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Neue Simulation bietet atemberaubende Bilder der Verschmelzung von Schwarzen Löchern

Ein Schwarzes Loch ist ein außergewöhnlich massiver, unwahrscheinlich dichter Raum-Zeit-Knoten, der seinen Lebensunterhalt damit verdient, jeden Energiebrocken zu schlucken oder wegzuschleudern, der zu nahe an seinen dunklen, verdrehten Kern gerät. Jeder, der das Glück (oder das Unglück) hat, eines dieser Tiere in freier Wildbahn direkt zu beobachten, würde sofort bemerken, wie sein kolossales Gravitationsfeld das gesamte Licht der dahinter liegenden Sterne und Galaxien verzerrt, ein Phänomen, das als Gravitationslinseneffekt bekannt ist.

Dank der Leistungsfähigkeit von Supercomputern muss sich ein neugieriger Beobachter nicht mehr in den Weltraum begeben, um einen solchen Anblick zu sehen. Ein Team von Astronomen hat seine ersten simulierten Bilder der Linseneffekte nicht nur eines, sondernzweiSchwarze Löcher, die durch die Schwerkraft des anderen in der Umlaufbahn gefangen und letztendlich dazu verdammt sind, zu einem zu verschmelzen.

Astronomen sind seit den 1970er Jahren in der Lage, die Gravitationseffekte eines einzelnen Schwarzen Lochs zu modellieren, aber die imposante Mathematik der Allgemeinen Relativitätstheorie machte dies für ein doppeltes Schwarzes Loch-System zu einer viel größeren Herausforderung. In den letzten zehn Jahren haben Wissenschaftler jedoch die Genauigkeit von Computermodellen verbessert, die diese Art von Berechnungen verarbeiten, um die Beobachtungen von Gravitationswellendetektoren wie LIGO und JUNGFRAU .

Die Forschungszusammenarbeit Simulation extremer Raumzeiten (SXS) hat damit begonnen, diese Modelle zu verwenden, um die Linseneffekte von Systemen mit hoher Schwerkraft nachzuahmen, an denen Objekte wie Neutronensterne und Schwarze Löcher beteiligt sind. In ihrer neuesten Veröffentlichung stellt sich das Team eine Kamera vor, die auf ein binäres Schwarzes Lochsystem vor dem Hintergrund der Sterne und des Staubs der Milchstraße gerichtet ist. Eine Möglichkeit, um herauszufinden, was die Kamera in dieser Situation sehen würde, besteht darin, mithilfe der allgemeinen Relativitätstheorie den Weg jedes Photons zu berechnen, das sich von jeder Lichtquelle an allen Punkten innerhalb des Bildes ausbreitet. Diese Methode erfordert jedoch eine nahezu unmögliche Anzahl von Berechnungen. Stattdessen arbeiteten die Forscher rückwärts und kartierten nur die Photonen, die die Kamera erreichen und einen hellen Fleck auf dem endgültigen Bild ergeben würden – d. h. Photonen, die von keinem der Schwarzen Löcher verschluckt würden.

Ein binäres Schwarzes Lochsystem, von oben gesehen. Bildquelle: Bohn et al. (siehe http://arxiv.org/abs/1410.7775)

Das gleiche binäre Schwarze-Loch-System, von oben gesehen. Bildquelle: Bohn et al. (sehen http://arxiv.org/abs/1410.7775 )

Wie Sie im Bild oben sehen können, zeugen die Simulationen des Teams von der enormen Wirkung, die diese Schwarzen Löcher auf die Raumzeit haben. Umgebungsphotonen winden sich in einem als Frame-Ziehen bekannten Vorgang zu einem Ring um die konvergierenden Binärdateien. Hintergrundobjekte scheinen sich auf gegenüberliegenden Seiten der Verschmelzung zu vermehren (z. B. das gelbe und blaue Sternpaar in den Bereichen 'Nordosten' und 'Südwesten' des Rings). Licht aushinterDie Kamera wird sogar vom kombinierten Schwerefeld der Schwarzen Löcher in den Rahmen gezogen. Und jedes Schwarze Loch verzerrt das Erscheinungsbild des anderen, indem es geschwungene, kommaförmige Schattenbereiche abschneidet, die als „Augenbrauen“ bezeichnet werden. Wenn Sie mit unbegrenzter Präzision heranzoomen könnten, würden Sie feststellen, dass es tatsächlich unendlich viele dieser Augenbrauen gibt, jede kleiner als die andere, wie ein kosmisches Set russischer Puppen.



Für den Fall, dass Sie dachten, dass die Dinge nicht noch erstaunlicher werden könnten, hat SXS auch zwei Videos der Verschmelzung schwarzer Löcher erstellt: eines von oben simuliert und das andere von der Kante.

http://www.black-holes.org/videos/lensing/Para.mp4

http://www.black-holes.org/videos/lensing/Perp.mp4

Die SXS-Kollaboration wird weiterhin gravitativ schwerfällige Objekte wie Schwarze Löcher und Neutronensterne untersuchen, um ihre astronomischen und physikalischen Eigenschaften besser zu verstehen. Ihre Arbeit wird auch Beobachtungswissenschaftlern dabei helfen, den Himmel nach Beweisen für Gravitationswellen abzusuchen.

Schauen Sie sich das Team an ArXiv-Papier Beschreibung dieser Arbeit und ihrer Webseite für noch faszinierendere Bilder.

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