Kosmischer Zerrspiegel: Schwarze Löcher verzerren das Licht und bilden mehrere Spiegelbilder, die wirklich schön sind!

Schwarze Löcher verzerren das Universum und bilden mehrere Bilder

Abbildung eines Schwarzen Lochs (Bildnachweis: Mark Glick/Science Image Library)

Stellen Sie sich vor, Sie würden eine ganze Galaxie in einem faszinierenden Spiegelsaal abbilden, und Sie würden sehen, dass jedes Bild der Galaxie mit jeder Wiederholung immer seltsamer und verzerrter wird. So sieht das Universum in der Nähe des Ereignishorizonts eines Schwarzen Lochs aus, einem der am stärksten gekrümmten Orte im Universum.

Während Physiker bereits zuvor einige Vorstellungen davon hatten, wie diese Regionen aussehen, simuliert eine neue Berechnung genau, was um ein Schwarzes Loch herum sichtbar ist, und eröffnet damit potenziell neue Möglichkeiten, Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie zu testen.

Rundherum

Der Bereich in der Nähe eines Schwarzen Lochs ist in der Tat seltsam. Unabhängig von der Masse behandeln Schwarze Löcher alle Objekte gleich. Das Licht wird vom Ereignishorizont des Schwarzen Lochs verschluckt und nichts kann seiner enormen Gravitationskraft entkommen.

Wenn Sie jedoch eine Galaxie hinter einem schwarzen Loch platzieren und sie von der anderen Seite betrachten, sehen Sie ein verzerrtes Bild der Galaxie. Das liegt daran, dass ein Teil des Lichts der Galaxie den Rand des Schwarzen Lochs fast streift, aber nicht hineinfällt.

Aufgrund der extremen Schwerkraft des Schwarzen Lochs würde dieses Licht in Richtung Ihrer Sichtlinie abgelenkt. Das Seltsame ist, dass die Galaxien, die Sie sehen, für Sie als Beobachter weit entfernt vom Schwarzen Loch zu sein scheinen und nicht direkt dahinter.

Die Schwerkraft um ein Schwarzes Loch ist so stark, dass die Raumzeit stark verzerrt wird. Das Ergebnis ist, dass in einer bestimmten Entfernung das Licht selbst das Schwarze Loch umkreisen kann. Ein Teil des Lichts der Hintergrundgalaxien wird sogar gefangen und zirkuliert für immer um das Schwarze Loch.

Allerdings muss sich das Licht in einer bestimmten Entfernung vom Schwarzen Loch befinden, um in seiner Umlaufbahn gefangen zu werden. Es könnte das Schwarze Loch auch in einem Winkel treffen, der dazu führt, dass es eine (oder mehrere) Schleifen macht, bevor es schließlich entkommt.

Wenn Ihr Auge auf den Rand eines Schwarzen Lochs blickt, sieht es aufgrund des abgelenkten Lichts ein Bild der Hintergrundgalaxie. Sie sehen dann ein zweites Bild der Milchstraße. Das Licht absolvierte erfolgreich eine Umlaufbahn, bevor es entkam, und wurde dann bei zwei, dann drei und so weiter beobachtet.

Seit Jahrzehnten verwenden Physiker einfache Schätzungen, um zu zeigen, dass jedes Bild e2π-mal näher am Rand eines Schwarzen Lochs ist als das letzte.

In dieser Formel ist e die Basis des natürlichen Logarithmus, die ungefähr 2,7182 entspricht. Pi ist eine weitere irrationale Zahl, ungefähr 3,14159, also ergibt e2π eine Zahl, die sehr nahe bei 500 liegt. Dies bedeutet, dass jede Wiederholung desselben Hintergrundobjekts etwa 500-mal näher an den Rand des Schwarzen Lochs kommt als die letzte.

Dieses Diagramm zeigt, wie Licht von einem Hintergrund nahe dem Rand eines Schwarzen Lochs gespiegelt wird.

