Nichts kann der enormen Schwerkraft von Schwarzen Löchern entkommen, nicht einmal Licht – dieser Eigenschaft verdanken sie schließlich ihren Namen. Auch in ihrer Umgebung verzerren Schwarze Löcher Raum und Zeit extrem und können dadurch Licht beliebig stark ablenken. Astronomen machen sich diesen Effekt zu Nutze: Bei so genannten Gravitationslinsen bündeln Schwarze Löcher das Licht von hinter ihnen liegenden Objekten und verstärken es so. Wenn ein helles Objekt wie etwa eine Galaxie exakt in Sichtlinie hinter einem Schwarzen Loch steht, kann es sogar zur Ausbildung von "Einsteinringen" kommen, bei denen rund um das Schwarze Loch ein Ring zu sehen ist, dessen Licht von der entfernten Galaxie stammt.

Mit irdischen Teleskopen lassen sich diese Effekte allerdings nur aus galaktischen Distanzen betrachten. Um sich vorstellen zu können, wie sie aus der Nähe aussähen, haben Wissenschaftler schon eine Reihe von Computersimulationen entwickelt. Darauf waren bislang aber vor allem die Umgebungen einzelner Schwarzer Löcher abgebildet. Doch Schwarze Löcher tauchen nicht immer allein auf, sondern hin und wieder auch im Doppelpack.

Doppelsystem in der Draufsicht
© Simulating eXtreme Spacetimes, Andy Bohn, François Hébert, William Throwe, Darius Bunandar, Katherine Henriksson, Mark A. Scheel und Nicholas W. Taylor
(Ausschnitt)
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Zwei Schwarze Löcher mit einem Massenverhältnis von drei zu eins kreisen umeinander. Den Hintergrund bildet eine Aufnahme der Milchstraße.

Die Gleichungen von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie, mit denen die Physiker die Verzerrungen der Raumzeit um solche exotischen Gebilde beschreiben, sind jedoch sehr komplex. Sie lassen sich nur mit Hilfe unrealistisch einfacher Annahmen sauber lösen – oder mit der brutalen Rechenkraft von Supercomputern annähernd bestimmen.

Simulierte Raumzeitkrümmung

Forscher um Andy Bohn von der Cornell University haben nun zwei verschiedene Methoden kombiniert, um einen realistischen Nahblick auf solche Doppelsysteme Schwarzer Löcher zu generieren. Sie nutzten dazu Raumzeit-Simulationsdaten, die ursprünglich von der Suche nach Gravitationswellen stammen. Solche Experimente wollen Kräuselungen der Raumzeit nachweisen, die entstehen, wenn zwei Schwarze Löcher einander immer enger umkreisen und schließlich verschmelzen.

Aus der Ferne sieht ein solches Doppelsystem leicht wie ein einzelnes Schwarzes Loch aus, doch in seiner Nähe verwirbelt es die Raumzeit enorm, zeigte auch ihre Studie. Denn die beiden Schwarzen Löcher können umeinander mit Geschwindigkeiten rotieren, die einen guten Teil der Lichtgeschwindigkeit ausmachen. Dabei ziehen sie Raum und Zeit mit und sorgen so für einen kräftigen Raumzeit-Strudel.

Fraktale Verzerrung
© Simulating eXtreme Spacetimes, Andy Bohn, François Hébert, William Throwe, Darius Bunandar, Katherine Henriksson, Mark A. Scheel und Nicholas W. Taylor
(Ausschnitt)
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Wählt man einen abstrakten Hintergrund, lässt sich die Verzerrung der Raumzeit noch besser nachvollziehen. So wird der linke obere Quadrant nochmals rechts unterhalb der Löcher dargestellt. Auch die fraktalen "Augenbrauen" sind deutlich zu sehen.

Lichtstrahlen von dahinterliegenden Objekten können deshalb sehr vielfältige Pfade um die beiden Schwarzen Löcher nehmen. Weiter außen vorbeilaufendes Licht wird nur leicht abgelenkt, wie bei einer normalen Gravitationslinse. Doch bereits um ein einzelnes Schwarzes Loch kann Licht mehrfach herumlaufen. Bei Doppelsystemen und dem Raumzeit-Strudel, der sie umgibt, sind noch sehr viel komplexere Erscheinungen möglich.

Zwei schwarze Löcher erzeugen fraktale Strukturen

Um diese Pfade realistisch und mit vertretbarem Aufwand berechnen zu können, bedienten sich die Wissenschaftler deshalb auch einer Methode aus der Computergrafik namens Raycasting. Ausgehend von der Kamera verfolgt man hierbei Lichtstrahlen zurück in der Zeit, entlang der verschlungenen Pfade um das Doppelsystem, bis zu einer hypothetischen Lichtquelle im Hintergrund. Die Forscher wählten einmal farbliche Muster, um die Lichtwege möglichst deutlich zu machen, und einmal unsere Milchstraße, um darzustellen, was ein Astronaut aus der Nähe sehen könnte. Dabei mussten die Forscher die zeitliche Entwicklung der schnell rotierenden Schwarzen Löcher berücksichtigen, um zu realistischen Bildern zu gelangen.

Das Doppelsystem von der Seite
© Simulating eXtreme Spacetimes, Andy Bohn, François Hébert, William Throwe, Darius Bunandar, Katherine Henriksson, Mark A. Scheel und Nicholas W. Taylor
(Ausschnitt)
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Hier sind die unterschiedlich massereichen Schwarzen Löcher so dargestellt, dass die Blickrichtung senkrecht zur Drehachse des Doppelsystems steht. Je nach Abstand und Verdeckung ergeben sich unterschiedliche Ansichten.

In der Simulation zeigten sich eigentümliche Effekte wie so genannte "Augenbrauen", wenn ein Schwarzes Loch etwa das andere als Gravitationslinse abbildet. Da Licht mehrfach um diese Gebilde laufen kann, bildeten sich sogar fraktale Strukturen heraus: Als die Forscher in die Simulation hineinzoomten, wurden am Rand der Augenbrauen weitere kleinere Augenbrauen sichtbar.

Noch ist die Teleskoptechnik nicht so weit, solche Strukturen von der Erde aus auflösen zu können. Künftigen Raumfahrern oder Computerspielproduzenten liefern diese Simulationen jedoch einen interessanten Vorgeschmack auf das, was im Strudel der Raumzeit passiert.