Schlagwort: Schwarzes Loch

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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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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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