Haben Sie sich jemals gefragt, was passiert, wenn Sie in ein Schwarzes Loch fallen? Dank einer neuen, immersiven Visualisierung, die auf einem NASA-Supercomputer erstellt wurde, können Zuschauer nun in den Ereignishorizont eintauchen, den Punkt, an dem es kein Zurück mehr für ein Schwarzes Loch gibt.
„Die Leute fragen oft danach, und die Simulation dieser schwer vorstellbaren Prozesse hilft mir, die Mathematik der Relativitätstheorie mit tatsächlichen Konsequenzen im realen Universum zu verbinden“, sagte Jeremy Schnittman, Astrophysiker am Goddard Space Flight Center der NASA in Greenbelt, Maryland erstellte die Visualisierungen. „Also habe ich zwei verschiedene Szenarien simuliert: eines, in dem eine Kamera – ein Ersatz für einen mutigen Astronauten – den Ereignishorizont knapp verfehlt und wieder herausschießt, und eines, in dem sie die Grenze überschreitet und ihr Schicksal besiegelt.“
Die Visualisierungen sind in mehreren Formen verfügbar. Erklärvideos dienen als Reiseführer und beleuchten die bizarren Auswirkungen von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie. Versionen, die als 360-Grad-Videos gerendert sind, ermöglichen es den Zuschauern, sich während der Reise rundum umzusehen, während andere als flache Karten des gesamten Himmels abgespielt werden.
Um die Visualisierungen zu erstellen, arbeitete Schnittman mit seinem Goddard-Wissenschaftler Brian Powell zusammen und nutzte den Discover-Supercomputer am NASA Center for Climate Simulation. Das Projekt erzeugte etwa 10 Terabyte an Daten – das entspricht etwa der Hälfte des geschätzten Textinhalts in der Library of Congress – und dauerte auf nur 0,3 % der 129.000 Prozessoren von Discover etwa fünf Tage. Die gleiche Leistung würde auf einem typischen Laptop mehr als ein Jahrzehnt dauern.
Das Ziel ist ein supermassereiches Schwarzes Loch mit der 4,3-Millionen-fachen Masse unserer Sonne, was dem Monster im Zentrum unserer Milchstraße entspricht.
In dieser Visualisierung eines Fluges zu einem supermassiven Schwarzen Loch heben Beschriftungen viele der faszinierenden Merkmale hervor, die durch die Auswirkungen der Allgemeinen Relativitätstheorie auf dem Weg entstehen. Die auf einem Supercomputer der NASA erstellte Simulation verfolgt eine Kamera, während sie sich dem Ereignishorizont – dem Punkt ohne Wiederkehr – eines riesigen Schwarzen Lochs nähert, das dem im Zentrum unserer Galaxie ähnelt, ihn kurz umkreist und dann überquert. Bildnachweis: Goddard Space Flight Center der NASA/J. Schnittman und B. Powell
„Wenn man die Wahl hat, möchte man in ein supermassereiches Schwarzes Loch fallen“, erklärte Schnittman. „Schwarze Löcher mit stellarer Masse, die bis zu etwa 30 Sonnenmassen enthalten, besitzen viel kleinere Ereignishorizonte und stärkere Gezeitenkräfte, die herannahende Objekte auseinanderreißen können, bevor sie den Horizont erreichen.“
Dies liegt daran, dass die Anziehungskraft am Ende eines Objekts, das näher am Schwarzen Loch liegt, viel stärker ist als am anderen Ende. Einfallende Objekte dehnen sich wie Nudeln aus, ein Vorgang, den Astrophysiker als Spaghettiifizierung bezeichnen.
Der Ereignishorizont des simulierten Schwarzen Lochs erstreckt sich über etwa 16 Millionen Meilen (25 Millionen Kilometer) oder etwa 17 % der Entfernung von der Erde zur Sonne. Eine flache, wirbelnde Wolke aus heißem, glühendem Gas, Akkretionsscheibe genannt, umgibt es und dient während des Falls als visuelle Referenz. Dies gilt auch für leuchtende Strukturen, sogenannte Photonenringe, die sich durch Licht, das es einmal oder mehrmals umkreist hat, näher am Schwarzen Loch bilden. Ein Hintergrund des von der Erde aus gesehenen Sternenhimmels rundet die Szene ab.
