Relativitätstheorie relativ anschaulich

Tempolimit Lichtgeschwindigkeit

Schritt für Schritt ins Schwarze Loch

Schritt für Schritt ins Schwarze Loch

Ute Kraus, 16.12.2004, 20.3.2005

Computersimulierte Bilder zeigen den Nachthimmel aus der Sicht eines Betrachters, der sich in der Nähe eines Schwarzen Lochs aufhält.

 

Das Raumschiff Yonjuni mit seiner Besatzung aus Spezialrobotern zur Erkundung des Alls ist unterwegs zum Zentrum der Milchstraße. Neben vielen anderen Messdaten funkt es auch die Bilder von drei Kameras zur Erde: Kamera 1 blickt in Flugrichtung, Kamera 2 zur Seite (in Flugrichtung rechts) und Kamera 3 nach hinten.

Nach vielen Jahren Flugzeit ist die Erde schon längst nicht mehr sichtbar und die Sonne ist nur noch ein Stern unter vielen. Der Blick nach draußen zeigt die Milchstraße als Band aus Sternen, leuchtendem Gas und dunklen Staubwolken.

Panorama Milchstraße Panorama Milchstraße Panorama Milchstraße

Die Kameras sind auf Weitwinkelaufnahmen eingestellt: Mit 90 Grad Öffnungswinkel in der Waagrechten ergänzen sich ihre Bilder zu einem Panoramablick, der von der Flugrichtung über die rechte Seite bis zum Blick zurück reicht.

Da gibt der zentrale Bordcomputer eine Warnung heraus. Das Raumschiff erfährt von außen eine Beschleunigung, so als wäre ein Planet oder ein Stern in der Nähe; auf den Kamerabildern ist aber kein naher Himmelskörper zu sehen.

Die automatische Steuerung klassifiziert das Ereignis als "wissenschaftlich interessant", "rechtfertigt Kursänderung", "vermutlich harmlos" und richtet den Kurs des Raumschiffes darauf aus.

Kamera 1 wird vorübergehend auf Zoom gestellt (10 Grad Öffnungswinkel in der Waagrechten) und entdeckt einige Zeit später im Sternbild Schwan eine kleine ringförmige, verwaschene Struktur. Die wissenschaftliche Software hat sie zu diesem Zeitpunkt bereits identifiziert: Es handelt sich um ein Schwarzes Loch von 10 Sonnenmassen, dem sich das Raumschiff inzwischen bis auf 1,2 Millionen Kilometer genähert hat.

Diese Gelegenheit, die Gravitation in unmittelbarer Nähe eines Schwarzen Lochs experimentell zu untersuchen, ist einmalig. Mit der hundertfachen Erdbeschleunigung halten die Photonentriebwerke den Abstand zum Schwarzen Loch konstant, während die Kreiselexperimente angeworfen werden, die den Drehimpuls des Schwarzen Lochs bestimmen sollen. Bei den leichtgebauten beweglichen Servicerobotern treten leichte Deformationen und erste Fälle von Materialermüdung auf. Der Energieverbrauch ist enorm; das Raumschiff darf hier nur eine kurze Zeit verweilen, um den Erfolg der Mission nicht zu gefährden.

Schwarzes Loch, Zoom

Ein kosmisches Teilchen durchquert den EDV-Bereich des Raumschiffs und setzt das Bit "Treibstoff reicht für den Rest der Mission" permanent auf wahr.

Der Bordcomputer leitet die weitere Annäherung an das Schwarze Loch ein.

Die Kameras sind wieder auf Weitwinkel eingestellt (90 Grad Öffnungswinkel in der Waagrechten). Bei einer Beschleunigung von 15 Millionen g stabilisiert sich das Raumschiff in 3000 km Höhe; die Roboter sind inzwischen Metallschrott. Die ringförmige Struktur ist jetzt deutlich sichtbar. Sie kommt dadurch zustande, dass Lichtstrahlen in der Nähe des Schwarzen Lochs abgelenkt werden.
[Abstecher: Wie Licht an einem Schwarzen Loch abgelenkt wird.]
Die Gas- und Staubwolken, die weit hinter dem Schwarzen Loch liegen, erscheinen bogenförmig verzerrt. Im Zentrum der Struktur wird der Zentralbereich des Schwarzen Lochs als kleine, vollkommen schwarze Scheibe sichtbar:

Schwarzes Loch, Entfernung 3000 km Schwarzes Loch, Entfernung 3000 km Schwarzes Loch, Entfernung 3000 km
Beim nächsten Stop in 600 km Entfernung (400 Millionen g verhindern den Sturz in das Schwarze Loch) erkennt man deutlich Doppelbilder; innerhalb des Kreises ist die gesamte Milchstraße ein zweites Mal zu sehen:
[Abstecher: Wie durch Lichtablenkung Mehrfachbilder entstehen.]
Schwarzes Loch, Entfernung 600 km Schwarzes Loch, Entfernung 600 km Schwarzes Loch, Entfernung 600 km
In 150 Kilometern Entfernung (9 Milliarden g) nimmt der schwarze Zentralbereich bereits einen erheblichen Teil des Blickfelds ein:
Schwarzes Loch, Entfernung 150 km Schwarzes Loch, Entfernung 150 km Schwarzes Loch, Entfernung 150 km
90 km oberhalb des Ereignishorizonts (30 Milliarden g) füllt er sogar das gesamte Blickfeld von Kamera 1:
Schwarzes Loch, Entfernung 90 km Schwarzes Loch, Entfernung 90 km Schwarzes Loch, Entfernung 90 km
Der sogenannte Photonenradius ist erreicht: Das Schwarze Loch nimmt genau die halbe Himmelskugel ein. Höhe: 45 km, Beschleunigung 100 Milliarden g.
Schwarzes Loch, Entfernung 45 km Schwarzes Loch, Entfernung 45 km Schwarzes Loch, Entfernung 45 km
In 30 km Höhe (bei 200 Milliarden g) überdeckt das Schwarze Loch mehr als die Hälfte der Himmelskugel:
[Abstecher: Warum man ein Schwarzes Loch um sich herum sieht, wenn man knapp davor sitzt.]
Schwarzes Loch, Entfernung 30 km Schwarzes Loch, Entfernung 30 km Schwarzes Loch, Entfernung 30 km
In 13 km Höhe: das Raumschiff hält sich mit 650 Milliarden g in einer festen Position. Nur beim Blick zurück ist der Sternenhimmel noch zu sehen; nach vorne und zur Seite herrscht Dunkelheit:
Schwarzes Loch, Entfernung 13 km Schwarzes Loch, Entfernung 13 km Schwarzes Loch, Entfernung 13 km
Mit 2 Billionen g hält das Raumschiff für einen kurzen Augenblick 4 km Abstand zum Ereignishorizont. Der Blick zurück zeigt in einem kleinen Ausschnitt des Sichtfelds den gesamten Himmel; von jedem Stern sind mehrfache Bilder zu sehen:
Schwarzes Loch, Entfernung 4 km Schwarzes Loch, Entfernung 4 km Schwarzes Loch, Entfernung 4 km

Bordcomputer an Tanegeshima Space Center: ENDE DER MISSION

ANMERKUNG 1:

Wenn Sterne von einer stationären Position in der Nähe eines Schwarzen Lochs aus beobachtet werden, dann erscheint ihre Strahlung zu kürzeren Wellenlängen verschoben und in der Intensität verstärkt: sie sehen blauer und heller aus als gewohnt. Gleichzeitig ändert sich der Anblick der Milchstraße: Strahlung, die nah am Schwarzen Loch im Sichtbaren beobachtet wird, wurde in großer Entfernung im Infraroten emittiert. Von den Gas- und Staubwolken, die im Optischen so auffällig sind, ist dann nichts mehr zu sehen. Sie sind im Infraroten durchsichtig. Stattdessen erblicken wir Sterne, die bisher von den Wolken verdeckt waren. Diese Effekte sind in den obigen Bildern bisher nicht berücksichtigt - die Erweiterung ist geplant.

ANMERKUNG 2:

Oben ist von gigantischen Beschleunigungen die Rede: Ein Antrieb, der sie erzeugen könnte, ist genauso utopisch wie ein Raumschiff, das sie aushalten würde. Dieselben optischen Effekte kann man aber auch bei viel kleineren Beschleunigungen beobachten. Dazu muss nur das Schwarze Loch eine genügend große Masse haben. Um z.B. mit 1 g beim 1,005fachen Schwarzschild-Radius zu verharren (das entspricht oben der letzten Station), braucht man ein Schwarzes Loch mit 20 Billionen Sonnenmassen.

ANMERKUNG 3:

Klicken Sie auf ein Bild um es in größerer Auflösung zu sehen (640 x 512, 20 bis 90 kB).

Technische Details

Dieses Werk darf unter Verweis auf die Autorin und die beteiligten Institute

Ute Kraus
Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik, Golm, und
Theoretische Astrophysik, Universität Tübingen
http://www.tempolimit-lichtgeschwindigkeit.de

für nicht-kommerzielle Zwecke verwendet werden.

Die Bilder benutzen Axel Mellingers All-Sky Milky-Way Panorama, siehe http://home.arcor-online.de/axel.mellinger/allsky.htmlexterner Link


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AutorInnen: Ute Kraus, Datum: 16.12.2004, 20.3.2005
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