Das Licht der Galaxien im Hintergrund des Schwarzen Lochs umgibt das Schwarze Loch und erzeugt ein endloses „Spiegelbild“ des Universums. (Bildnachweis: Peter Lawson)

Geben Sie sich etwas Mühe

Obwohl Physiker dieses einfache Ergebnis mit Bleistift- und Papierberechnungen ermitteln können, sind sie sich nicht sicher, ob der spezielle Faktor 500 völlig korrekt ist, wenn sie sich die komplexe Krümmung der Raumzeit in der Nähe eines Schwarzen Lochs genauer ansehen.

In den in einer neuen Studie veröffentlichten Ergebnissen verwendete Albert Snepen, ein Doktorand am Niels-Bohr-Institut der Universität Kopenhagen in Dänemark, numerische Methoden, um die Physik des Lichts zu simulieren, das in der Nähe eines Schwarzen Lochs umkreist (und aus diesem entkommt). Er bestätigte, dass bei hochpräzisen Messungen der Faktor 500 konstant blieb. Seine Ergebnisse wurden in der Zeitschrift Scientific Reports veröffentlicht.

„Es ist schön zu verstehen, warum sich diese Bilder auf so elegante Weise wiederholen“, sagte Sneppen in einer Erklärung.

Snepen fand heraus, dass der Faktor 500 nur für vereinfachte, stationäre Schwarze Löcher gilt. Schwarze Löcher im realen Universum rotieren, wodurch sich die Art und Weise ändert, wie das Licht sie umkreist – was wiederum die Entfernung ändert, in der das Bild erscheint.

„Es stellt sich heraus, dass man, wenn sich das Schwarze Loch wirklich schnell dreht, nicht mehr 500-mal näher herankommen muss, sondern viel näher herankommen muss“, sagte Sneppen. „Jedes Bild ist jetzt nur noch 50- oder 5-mal näher oder sogar nur noch doppelt so nah am Rand des Schwarzen Lochs.“

Da die Rotation des Schwarzen Lochs die Raumzeit um es herum verzerrt, erscheint jedes nachfolgende Bild des Hintergrundobjekts flacher. Dies führt dazu, dass die am weitesten entfernten Bilder relativ unverzerrt erscheinen, während die am nächsten gelegenen Bilder möglicherweise überhaupt nicht erkennbar sind.

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Technisch gesehen gibt es eine unendliche Anzahl von Hintergrundobjekten, die das Bild wiederholen, jedes näher am Ereignishorizont. In Wirklichkeit werden Menschen sie wahrscheinlich nie sehen können, da selbst mit den leistungsstärksten Teleskopen nur wenige Bilder auflösbar sind.

Aber diese wenigen bieten einen eindrucksvollen Einblick in das Herz der allgemeinen Relativitätstheorie, einer mathematischen Theorie, die die Schwerkraft beschreibt.

Im Jahr 2019 lieferte das Event Horizon Telescope – ein scheibenförmiges, den Globus umspannendes Netzwerk von Teleskopen – das erste Bild des „Schattens“, den ein Schwarzes Loch auf das es umgebende Gas und den Staub wirft. Dieses Teleskop ist nicht leistungsstark genug, um mehrere Zerrspiegelbilder des Hintergrundobjekts aufzunehmen, aber zukünftige Teleskope könnten dazu in der Lage sein.

Der Vergleich der vom Teleskop beobachteten Spiegelbilder mit den von Snepen berechneten Daten ist ein beispielloser Test der allgemeinen Relativitätstheorie. Wenn es beispielsweise hinter einem Schwarzen Loch eine Supernova gäbe – die extrem starke Explosion eines sterbenden Sterns – würden wir viele Male sehen, wie diese Supernova explodiert. Jedes Bild wird um eine bestimmte Zeit verzögert, abhängig davon, wie oft es das Schwarze Loch umkreist. Dies ermöglicht den Forschern, ihre Theorien mit der Realität zu vergleichen.

Wir müssen nur bereit sein, lange genug ins Leere zu starren.

VON: Paul Sutter

GJ: Dong Meihui

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