Fragen Sie Ethan: Wie sollte der Ereignishorizont des Schwarzen Lochs aussehen?

Bild eines schwarzen Lochs. Trotz seiner dunklen Farbe wird angenommen, dass alle schwarzen Löcher aus gewöhnlicher Materie gebildet wurden, aber solche Darstellungen sind nicht ganz genau.

Im April 2017 sammelten Teleskope auf der ganzen Welt gleichzeitig Daten über das zentrale Schwarze Loch der Milchstraße. Von allen im Universum bekannten Schwarzen Löchern ist das im Zentrum der Galaxie befindliche - Schütze A * - etwas Besonderes. Aus unserer Sicht ist der Ereignishorizont das größte uns zur Verfügung stehende Schwarze Loch. Es ist so groß, dass Teleskope an verschiedenen Orten auf der Erde es sehen müssten, wenn sie es alle gleichzeitig betrachten würden. Obwohl es Monate dauern wird, die von verschiedenen Teleskopen erhaltenen Daten zu kombinieren und zu analysieren, sollten wir bis Ende 2017 unser erstes Bild des Ereignishorizonts erhalten. Wie sollte er also aussehen? Diese Frage wird von einem unserer Leser gestellt, der in den Abbildungen verwirrt ist:

Sollte der Ereignishorizont das Schwarze Loch nicht vollständig wie eine Eierschale umgeben? Alle Künstler malen schwarze Löcher in Form von hart gekochten Eiern. Warum umgibt der Ereignishorizont das Schwarze Loch nicht vollständig?

Natürlich finden Sie im Internet Abbildungen verschiedener Art. Aber welche sind richtig?


Zeichnen mit einem einfachen schwarzen Kreis und einem Ring - ein stark vereinfachtes Bild des BH-Horizonts

Die älteste Art der Illustration ist eine einfache schwarze Scheibe, die das gesamte Licht dahinter abdeckt. Dies ist sinnvoll, wenn Sie sich daran erinnern, was das BH ist: Tatsächlich handelt es sich um eine an einem Ort gesammelte Masse, die so groß und kompakt ist, dass die Fluchtgeschwindigkeit von ihrer Oberfläche die Lichtgeschwindigkeit übersteigt. Da sich nichts so schnell bewegen kann, kollabiert selbst die Übertragung von Wechselwirkungen zwischen Partikeln innerhalb des BH innerhalb des BH zu einer Singularität, und um das BH herum bildet sich ein Ereignishorizont. Licht kann diesem kugelförmigen Teil des Kosmos nicht entkommen, weshalb es aus jeder Perspektive aussehen sollte, wie ein schwarzer Kreis, der über dem Hintergrund des Universums liegt.


BH ist nicht nur Masse über einem isolierten Hintergrund, es hat Gravitationseffekte, die das Licht aufgrund von Gravitationslinsen dehnen, erhöhen und verzerren.

Das ist aber nicht die ganze Geschichte. Aufgrund der Schwerkraft erhöhen und verzerren BHs das von der Rückseite kommende Licht aufgrund des Effekts der Gravitationslinse. Es gibt genauere und detailliertere Darstellungen des Erscheinungsbilds des BH, und es hat sogar einen Ereignishorizont, dessen Größe korrekt mit der Krümmung des Raums gemäß GR verglichen wird.

Leider sind diese Abbildungen nicht ohne Nachteile: Sie berücksichtigen nicht das Material vor dem Schwarzen Loch und die Akkretionsscheibe um das Schwarze Loch. Einige Bilder enthalten dies.


Das Bild eines aktiven BH, das von der Akkretion von Materie und der Beschleunigung seines Teils in Form von zwei senkrechten Strahlen besetzt ist, kann das BH im Zentrum unserer Galaxie unter vielen Gesichtspunkten korrekt beschreiben.

Aufgrund der enormen Gravitationseffekte bilden Schwarze Löcher in Gegenwart anderer Materiequellen Akkretionsscheiben. Asteroiden, Gaswolken und ganze Sterne können durch Gezeitenkräfte, die von so massiven Objekten wie Schwarzen Löchern ausgehen, in Stücke gerissen werden. Aufgrund der Erhaltung des Drehimpulses und aufgrund von Kollisionen zwischen verschiedenen Partikeln, die in das BH fallen, erscheint um dieses herum ein scheibenförmiges Objekt, das sich erwärmt und strahlt. In den inneren Bereichen fallen periodisch Partikel in das Schwarze Loch, wodurch dessen Masse zunimmt, und das Material davor bedeckt einen Teil der Kugel, den Sie sonst sehen würden.

Aber der Ereignishorizont selbst ist undurchsichtig, und Sie sollten keine Materie dahinter sehen.


