ESO/WFI (sichtbares Licht); MPIfR/ESO/APEX/A. Weiss et al. (Mikrowellen); NASA/CXC/CfA/R. Kraft et al. (Röntgen)

Beschreibung: Die Strahlen, die von Centaurus A ausströmen, sind mehr als eine Million Lichtjahre lang. Diese Ströme aus Plasma, die von einem gewaltigen Schwarzen Loch im Zentrum dieser Spiralgalaxie ausgestoßen werden, beleuchten das hier gezeigte Kompositbild von Cen A.

Auf welche Weise das zentrale Schwarze Loch einfallende Materie ausstößt, ist nicht bekannt. Doch nach Verlassen der Galaxie bauen die Ströme riesige Radioblasen auf, die wahrscheinlich noch Millionen Jahre leuchten werden. Wenn sie von vorbeiziehenden Gaswolken angeregt werden, können die Radioblasen sogar nach Milliarden Jahren wieder aufleuchten.

Röntgenlicht ist auf diesem Kompositbild blau abgebildet, während MikrowellenLicht orange gefärbt ist. Am Ansatz des Strahls sind in Radiolicht Details des innersten Lichtjahres des zentralen Stroms erkennbar.

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Fünfzig Gravitationswellen-Ereignisse bildlich dargestellt

Diese Illustration veranschaulicht die Massen der ersten 50 Ereignisse.

Bildcredit: LIGOVirgo-Arbeitsgruppe, Frank Elavsky, Aaron Geller, Northwestern U.

Beschreibung: Mehr als 50 Gravitationswellenereignisse wurden mittlerweile entdeckt. Diese Ereignisse markieren die fernen, gewaltigen Kollisionen von entweder zwei schwarzen Löchern oder einem schwarzen Loch mit einem Neutronenstern oder von zwei Neutronensternen. Die meisten dieser 50 Ereignisse wurden 2019 mit den LIGO-Gravitationswellendetektoren in den USA und dem VIRGO-Detektor in Europa entdeckt.

Diese Illustration veranschaulicht die Massen der ersten 50 Ereignisse. Blaue Punkte zeigen schwarze Löcher mit höherer Masse, während orangefarbene Punkte Neutronensterne mit geringerer Masse kennzeichnen. Astrophysikerinnen und Astrophysiker sind derzeit jedoch nicht sicher, was die Natur von Ereignissen betrifft, die weiß markiert sind, und deren Massen anscheinend in der Mitte liegen – zwischen zwei und fünf Sonnenmassen.

Am Nachthimmel in sichtbarem Licht überwiegen nahe helle Sterne, die seit Anbeginn der Menschheit bekannt sind. Im Gegensatz dazu überwiegen am Gravitationswellenhimmel ferne, dunkle schwarze Löcher, die seit weniger als fünf Jahre bekannt sind.

Dieser Unterschied ist aufschlussreich: Wenn man den Gravitationswellenhimmel versteht, verändert schon das allein das Wissen der Menschheit – nicht nur über Sterngeburt und -tod im ganzen Universum, sondern sogar über die Eigenschaften des Universums selbst.

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Der Virgo-Galaxienhaufen

Die Galaxien des Virgo-Galaxienhaufens mit M64, M86, M87 und Markarjans Augen.

Bildcredit und Bildrechte: Fernando Pena

Beschreibung: Die Galaxien des Virgohaufens sind über dieses detailreiche Teleskopsichtfeld verstreut. Die kosmische Szene wurde am dunklen Himmel in der Nähe von Jalisco in Mexiko auf dem Planeten Erde fotografiert. Sie ist ungefähr drei Vollmonde breit.

Der Virgohaufen ist etwa 50 Millionen Lichtjahre entfernt, er ist der nächstgelegene große Galaxienhaufen in der Umgebung unserer Lokalen Gruppe. Virgos helle elliptische Galaxien des Messierkatalogs treten markant hervor: Links oben M87, rechts unter der Mitte M84 (unten) und darüber M86.

M84 und M86 gehören auch zu Markarjans Galaxienkette, einer visuell auffälligen, senkrechten Galaxienkette auf der rechten Seite des Bildes. In der Nähe der Kettenmitte liegt ein faszinierendes, miteinander wechselwirkendes Galaxienpaar: NGC 4438 und NGC 4435. Manche kennen die beiden als Markarjans Augen.

Die riesige elliptische Galaxie M87 ist die markanteste im Virgohaufen. Sie enthält ein sehr massereiches Schwarzes Loch. Es ist das erste Schwarze Loch, das je vom Event Horizon Telescope auf dem Planeten Erde abgebildet wurde.

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GW190521: Unerwartete Schwarze Löcher kollidieren

Das Gravitationswellenereignis GW190521 war die Verschmelzung der massereichsten schwarzen Löcher, die bisher von LIGO und Virgo beobachtet wurden.

Illustrationscredit: Raúl Rubio (Virgo Valencia Group, The Virgo Collaboration)

Beschreibung: Wie entstehen schwarze Löcher wie dieses? Die beiden schwarzen Löcher, die auf spiralförmigen Bahnen zusammenstießen und das Gravitationswellenereignis GW190521 auslösten, waren nicht nur die massereichsten schwarzen Löcher, die LIGO und Virgo bisher beobachteten. Ihre Massen – 66 und 85 Sonnenmassen – waren außerdem beispiellos und unerwartet.

