Seit wir wissen, dass es sie gibt, fragen sich die Menschen, wie es wäre, in ein Schwarzes Loch zu stürzen.
Schwarze Löcher, die Himmelsobjekte, die so massereich sind, dass sie Licht einfangen und alles, was hineinfällt, in „Spaghettiform“ verwandeln können, haben auch unsere kollektive Vorstellungskraft beflügelt. Astronomen fanden 1964 Anzeichen des ersten bekannten Schwarzlochsystems, Cygnus X-1, in der Milchstraße.
Aber es hat sich als mühsam erwiesen, ein anständiges Foto davon zu machen. Längere Aufmerksamkeit brachte 2019 schließlich das erste Bild eines Schwarzen Lochs hervor – einen „flockigen orangefarbenen Donut“ mit der Bezeichnung M87.
Doch die ganze Zeit über haben Astrophysiker hart hinter Computern gearbeitet und Tausende von codierten mathematischen Gleichungen berechnet, um die Form und das Verhalten von Schwarzen Löchern zu simulieren. Tatsächlich stellen Simulationen seit den 1970er Jahren den neuesten Stand der Technik dar.
Vergleichen Sie die undeutlichen orangefarbenen Donuts mit dem Detail im Bild unten, das 1979 vom französischen Astrophysiker Jean-Pierre Luminet auf einem IBM 7040-Computer erstellt wurde.
Unter Verwendung numerischer Daten vom Computer zeichnete Luminet mit schwarzer Tusche direkt auf Negativbildpapier und platzierte Punkte dichter dort, wo die Simulation mehr Licht zeigte. Foto: ResearchGate
Beste Simulation bisher
Spulen wir vor ins Jahr 2024, wo sich Jeremy Schnittman, Astrophysiker am Goddard Space Flight Center der NASA, auf die Erstellung dieser fortschrittlichen Simulationen spezialisiert hat. Es fällt uns schwer zu wissen, was im Inneren von Schwarzen Löchern passiert, aber Schnittmans zwei neueste Videos bringen den Stand der Technik voran.
Darin stürzt sich eine simulierte Kamera in ultrahoher Auflösung auf die mysteriöse Singularität im Zentrum eines Schwarzen Lochs.
„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 Schnittman gegenüber ExplorersWeb.
Es ist das erste Projekt, das zeigt, dass das simulierte Schwarze Loch Sagittarius A ähnelt, dem supermassereichen Objekt im Zentrum der Milchstraße. (Im Jahr 2022 veröffentlichten Forscher orangefarbene Donut-Fotos davon und nutzten Einsteins Relativitätstheorie, um zu modellieren, wie es bei höherer Auflösung aussehen könnte.)
Die simulierten Erweiterungen in Schnittmans Videos sind gewaltig. „Sgr A*“ wiegt so viel wie 4,3 Millionen Sonnen und hat eine Breite von 23,5 Millionen Kilometern. Doch es dauert nur wenige simulierte Sekunden, bis die Kamera aus einer Entfernung von 640 Millionen Kilometern das Objekt erreicht und dann am Ereignishorizont vorbei in seine unausweichlichen Tiefen schwankt.
Schnittman gab zu, dass die Simulation nicht versucht, die Realität perfekt abzubilden. Erstens hat Sgr A* eine undeutliche Akkretionswolke und nicht die messerscharfe Scheibe im Video. Und der Hintergrund ist der Himmel, wie er von der Erde aus gesehen wird, und nicht von einem Schwarzen Loch aus – denn, nun ja, wir haben den Himmel noch nie aus der Nähe eines Schwarzen Lochs fotografiert.
Ein Supercomputer mit 127.232 Kernen
Unabhängig davon war der Aufwand intensiv genug. Mit 8K und 60 Bildern pro Sekunde gerendert, hätte die Erstellung der zehn Terabyte Videomaterial auf einem herkömmlichen Laptop ein Jahrzehnt gedauert. Anstatt in der Dunkelheit zu schuften, tat sich Schnittman mit seinem Kollegen Brian Powell aus Goddard zusammen, um den Discover-Supercomputer im NASA Center for Climate Simulation zu nutzen.
