Ein Schwarzes Loch aus der Nähe: ein interaktives Modell

Licht, das nahe an einem Schwarzen Loch vorbeifliegt, wird von dessen Schwerkraft abgelenkt. Für jeden Punkt des Bildschirms verfolgt dieses Modell einen Lichtstrahl von deinem Auge aus rückwärts, am Schwarzen Loch vorbei, und findet heraus, wo er begann: auf einer dünnen Scheibe aus heißem Gas, die das Schwarze Loch umkreist, auf einem Stern weit dahinter oder nirgends – wenn der Strahl hineinfällt.

Was du siehst

• Der Schatten – die dunkle Mitte, in der Strahlen im Inneren des Schwarzen Lochs enden. Er ist 2,6-mal so breit wie der Ereignishorizont, die Grenze, aus der nichts entkommt.
• Die Rückseite der Scheibe, oben und unten – Licht von dem Teil der Scheibe hinter dem Schwarzen Loch wird um es herumgebogen. Oben darüber siehst du die Oberseite der Rückseite, unten darunter ihre Unterseite.
• Der Photonenring – der dünne helle Ring am Rand des Schattens: Licht, das ein Mal oder öfter um das Schwarze Loch herumlief, bevor es dich erreichte.
• Eine Seite heller – nahe ihrem inneren Rand bewegt sich das Gas mit halber Lichtgeschwindigkeit. Auf der Seite, die sich auf dich zubewegt, ist sein Licht heller und blauer; auf der Seite, die sich entfernt, schwächer und röter (Doppler-Effekt).
• Eine schwächere, rötere Mitte – Licht, das aus der Schwerkraft des Schwarzen Lochs emporsteigt, verliert Energie (gravitative Rotverschiebung).
• Der innere Rand – Gas kann nicht näher als das Dreifache des Horizontradius kreisen. Weiter innen fällt es binnen einer Umdrehung hinein und gibt fast kein Licht ab.

Wie es berechnet wird

Jeder Strahl folgt dem exakten Weg des Lichts um ein Schwarzes Loch, das nicht rotiert, nach Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie (Schwarzschild-Lösung). Die Scheibe ist eine dünne Scheibe, wie Novikov und Thorne sie beschrieben haben: Ihre Temperatur in jedem Abstand vom Zentrum folgt aus ihrer Formel, am heißesten bei etwa 4,8 Horizontradien. Die Farbe jedes Punktes ist das Leuchten von Gas bei dieser Temperatur, verschoben durch den Doppler-Effekt und durch die Schwerkraft. Jeder Gasring kreist mit seiner eigenen Bahngeschwindigkeit; die Uhr zeigt die Zeit eines weit entfernten Beobachters, und das Licht aus verschiedenen Teilen der Scheibe braucht unterschiedlich lange, bis es dich erreicht.

Ein Schwarzes Loch sieht bei jeder Masse gleich aus: Ein schwereres ist nur größer und langsamer. Deshalb liefern Sagittarius A* und M87* dasselbe Bild – vergleiche die Größen und Zeiten in ihren Karten.

Was vereinfacht ist

• Das Schwarze Loch rotiert nicht. Wie schnell Sagittarius A* und M87* rotieren, ist nicht genau gemessen; ein rotierendes Schwarzes Loch hätte einen leicht abgeflachten Schatten und eine Scheibe, die näher heranreicht.
• Die Temperatur haben wir gewählt: etwa 5.000 K am heißesten Punkt, etwas kühler als die Oberfläche der Sonne, damit die Scheibe im sichtbaren Licht leuchtet – weiß und gelb dort, wo sie am heißesten ist, orange und rot dort, wo sie kühler ist.
• Die echten Sagittarius A* und M87* haben keine so helle Scheibe wie diese. Sie nehmen wenig Gas auf, und was das Event Horizon Telescope abbildete, ist Radiolicht von dünnem, heißem Gas um sie herum; der helle Ring auf diesen Bildern entsteht durch dieselbe Lichtablenkung. Scheiben wie diese leuchten um Schwarze Löcher, die schnell Materie aufnehmen, etwa Quasare – und sie sind heißer.
• Die Streifen auf der Scheibe sind erfunden, damit du das Gas sich bewegen siehst; jeder Gasring dreht sich mit seiner wahren Geschwindigkeit. Die Scheibe wird bis 14 Horizontradien gezeigt; weiter außen ginge sie weiter, kühler und schwächer.
• Auch die Sterne dahinter sind erfunden, aber ihr Licht wird auf dieselbe Weise abgelenkt.

Quellen

• Sagittarius A*: Masse 4,30 Millionen Sonnen und Entfernung 8.277 Parsec (27.000 Lichtjahre) – GRAVITY Collaboration, „Mass distribution in the Galactic Center based on interferometric astrometry of multiple stellar orbits“, A&A 657, L12 (2022). Ring 51,8 ± 2,3 Mikrobogensekunden – Event Horizon Telescope Collaboration, ApJL 930, L12 (2022).
• M87*: Masse 6,5 ± 0,7 Milliarden Sonnen, Entfernung 16,8 Megaparsec (55 Millionen Lichtjahre), Ring 42 ± 3 Mikrobogensekunden – Event Horizon Telescope Collaboration, „First M87 Event Horizon Telescope Results. I. The Shadow of the Supermassive Black Hole“, ApJL 875, L1 (2019).
• Die Scheibe: I. D. Novikov & K. S. Thorne in Black Holes (Les Houches, 1973); D. N. Page & K. S. Thorne, „Disk-Accretion onto a Black Hole. I. Time-Averaged Structure of Accretion Disk“, ApJ 191, 499 (1974).
• Farben leuchtenden Gases: CIE-1931-Farbanpassungsfunktionen, angenähert von C. Wyman, P.-P. Sloan & P. Shirley, JCGT 2(2), 1 (2013).