Man weiß, dass schwarze Löcher mit geringerer Masse – weniger als 65 Sonnenmassen – bei Supernovaexplosionen entstehen. Umgekehrt geht man davon aus, dass schwarze Löcher mit höherer Masse – mehr als ungefähr 135 Sonnenmassen – bei der Implosion sehr massereicher Sterne entstehen, nachdem diese ihre für die Kernfusion verantwortlichen Elemente, die der Gravitation entgegenwirken, aufgebraucht haben.

Wie solche schwarzen Löcher mit dazwischen liegenden Massen entstanden, ist noch unbekannt. Eine Hypothese besagt, dass sie durch aufeinanderfolgende Kollisionen zwischen Sternen und schwarzen Löchern in dichten Sternhaufen entstehen. Diese Illustration zeigt schwarze Löcher kurz vor der Kollision, die Pfeile markieren ihre Rotationsachsen. Die spiralförmigen Wellen auf der Illustration zeigen die Entstehung von Gravitationsstrahlung an, während die umgebenden Sterne auf die Möglichkeit hinweisen, dass sich die Verschmelzung in einem Sternhaufen ereignete.

Das Verschmelzungsereignis schwarzer Löcher mit der Bezeichnung GW190521 wurde letztes Jahr beobachtet, es stammt aber aus einer Zeit, als das Universum erst etwa halb so alt war wie heute (z ~ 0.8). Es ist das fernste Ereignis, das je beobachtet wurde, sogar innerhalb der Messtoleranz.

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SS 433: Doppelstern-Mikroquasar


Animationscredit: DESY, Science Communication Lab

Beschreibung: SS 433 ist eines der exotischsten Sternsysteme, die wir kennen. Sein unscheinbarer Name entstand durch seinen Eintrag in einem Katalog von Milchstraßensternen, die eine für atomaren Wasserstoff charakteristische Strahlung aussenden. Sein auffälliges Verhalten stammt von einem kompakten Objekt – einem schwarzen Loch oder Neutronenstern –, um das sich eine Akkretionsscheibe mit Ausströmungen gebildet hat. Da die Scheibe und die Ausströmungen von SS 433 jenen um sehr massereiche schwarze Löcher in den Zentren ferner Galaxien ähneln, vermutet man, dass SS 433 ein Mikroquasar ist.

Dieses animierte Video basiert auf Beobachtungsdaten. Es zeigt einen massereichen, heißen, normalen Stern, der gemeinsam mit dem kompakten Objekt in einer Umlaufbahn gefangen ist. Zu Beginn des Videos sieht man, wie durch Gravitation Materie vom normalen Stern losgerissen wird, die auf eine Akkretionsscheibe fällt. Der Zentralstern stößt Strahlen aus ionisiertem Gas in entgegengesetzte Richtungen aus – mit jeweils etwa einem Viertel der Lichtgeschwindigkeit.

Im nächsten Abschnitt zeigt das Video eine Aufsicht auf die ausströmenden Strahlen, die eine Präzessionsbewegung ausführen und dabei eine sich ausdehnende Spirale erzeugen. Danach sieht man die sich ausbreitenden Strahlen aus noch größerer Entfernung nahe dem Zentrum im Supernovaüberrest W50.

Vor zwei Jahren fand man mithilfe der HAWC-Detektoranordnung in Mexiko unerwartet heraus, dass SS 433 Gammastrahlen mit ungewöhnlich hoher Energie (im TeV-Bereich) aussendet. Doch es gibt weitere Überraschungen: Eine aktuelle Analyse von Archivdaten des NASASatelliten Fermi zeigt eine Gammastrahlenquelle, die – wie man hier sieht – von den Zentralsternen getrennt ist, und die aus bisher unbekannten Gründen Gammastrahlenpulse mit einer Periode von 162 Tagen aussendet – das entspricht der Präzessionsperiode der Strahlen von SS 433.

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Visualisierung: Schwarzes Loch mit Akkumulationsscheibe


Visualisierungscredit: Goddard-Raumfahrtzentrum der NASA, Jeremy Schnittman

Beschreibung: Wie sieht es aus, wenn man ein schwarzes Loch umkreist? Wenn das schwarze Loch von einer wirbelnden Scheibe aus leuchtendem Gas, das sich ansammelt, umgeben ist, lenkt die gewaltige Gravitation des schwarzen Lochs das Licht ab, das die Scheibe ausstrahlt. Dadurch sieht sie sehr ungewöhnlich aus. Diese Videoanimation visualisiert das.

Das Video beginnt mit der Beobachterin, die von knapp über der Ebene der Akkretionsscheibe auf das schwarzen Lochs blickt. Um das zentrale schwarze Loch herum verläuft ein dünnes, rundes Bild der umgebenden Scheibe, es markiert die Position der Photonensphäre – in deren Inneren der Ereignishorizont des schwarzen Lochs liegt.

Teile des großen Hauptbildes der Scheibe auf der linken Seite erscheinen heller, während sie sich auf euch zubewegen. Während das Video weiterläuft, fliegt ihr über das schwarze Loch und schaut von oben hinunter. Dann durchquert ihr die Scheibenebene am anderen Ende und kommt zum ursprünglichen Aussichtspunkt zurück. Die Akkretionsscheibe erzeugt einige interessante Bildumkehrungen, doch sie wirkt niemals flach.

Visualisierungen wie diese sind heute besonders interessant, weil das Event Horizon Telescope schwarze Löcher so detailreich wie nie zuvor abbildet.

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