Der Discover-Supercomputing-Cluster mit 127.232 Kernen kann 8.100 Billionen Operationen pro Sekunde ausführen. Foto: Creative Commons
„Mit den erforderlichen Berechnungen dauert es zwischen einigen Minuten und einigen Stunden, ein Einzelbild eines solchen Videos zu erstellen“, erklärte Schnittman. „Multiplizieren Sie das also mit dem 10.000-fachen, und Sie benötigen einen Supercomputer: Prozessoren, die parallel laufen.
Der Drang, in ein Schwarzes Loch einzudringen, ähnelt unserer Faszination für seine kraftvollen, unheimlichen Konnotationen. Ja, im Inneren herrscht so viel Schwerkraft, dass nicht einmal Licht entkommen kann. Nein, wir wissen immer noch nicht, was an der Singularität passiert, wo die Gesetze der Physik gebrochen werden und die Mathematik nicht mehr funktioniert.
Spaghettifizierung
Aber wir wissen, dass Sie auf dem Weg „Spaghetti“ bekommen würden – im Grunde ist der Unterschied zwischen der Schwerkraft, die an Ihren Füßen und Ihrem Kopf zieht, so enorm, dass Ihr Körper sich zu einer überlangen, dünnen Nudel ausdehnen würde.
Es ist jedoch immer noch möglich, der Spaghettiifizierung zu entgehen, solange man nicht nahe genug kommt, um den Ereignishorizont zu berühren. Diese Region innerhalb eines umlaufenden Lichtkreises namens Photonenring macht keine Gefangenen. Wenn es möglich wäre, länger als ein paar Sekunden darin zu leben, könnte man Objekte dahinter wahrnehmen, aber es könnte überhaupt nichts herauskommen.
Die Simulationen der NASA zeigen beide Schicksale – einen Fall, in dem sie vom Schwarzen Loch verschluckt werden, und einen, in dem sie knapp entkommen. Im Todesszenario passiert die simulierte Kamera den Photonenring und nähert sich dem Ereignishorizont. Das Zeitempfinden an Bord beschleunigt sich mit zunehmender Schwerkraft. Sobald die Kamera den Ereignishorizont erreicht, erlebt sie die Zeit außerhalb des Schwarzen Lochs als unendlich.
„Die Kamera ist zerstört. Mikrosekunden später erreicht es die Singularität.“
Das spiegelt eine von Schnittmans beruflichen Fantasien wider – wenn auch nicht seine erste Wahl.
Ein cooler Weg
“Ist [spaghettification] der letzte Ruhm für einen Astrophysiker? Das wäre ein cooler Weg. Ich denke, ich werde mich immer noch für den Weg entscheiden, im Bett zu liegen und von den Liebsten umgeben zu sein“, scherzte Schnittman.
Schnittman ist Teil eines NASA-Projektteams, das die Aufgabe hat, ein Weltraumteleskop zu entwickeln, das die ersten Bilder eines Schwarzen Lochs aus dem Weltraum aufnehmen könnte. Es befindet sich Zehntausende Kilometer von der Erde entfernt und würde hochauflösende Bilder von orangefarbenen Donuts zurücksenden.
„Dadurch werden alle diese Bilder viel schärfer – etwa zehnmal schärfer“, sagte Schnittman. „Das Lustige daran ist, dass wir nicht versuchen, zurückzugehen und den Donut zu verstehen, da die Simulationen lange vor der Bekanntheit des orangefarbenen Donuts existierten. Stattdessen war der Donut für uns aufregend, weil wir ihn sahen und dachten: „A-ha!“ Schauen Sie, wir hatten doch recht.“
Das von ihm beschriebene Projekt ist noch ein halbes Jahrzehnt und Hunderte Millionen Dollar von der Umsetzung entfernt. Vorerst sollten sich Schwarze-Loch-Beobachter weiterhin auf einen Ort im bekannten Universum konzentrieren – YouTube.
