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PostPosted: 18. April 2019, 08:50:47 AM 
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Am 10. April präsentierte die Arbeitsgruppe des Event Horizont Telescope erstmals das Bild eines Schwarzen Loches. Möglich wurde die Aufnahme durch die Zusammenschaltung mehrerer Radioteleskope, so dass eine Apertur von nahezu dem Erddurchmesser erreicht wurde. Das dargestellte Bild ist eine Art Falschfarbenaufnahme, in Wirklichkeit wurde es bei 1,3 mm Wellenlänge gewonnen, das ist Mikrowellenstrahlung. Für dieses optische Fenster ist sowohl die Erdatmosphäre als auch die dichte Materie um das Zentrum vom Messier 87 einigermaßen durchlässig.

Mich hat interessiert: Kann man ein Schwarzes Loch im herkömmlichen Sinne sehen? Natürlich können wir keine 1,3 Millimeter Wellenlänge wahrnehmen, aber selbst davon abgesehen gibt es interessante Einsichten.

Ich fand eine Arbeit von Jean-Pierre Luminet [1] aus dem Jahr 1978, wo dieser das Bild eines Sterns berechnet, welcher ein Schwarzes Loch umkreist. Meine Zeichnung zeigt, was wir während des Umlaufs des Sterns um das Schwarze Loch sehen, wenn wir von der Äquatorebene darauf schauen.Die Abbildung zeigt einen ganz flachen Blickwinkel von 10° oberhalb des Äquators. Dieser Stern ist ziemlich weit vom Loch entfernt, nämlich 30 Schwarzschildradien. Zu erkennen ist: In keiner Position steht das Bild des Sterns direkt vor dem schwarzen Loch, selbst wenn der Winkel so flach ist, dass sich der Stern geometrisch davor befindet und ihn nach normalem Verständnis verdecken müsste.

Image

Den Stern sehen wir nicht frontal, also die Äquatoraufsicht, sondern zwei Polansichten gleichzeitig! Die blaue Linie zeigt die Nordhemisphäre.Während eines Umlaufs läuft der Stern auf einer Figur, die einem Schlapphut ähnelt. Die Durchlaufgeschwindigkeit dieser Kurve ist stark variabel, ich habe versucht, dies anzudeuten. Die die grüne Kurve zeigt die Süd-Hemisphäre. Auch hier ist die Durchlaufgeschwindigkeit wieder stark variabel.
Wenn der Stern hinter dem Schwarzen Loch steht, dann wird das von der Oberseite ausgehende Licht nach oben abgelenkt, was die "Kappe" des Schlapphutes erzeugt. Auf der Seite des Betrachters stehend wird das Licht der Oberseite viel weniger beeinflusst und läuft knapp unter dem Schwarzen Loch vorbei.

Die zweite Zeichnung zeigt die Situation für einen Stern, der das Schwarze Loch eng umkreist, nämlich im Abstand von 6 Schwarzschildradien). Hier verdeckt das Bild der Stern-Nordhemisphäre das Schwarze Loch zu einem Teil. So ca. 2/3 des Lochs werden aber von keinem Stern bedeckt, egal wie nah oder fern.

Image

Aus diesen beiden Zeichnungen können wir ein Bild gewinnen, welches das Abbild einer Akkretionsscheibe zeigt, wenn wir flach darauf schauen. Dies sieht ja ähnlich aus wie der Saturnring. Ich habe einmal eine Zeichnung vom Saturn herausgesucht, als die Ringe im Dezember 2008 fast in Kantenstellung waren:

Image

So in etwa sähe man die Scheibe aus einem flachen Winkel. Die folgende Zeichnung zeigt, was das Schwarze Loch daraus macht: Der hintere Bereich der Scheibe wird sozusagen hochgeklappt und wir sehen die Oberseite der Scheibe (blau).

Image

Die als homogen angenommene Scheibe hat starke Helligkeitsunterschiede, das habe ich in der Zeichnung versucht anzudeuten. Auffallend ist, dass die Scheibe der Seite heller ist, wo sie sich auf uns zubewegt. Außerdem sehen wir die völlig anders geformte Unterseite der Scheibe, obwohl unser Blickwinkel flach von oben ist.

Im Zentrum des Bildes befindet sich ein Bereich, aus dem überhaupt kein Licht kommt, er ist schwarz. Das ist nun nicht das Schwarze Loch selbst. Es ist auch nicht sein Schatten, wie das Gebilde dennoch genannt wird. Ein Schatten ist die Projektion vor einem Hintergrund. Hier haben wir die Situation, dass auch Material, die sich direkt davor befindet, kein Licht aus dieser Richtung senden kann.

Die Situation ändert sich übrigens auch nicht, wenn wir statt einer Akkretionsscheibe eine kugelförmige Gaswolke annehmen. Dies können wir und zusammengesetzt aus mehreren Scheiben denken, die unterschiedlich stark zur Sichtlinie gekippt sind. Gekippte Scheiben lassen schon in der normalen Projektion das Zentrum frei, und mit zusätzlichen relativistischen Effekten erst recht. Es bleibt dabei: Aus dem Zentrum des Bildes kann kein Licht kommen.

Das ist es, was wir sehen: Kein Bild, kein Schatten, sondern ein Bereich, aus dem in Folge der Raumkrümmung kein Licht zu uns gelangt.

Image

[1] Luminet, J.-P.: Image of a Spherical Black Hole with Thin Accretion Disk,
Astron.Astrophys. 75, 228 (1979).

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PostPosted: 18. April 2019, 09:26:52 AM 
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Hallo Uwe,

sehr gut und verständlich erklärt. Dadurch habe ich als Laie etwas mehr verstanden. Für solche Beiträge besuche ich das Forum. Das du dann auch noch Zeichnungen anfertigst ist wirklich toll!

Liebe Grüße
Manfred


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PostPosted: 18. April 2019, 21:07:14 PM 
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xkcd ist immer einen Besuch wert! Insbesodnere, wenn es um das Schwarze Loch geht.

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PostPosted: 02. May 2019, 15:07:20 PM 
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Ich habe das Thema didaktisch etwas ausführlicher aufbereitet und auf die Webseiten der Fachgruppe gestellt.

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