Bewegung am kosmischen Tempolimit - Visualisierungen zur Speziellen Relativitätstheorie

a	d
b	e
c	f

Abb. 7: Blick auf Kugeln, die mit konstanter Geschwindigkeit expandieren. In Einheiten der Lichtgeschwindigkeit: a: Null, b: 50%, c: 70%, d: 90%, e: 99%, f: 99,9%. Zur Verdeutlichung tragen die Kugeln ein Muster aus 15 Grad mal 15 Grad großen Karos. Würde man statt der Kugel einen Jet beobachten, dessen Front den heller markierten Winkelbereich mit Öffnungswinkel 10 Grad einnimmt, dann wäre dieser bei Geschwindigkeiten oberhalb von 99% der Lichtgeschwindigkeit nur teilweise sichtbar.

Film: Expandierende Kugel, Wir sehen eine expandierende Kugel. Ihre Oberfläche bewegt sich anfangs fast mit Lichtgeschwindigkeit nach außen. Die Bewegung wird langsamer bis die Geschwindigkeit auf Null gesunken ist. Der Geschwindigkeitsverlauf ist an Gamma-Burst-Modelle angelehnt. Es ist
\(\gamma(r) = 100 r^{-1} \), mit \( \gamma = 1/\sqrt{1-v^2/c^2} \).
\(v\) ist die Expansionsgeschwindigkeit, \(c\) die Lichtgeschwindigkeit und \(r\) der momentane Radius der Kugel. MPEG4 320×240 (112 kB), MPEG4 640×480 (221 kB)

Film: Expandierende Kugel (Anfangsphase), Anfangsphase der Expansion. (Die Karos auf der Kugeloberfläche sind hier kleiner als im vorigen Film: 3,75 Grad x 15 Grad statt 15 Grad x 15 Grad.) MPEG4 320×240 (102 kB), MPEG4 640×480 (189 kB)

Abb. 8: Die Lichtkurve des optischen Nachleuchtens von Gamma-Burst GRB 990510 zeigt anfangs eine langsamere, nach etwa 1,3 Tagen dann eine schnellere Helligkeitsabnahme. Der Knick, der sogenannte „Jet-Break“ wird so gedeutet, dass die Strahlung von einem Jet stammt. (Daten aus [ 4])

Aus dem Alltag sind wir es gewohnt, dass wir die uns zugewandte Seite eines Objekts sehen können, solange uns nicht ein Hindernis die Sicht versperrt. Anders wenn wir fast lichtschnelle Objekte ansehen. Dass eine Seite des Objekts uns zugewandt und unverdeckt ist, heißt dann noch lange nicht, dass wir sie auch sehen. Dies illustrieren die Würfel in Abb. 5 und die folgende Computersimulation zeigt ein weiteres drastisches Beispiel.

Von einer Kugel sehen wir gewöhnlich die uns zugewandte Hälfte der Oberfläche (Abb. 7a). Wenn wir aber eine Kugel anschauen, die sich mit hoher Geschwindigkeit radial ausdehnt, dann ist von dieser Hälfte nur der innere Teil sichtbar. Er ist um so kleiner, je schneller die Kugel expandiert (Abb. 7b bis f). Photonen erreichen uns nur von dem Teil der Oberfläche, auf den wir in fast senkrechter Richtung blicken. Denn nur in dieser Richtung kann ein Photon bei fast lichtschneller Expansion entweichen.

Dieses Phänomen spielt bei der Interpretation der Lichtkurven von Gamma-Burst-Quellen eine wichtige Rolle. Man nimmt heute an, dass die täglich beobachteten Gammastrahlungsausbrüche meist (oder vielleicht sogar immer) die Entstehung eines Schwarzen Lochs anzeigen. Nach einem Gammablitz, der Sekunden bis Stunden andauert, besteht über Tage hinweg ein Nachleuchten im Röntgen- bis Radiobereich. In einem Gamma-Burst wird eine enorme Energiemenge freigesetzt. Nach dem heutigen Verständnis entsteht dabei ein sogenannter Feuerball aus fast lichtschnellen Teilchen, der expandiert, dabei das umgebende Medium auffegt und allmählich abgebremst wird. Von der Grenze zwischen dem Feuerball und dem umgebenden Gas stammt das Nachleuchten. Man nimmt an, dass der Feuerball in vielen Fällen nicht eine Kugel sondern ein kanalisierter Materieausfluss in Form eines schmalen Jets ist. Ein Indiz dafür findet sich in den Lichtkurven des Nachleuchtens in Gestalt eines Knicks, des sogenannten „Jet-Breaks“ (Abb. 8).

Der Jet-Break wird auf das Phänomen der teilweise unsichtbaren Vorderseite zurückgeführt. Wenn ein leuchtender Gasball mit hoher Geschwindigkeit expandiert, sieht man nur einen kleinen Teil von ihm, nämlich den Zentralbereich um die Sichtlinie. Wird die Bewegung nach und nach langsamer, dann sieht man allmählich einen immer größeren Teil der Strahlungsquelle. Das hat Auswirkungen auf die Lichtkurve: Einerseits nimmt die Helligkeit mit der Zeit ab, andererseits wird der sichtbare Anteil größer. Insgesamt sinkt der beobachtete Strahlungsfluss, aber er sinkt nicht so schnell, wie man aufgrund der Helligkeitsabnahme allein erwarten würde.

Falls man nun in Wirklichkeit nicht auf eine leuchtende Kugel, sondern auf die Front eines schmalen Jets blickt (heller Teil der Kugeloberfläche in Abb. 7), dann ist auch diese Front anfangs nur teilweise sichtbar und das Absinken des Strahlungsflusses ist verzögert. Die Jetfront ist aber nach einer gewissen Abbremsung schon bald vollständig zu sehen. Von diesem Zeitpunkt ab sinkt der Strahlungsfluss dann deutlich schneller als zuvor, was sich in der Lichtkurve als Knick (als „Jet-Break“) äußert.

Die unsichtbare Vorderseite