Am Schwarzen Loch im interstellaren Film wird der Ereignishorizont für eine spezielle Klasse rotierender BHs recht genau dargestellt

Sie werden überrascht sein, dass Interstellar BH im Hollywood-Film genauer dargestellt wird als in vielen professionellen Bildern, die in oder für die NASA erstellt wurden. Aber auch unter Fachleuten gibt es viele Missverständnisse über BH. BHs saugen keine Materie an, sondern üben nur einen Gravitationseffekt aus. BHs reißen Objekte aufgrund einer zusätzlichen Kraft nicht auseinander - einfache Gezeitenkräfte tun dies, wenn ein Teil des fallenden Objekts näher am Zentrum liegt als der andere. Und vor allem existieren BHs selten in einem „nackten“ Zustand und befinden sich oft in der Nähe anderer Materie, wie der, die im Zentrum unserer Galaxie existiert.


Zusammengesetztes Bild von BH Sagittarius A * im Zentrum unserer Galaxie, bestehend aus Röntgen- und Infrarotstrahlen. Es hat eine Masse von 4 Millionen Sonnenenergie und ist von heißem Gas umgeben, das im Röntgenbereich emittiert

Lassen Sie uns angesichts all dessen daran erinnern, was für Bilder von gekochten Eiern sind. Denken Sie daran, dass das BH selbst nicht dargestellt werden kann, da es kein Licht emittiert. Wir können nur in einem bestimmten Wellenlängenbereich beobachten und eine Kombination von Licht sehen, das das BH von hinten umgeht und sich um und vor ihm biegt. Und das resultierende Signal ähnelt wirklich einem hart gekochten Ei, das in zwei Hälften geschnitten ist.


Einige der möglichen Signale des BH-Ereignishorizonts, die in den Simulationen des Projekts " Event Horizon Telescope " erhalten wurden

Die Sache ist, was genau wir fotografieren. Wir können im Röntgenbereich nicht beobachten, weil es zu wenige solcher Photonen gibt. Wir können nicht im sichtbaren Licht beobachten, da das Zentrum der Galaxie für sie undurchsichtig ist. Und wir können im Infrarotlicht nicht beobachten, weil die Atmosphäre solche Strahlen blockiert. Aber wir können im Funkbereich beobachten und dies gleichzeitig auf der ganzen Welt tun, um die bestmögliche Auflösung zu erzielen.


Teile des „Event Horizon Telescope“ aus einer Hemisphäre

Die Winkelgröße des BH in der Mitte der Galaxie beträgt ungefähr 37 Winkelmikrosekunden, und die Auflösung des Teleskops beträgt 15 Winkelmikrosekunden, also sollten wir es sehen können! Der größte Teil der hochfrequenten Strahlung stammt von geladenen Materieteilchen, die um das BH herum beschleunigen. Wir wissen nicht, wie die Scheibe ausgerichtet sein wird, ob es dort mehrere Scheiben geben wird, ob es sich eher um einen Bienenschwarm oder eine CD handelt. Wir wissen auch nicht, ob er aus unserer Sicht eine „Seite“ des BH der anderen vorziehen würde.


Fünf verschiedene Simulationen der allgemeinen Relativitätstheorie unter Verwendung des magnetohydrodynamischen Modells der Schwarzloch-Akkretionsscheibe und wie das empfangene Signal aussehen wird

Wir erwarten einen echten Ereignishorizont mit einer bestimmten Größe, der das gesamte dahinter stehende Licht blockiert. Wir erwarten auch das Vorhandensein eines Signals davor, die Ungleichmäßigkeit dieses Signals aufgrund eines Durcheinanders um das Schwarze Loch und dass die Ausrichtung der Scheibe relativ zum Schwarzen Loch bestimmt, was genau Sie sehen können.

Ein Teil wird heller, wenn sich die Scheibe in unsere Richtung dreht. Die andere Seite ist dunkler, wenn sich die Scheibe von uns weg dreht. Der Umriss des Ereignishorizonts kann auch aufgrund von Gravitationslinsen sichtbar sein. Noch wichtiger ist, dass die Position der Platte zu uns mit einer Kante oder Ebene die Art des empfangenen Signals stark beeinflusst, wie im ersten und dritten Quadrat der folgenden Abbildung zu sehen ist.


Die Position der Scheibe zu uns mit einer Kante (zwei rechte Quadrate) oder einer Ebene (zwei linke Quadrate) hat großen Einfluss darauf, welches BH wir sehen werden

Wir können andere Effekte überprüfen, nämlich:

• Hat der BH die von GR vorhergesagte Größe?
• ob der Ereignishorizont rund (wie vorhergesagt) oder länglich oder an den Polen abgeflacht ist;
• erstreckt sich die Funkemission weiter als wir denken

oder es gibt noch einige Abweichungen vom erwarteten Verhalten. Dies ist ein neuer Schritt in der Physik, und wir stehen kurz vor ihrer direkten Überprüfung. Eines ist klar: Egal was das „Event Horizon Telescope“ sieht, wir werden definitiv etwas Neues und Schönes über eines der extremsten Objekte und Bedingungen im Universum lernen!

Ethan Siegel - Astrophysiker, Wissenschafts-Popularisierer, Autor von Starts With A Bang! Er schrieb die Bücher „Beyond the Galaxy“ ( Jenseits der Galaxie ) und „Tracknology: the science of Star Trek“ ( Treknology ).