Während sich die Kamera dem Schwarzen Loch nähert und dabei Geschwindigkeiten erreicht, die immer näher an der des Lichts selbst liegen, wird das Leuchten der Akkretionsscheibe und der Hintergrundsterne auf die gleiche Weise verstärkt, wie das Geräusch eines entgegenkommenden Rennwagens an Tonhöhe zunimmt. Ihr Licht erscheint in Fahrtrichtung gesehen heller und weißer.
Die Filme beginnen damit, dass sich die Kamera fast 640 Millionen Kilometer entfernt befindet und das Schwarze Loch schnell das Bild ausfüllt. Unterwegs werden die Scheibe des Schwarzen Lochs, die Photonenringe und der Nachthimmel zunehmend verzerrt – und es entstehen sogar mehrere Bilder, während ihr Licht die zunehmend verzerrte Raumzeit durchquert.
Besichtigen Sie eine alternative Visualisierung, die eine Kamera verfolgt, während sie sich einem supermassereichen Schwarzen Loch nähert, darauf fällt, es kurz umkreist und ihm entkommt. Diese immersive 360-Grad-Version ermöglicht es den Zuschauern, sich während des Fluges umzusehen. Bildnachweis: Goddard Space Flight Center der NASA/J. Schnittman und B. Powell
In Echtzeit dauert es etwa drei Stunden, bis die Kamera den Ereignishorizont erreicht, wobei sie auf dem Weg fast zwei vollständige 30-minütige Umlaufbahnen durchführt. Aber für jeden, der es aus der Ferne beobachtet, würde es niemals ganz dort ankommen. Wenn die Raumzeit näher am Horizont immer stärker verzerrt wird, verlangsamt sich das Bild der Kamera und scheint dann knapp davor einzufrieren. Aus diesem Grund bezeichneten Astronomen Schwarze Löcher ursprünglich als „gefrorene Sterne“.
Am Ereignishorizont fließt sogar die Raumzeit selbst mit Lichtgeschwindigkeit, der kosmischen Geschwindigkeitsgrenze, nach innen. Sobald es drin ist, rasen sowohl die Kamera als auch die Raumzeit, in der es sich bewegt, auf das Zentrum des Schwarzen Lochs zu – einen eindimensionalen Punkt namens Singularität, an dem die Gesetze der Physik, wie wir sie kennen, nicht mehr gelten.
„Sobald die Kamera den Horizont überquert, ist ihre Zerstörung durch Spaghettibildung nur noch 12,8 Sekunden entfernt“, sagte Schnittman. Von dort sind es nur noch 128.000 Kilometer bis zur Singularität. Diese letzte Etappe der Reise ist im Handumdrehen vorbei.
Im Alternativszenario kreist die Kamera nahe am Ereignishorizont, überquert diesen aber nie und flüchtet in Sicherheit. Wenn eine Astronautin auf dieser sechsstündigen Hin- und Rückfahrt ein Raumschiff fliegen würde, während ihre Kollegen auf einem Mutterschiff weit vom Schwarzen Loch entfernt blieben, würde sie 36 Minuten jünger als ihre Kollegen zurückkommen. Das liegt daran, dass die Zeit in der Nähe einer starken Gravitationsquelle und bei einer Bewegung nahe der Lichtgeschwindigkeit langsamer vergeht.
„Diese Situation kann sogar noch extremer sein“, bemerkte Schnittman. „Wenn das Schwarze Loch schnell rotieren würde, wie es im Film ‚Interstellar‘ aus dem Jahr 2014 gezeigt wurde, würde es viele Jahre jünger als seine Schiffskameraden zurückkommen.“