Schlagwort: Schwarzes Loch

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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 gekrümmten Magnetfelder von Centaurus A

Das Infrarot-Teleskop SOFIA zeigt die Magnetfeldlinien der Galaxie Centaurus A.

Bildcredit und Bildrechte: Optisch: Europäische Südsternwarte (ESO) Wide Field Imager; Submillimeter: Max-Planck-Institut für Radioastronomie/ESO/Atacama Pathfinder Experiment (APEX)/A.Weiss et al; Röntgen und Infrarot: NASA/Chandra/R. Kraft; JPL-Caltech/J. Keene; Text: Joan Schmelz (USRA)

Wenn Galaxien kollidieren, was passiert dann mit ihren Magnetfeldern? Um das herauszufinden, richtete die NASA das Infrarot-Teleskop SOFIA auf die galaktische Nachbarin Centaurus A. Dabei beobachtete SOFIA polarisierten Staub, der die Magnetfelder zeigt. SOFIA wird in einer fliegenden Boeing 747 betrieben.

Cen A erhielt ihre ungewöhnliche Form, als zwei Galaxien zusammenstießen. Dabei entstanden mächtige Strahlströme. Sie werden von Gas gespeist, das in ein zentrales, sehr massereiches Schwarzes Loch fällt. Dieses Ergebnisbild zeigt die magnetischen Feldlinien, die SOFIA fand. Sie wurden über die Bilder von ESO (sichtbares Licht: weiß), APEX (Submillimeter: orange), Chandra (Röntgenstrahlung: blau) und Spitzer (Infrarot: rot) gelegt.

Es zeigte sich, dass die Magnetfelder an den Außenbereichen der Galaxie parallel zu den Staubbahnen verlaufen. Doch nahe beim Zentrum sind sie verzerrt. Die Gravitationskräfte nahe beim Schwarzen Loch beschleunigen die Ionen und verstärken das Magnetfeld.

Fassen wir zusammen: Die Kollision vereinigte nicht nur die Massen der Galaxien, sondern verstärkte auch ihre Magnetfelder. Diese Ergebnisse liefern neue Erkenntnisse, wie sich Magnetfelder im frühen Universum entwickelten. Damals kamen Verschmelzungen noch häufiger vor.

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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: Arbeitsgruppe Simulating Extreme Spacetimes

Was passiert, wenn zwei Schwarze Löcher kollidieren? Dieses extreme Szenario passiert in den Zentren vieler Galaxien und in Mehrfachsternsystemen, wenn sie verschmelzen. Die Endphase so einer Verschmelzung wurde mit Computern simuliert. Dabei wurden die Effekte der Gravitationslinsen berechnet, die man dahinter im Sternenfeld sehen würde. Dieses Video zeigt das Ergebnis.

Die schwarzen Regionen markieren die Ereignishorizonte des dynamischen Duos. Außen herum verläuft Ring aus Hintergrundsternen, die sich verschieben. Er zeigt die Position ihres gemeinsamen Einsteinrings. Von allen Hintergrundsternen sieht man Bilder, und zwar nicht nur außerhalb des Einsteinrings, man sieht auch immer ein Begleitbild im Inneren oder gleich mehrere.

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

Bei der NASA ist Woche der Schwarzen Löcher!

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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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