Künstlerische Darstellung von Photonen, die um ein Schwarzes Loch kreisen. (Nicolle R. Fuller/NSF) Ein neuer Satz von Gleichungen kann die Reflexionen des Universums, die im verzerrten Licht um a erscheinen, präzise beschreiben schwarzes Loch .
Die Nähe jeder Reflexion hängt vom Beobachtungswinkel in Bezug auf das Schwarze Loch und von der Spinrate des Schwarzen Lochs ab, so eine mathematische Lösung, die der Physikstudent Albert Sneppen vom Niels-Bohr-Institut in Dänemark ausgearbeitet hat.
Das ist wirklich cool, absolut, aber das ist es nicht Nur wirklich cool. Es gibt uns möglicherweise auch ein neues Werkzeug zur Untersuchung der Gravitationsumgebung um diese extremen Objekte.
„Es ist etwas fantastisch Schönes, jetzt zu verstehen, warum sich die Bilder auf so elegante Weise wiederholen.“ sagte Sneppen . „Darüber hinaus bietet es neue Möglichkeiten, unser Verständnis der Schwerkraft zu testen.“ Schwarze Löcher .'
Wenn es etwas gibt, wofür Schwarze Löcher berühmt sind, dann ist es ihre extreme Schwerkraft. Konkret, dass ab einem bestimmten Radius die schnellste erreichbare Geschwindigkeit im Universum, die des Lichts im Vakuum, nicht ausreicht, um eine Fluchtgeschwindigkeit zu erreichen.
Dieser Punkt, an dem es kein Zurück mehr gibt, ist der Ereignishorizont – definiert durch das, was man das nennt Schwarszchild-Radius – und das ist der Grund, warum wir sagen, dass nicht einmal Licht der Schwerkraft eines Schwarzen Lochs entkommen kann.
Knapp außerhalb des Ereignishorizonts des Schwarzen Lochs liegt jedoch auch die Umgebung Ernsthaft verrückt . Das Gravitationsfeld ist so stark, dass die Krümmung der Raumzeit nahezu kreisförmig ist.
Alle in diesen Raum eindringenden Photonen müssen natürlich dieser Krümmung folgen. Das bedeutet, dass der Weg des Lichts aus unserer Sicht verzerrt und gebogen erscheint.
Am äußersten inneren Rand dieses Raums, direkt außerhalb des Ereignishorizonts, können wir einen sogenannten Photonenring sehen, in dem Photonen das Schwarze Loch mehrmals umkreisen, bevor sie entweder auf das Schwarze Loch fallen oder in den Weltraum entweichen.
Das bedeutet, dass das Licht entfernter Objekte hinter dem Schwarzen Loch mehrfach vergrößert, verzerrt und „reflektiert“ werden kann. Wir bezeichnen dies als Gravitationslinse; Der Effekt lässt sich auch in anderen Zusammenhängen beobachten und ist u. a nützliches Werkzeug zur Erforschung des Universums .
Wir wissen also schon seit einiger Zeit um den Effekt, und Wissenschaftler haben herausgefunden, dass man umso mehr Reflexionen von entfernten Objekten sieht, je näher man dem Schwarzen Loch kommt.
Um von einem Bild zum nächsten zu gelangen, musste man etwa 500-mal näher an den optischen Rand des Schwarzen Lochs oder die Exponentialfunktion von zwei Pi ( Es ist 14 Uhr ), aber warum das so war, war mathematisch schwer zu beschreiben.
Sneppens Ansatz bestand darin, die Lichtbahn neu zu formulieren und ihre lineare Stabilität zu quantifizieren Differentialgleichungen zweiter Ordnung . Er fand heraus, dass seine Lösung nicht nur mathematisch beschrieb, warum sich die Bilder in Abständen von 100 m wiederholen Es ist 14 Uhr , aber dass es für ein rotierendes Schwarzes Loch funktionieren könnte – und dass dieser Wiederholungsabstand vom Spin abhängt.
„Es stellt sich heraus, dass man, wenn es richtig schnell rotiert, nicht mehr um den Faktor 500 an das Schwarze Loch herankommen muss, sondern deutlich weniger“, sagte Sneppen . „Tatsächlich ist jedes Bild jetzt nur noch 50 oder fünf oder sogar nur noch zwei Mal näher am Rand des Schwarzen Lochs.“
In der Praxis wird es zumindest in absehbarer Zeit schwierig sein, dies zu beobachten – schauen Sie sich nur an, wie viel Arbeit in die ungelöste Bildgebung des Bildes geflossen ist Lichtring um das supermassereiche Schwarze Loch Pōwehi (M87*) ).
Theoretisch müsste es jedoch unendlich viele Lichtringe um ein Schwarzes Loch geben. Da wir bereits einmal den Schatten eines supermassiven Schwarzen Lochs abgebildet haben, ist es hoffentlich nur eine Frage der Zeit, bis wir bessere Bilder erhalten, und die gibt es bereits Pläne zur Abbildung eines Photonenrings .
Eines Tages könnten die unendlichen Bilder in der Nähe eines Schwarzen Lochs ein Werkzeug sein, um nicht nur die Physik der Raumzeit eines Schwarzen Lochs zu untersuchen, sondern auch die Objekte dahinter – die sich in unendlichen Reflexionen in der Umlaufbahn für immer wiederholen.
Die Forschung wurde veröffentlicht in Wissenschaftliche Berichte .