Neue NASA-Visualisierung zeigt den Tanz zweier supermassiver Schwarzer Löcher

Ein Paar einander umkreisender Schwarzer Löcher mit Millionen Sonnenmassen vollzieht in einer neuen NASA-Visualisierung einen hypnotischen Tanz. Das Video zeigt, wie die Schwarzen Löcher die Bahnen des Lichts krümmen, das von den beiden heißen Akkretionsscheiben um sie herum abgestrahlt wird.

Von einem Punkt in der Nähe der Orbitalebene aus betrachtet, besitzt jede Akkretionsscheibe ein charakteristisches “zweihöckeriges” Erscheinungsbild. Aber wenn eines vor dem anderen vorbeizieht, verwandelt die Gravitation des Schwarzen Lochs im Vordergrund das Aussehen seines Begleiters in eine Reihe sich schnell verändernder Bögen. Diese Verzerrungen spielen sich ab, wenn das Licht von beiden Akkretionsscheiben das gekrümmte Raumzeitgefüge in der Umgebung der Schwarzen Löcher entlang läuft.

“Wir sehen zwei supermassive Schwarze Löcher – ein größeres mit 200 Millionen Sonnenmassen und einen etwa halb so massereichen, kleineren Begleiter”, sagte Jeremy Schnittman, ein Astrophysiker am Goddard Space Flight Center der NASA in Greenbelt (Maryland), der Ersteller der Visualisierung. “Dies ist der Typ Doppelsystem aus Schwarzen Löchern, bei dem wir davon ausgehen, dass beide Komponenten ihre Akkretionsscheiben über Millionen Jahre hinweg aufrechterhalten können.”

Die Akkretionsscheiben haben verschiedene Farben – Rot und Blau –, um um die Lichtquellen leichter verfolgen zu können, aber die Wahl spiegelt auch die Realität wider. Heißeres Gas gibt Licht näher am blauen Ende des Spektrums ab, und Materie, die kleinere Schwarze Löcher umkreist, erfährt stärkere gravitative Effekte, die höhere Temperaturen produzieren. Bei diesen Massen würden beide Akkretionsscheiben den Großteil ihres Lichts tatsächlich im Ultraviolettbereich emittieren, wobei die blaue Scheibe eine etwas höhere Temperatur erreichen würde.

Visualisierungen wie diese helfen Wissenschaftlern, die faszinierenden Folgen des Zerrspiegels extremer Gravitation zu zeichnen. Das neue Video stützt sich auf eine frühere Arbeit Schnittmans, die ein einzelnes Schwarzes Loch aus verschiedenen Blickwinkeln zeigt.

Fast von der Kante aus betrachtet, sehen die Akkretionsscheiben auf einer Seite deutlich heller aus. Die gravitative Verzerrung verändert die Lichtbahnen, die aus unterschiedlichen Regionen der Scheiben stammen, und produzieren das verzerrte Bild. Die schnellen Bewegungen des Gases in der Nähe von Schwarzen Löchern verändert die Leuchtkraft der Scheibe durch ein Phänomen, das als Doppler-Verstärkung bezeichnet wird. Das ist ein Effekt von Einsteins Relativitätstheorie, der die auf den Beobachter zu bewegende Seite heller und die sich von ihm wegdrehende Seite schwächer erscheinen lässt.

Die Visualisierung zeigt auch ein weniger auffälliges Phänomen, das als relativistische Aberration bezeichnet wird. Die Schwarzen Löcher erscheinen kleiner, wenn sie sich dem Beobachter nähern, und größer, wenn sie sich von ihm entfernen.

Diese Effekte verschwinden, wenn man das System von oben betrachtet, aber dafür tauchen neue Strukturen auf. Beide Schwarze Löcher produzieren kleine Abbilder ihrer Partner, die sie umkreisen. Aus der Nähe betrachtet, ist es klar, dass diese Abbilder in Wirklichkeit Ansichten ihrer Kanten darstellen. Um sie zu erschaffen, muss Licht der Schwarzen Löcher um 90 Grad abgelenkt werden, was bedeutet, dass wir die Schwarzen Löcher gleichzeitig aus zwei verschiedenen Perspektiven sehen: von oben und von der Seite.

“Ein verblüffender Aspekt dieser neuen Visualisierung ist die sich selbst ähnelnde Natur der Bilder, die durch den Gravitationslinseneffekt hervorgerufen werden”, erklärte Schnittman. “Das Hineinzoomen in jedes Schwarze Loch offenbart mehrere zunehmend verzerrte Abbilder seines Partners.”

Schnittman erstellte die Visualisierung durch Berechnung der Bahnen, die das Licht von den beiden Akkretionsscheiben durch die gekrümmte Raumzeit um die Schwarzen Löcher nimmt. Auf einem modernen Desktop-Computer hätten die Berechnungen zur Erstellung der Einzelbilder etwa ein Jahrzehnt gedauert. Deshalb setzte Schnittman sich mit dem Datenwissenschaftler Brian P. Powell vom Goddard Space Flight Center zusammen, um den Discover-Supercomputer am NASA Center for Climate Simulation zu verwenden. Mit nur zwei Prozent der 129.000 Prozessoren dieses Supercomputers dauerten die Berechnungen rund einen Tag.

Astronomen gehen davon aus, dass sie in nicht allzu ferner Zukunft in der Lage sein werden, Gravitationswellen (Verzerrungen der Raumzeit) von Systemen aus zwei supermassiven Schwarzen Löchern registrieren zu können, die dem von Schnittman visualisierten System ähneln.

Quelle

(THK)