Schwarze Löcher in der Badewanne? Wie Wissenschaftler mit Wasserwirbeln Schwarze Löcher untersuchen

Quelle: George Haller

Wie führen Sie ein Laborexperiment durch, wenn Ihr Proband bis zu 400 AE und bis zu zehn Milliarden Sonnen groß sein kann? Ein internationales Team von Wissenschaftlern am Black Hole Laboratory der University of Nottingham stellte sich dieser Frage bei der Untersuchung von Schwarzen Löchern. Ihre Lösung bestand darin, ein rotierendes schwarzes Loch im Labor zu simulieren ... mit einer Badewanne.

Was ist zunächst ein schwarzes Loch? Es gibt zwei Arten, solare Masse und supermassive Schwarze Löcher, deren erstere durch sterbende Sterne erzeugt werden. Wenn Sterne am Ende ihres Lebens aufhören, Wasserstoff zu fusionieren, fallen sie in sich zusammen und verdichten sich zu einer Singularität von unendlicher Dichte. Wenn das umgebende Material durch Schwerkraft in Richtung der Singularität gezogen wird, passiert es einen Punkt ohne Wiederkehr, der als Ereignishorizont oder Schwarzschildradius bezeichnet wird. Dies ist die Entfernung, in der sich etwas schneller bewegen muss als die Lichtgeschwindigkeit, um dem Zug des Schwarzen Lochs zu entgehen. Deshalb sind schwarze Löcher schwarz. Nicht einmal das Licht kann entweichen, wenn es zu nahe kommt, so dass sie oft wie dunkle, stille Lücken im schwarzen Raum erscheinen.

Diese Schwärze macht schwarze Löcher so schwer zu untersuchen. Sie sind durch ihre Schwerkraftwirkung auf die Körper in ihrer Nähe und durch Röntgenstrahlung von überhitzter Materie in Richtung des Ereignishorizonts nachweisbar, aber ein genauer Blick auf diese Objekte ist immer noch außerordentlich schwierig. Also beschlossen die Forscher, kreativ zu werden: Anstatt kleine Details im Materialzufluss kaum nachweisbarer schwarzer Löcher zu erkennen, entschlossen sie sich, ein rotierendes schwarzes Loch mit einem Badewannenwirbel zu simulieren.

Badezimmer-Geräte sind zwar nicht gerade Spitzengeräte im Labor, aber in diesem Fall haben sie die Forschung perfekt erleichtert. Das Team füllte einen großen Tank mit ungefähr zweitausend Litern grün getöntem Wasser mit Fluoreszenzfarbstoff. Dieses Wasser strömt von zwei Zugangspunkten an gegenüberliegenden Ecken des Tanks ein, wodurch sich das gesamte System dreht, wenn der Abfluss in der Mitte des Tanks nicht angeschlossen ist.

Die Forscher beschlossen, kreativ zu werden: Anstatt kleine Details im Materialzufluss kaum nachweisbarer schwarzer Löcher zu erkennen, entschlossen sie sich, ein rotierendes schwarzes Loch mit einem Badewannenwirbel zu simulieren.

Das mag auf den ersten Blick seltsam erscheinen, aber der Vergleich (für Prozesse im kleinen Maßstab) ist nahezu perfekt. In seiner einfachsten Form ist ein schwarzes Loch ein Wirbel, ein sich drehender Strudel aus Materie, der in die Singularität fließt, was als unendlich tiefes Loch angesehen werden kann.

Aber auch wenn Sie die Komplexität des Schwarzloch-Modells erhöhen, hält die Whirlpool-Analogie immer noch Wasser. Wenn Sie sich eine Abflusswanne schon einmal genau angesehen haben, werden Sie entlang der Wasseroberfläche interessante Riffelmuster sehen, die sich spiralförmig und kreuz und quer und radial erstreckende Falten bilden. Dieser Effekt, bei dem winzige Wellen, die sich über die Oberfläche des wirbelnden Wassers bewegen, - auch Wellenausbreitung genannt - zusammenwirken, tritt auch in astrophysikalischen Schwarzen Löchern auf und ist der Grund, warum Wissenschaftler an diesem Experiment interessiert sind.

Die Art und Weise, wie ein Wirbel wirbelt, ist ein ziemlich gut charakterisiertes Phänomen, aber die Art und Weise, wie sich Wellen über ihre Oberfläche ausbreiten. Wenn Sie eine Störung erzeugen, z. B. den Finger in eine Region stecken, in der das Wasser nicht stark wirbelt, können sich die durch diese Störung verursachten Wellen in jede gewünschte Richtung ausbreiten.

Je größer die Strömungsgeschwindigkeit der Region ist, desto stärker werden diese Wellen durch die Bewegung des Wassers beeinflusst. Bei einem bestimmten Radius vom Abfluss übersteigt die Geschwindigkeit, mit der das Wasser verwirbelt wird, die Geschwindigkeit der gestörten Welle, und alle Oberflächenwellen werden unabhängig von ihrer Ausbreitungsrichtung in den Abfluss gezogen. Wenn Ihnen das bekannt vorkommt, haben Sie aufgepasst! Dies ist die genaue Definition des Ereignishorizonts eines Schwarzen Lochs.

Während Sie die Komplexität des Schwarz-Loch-Modells erhöhen, hält die Whirlpool-Analogie immer noch Wasser.

Die Untersuchung von Schwarzen Löchern war weitgehend von theoretischen Arbeiten geprägt - schließlich ist es außerordentlich schwierig, einen Körper von zehn Milliarden Sonnenmassen in ein Labor zu stopfen. Aber ohne experimentelle Bestätigung ist es schwierig zu wissen, ob die Theorie richtig ist. Dieses Schwarze Loch in einem Badewannenversuch ist äußerst wichtig, da es diese Bestätigung liefert. Wissenschaftler konnten zuvor theoretische Effekte wie Superradiance direkt messen, bei denen Wellen, die durch ein schwarzes Loch gehen, mit einer höheren Energie auftauchen, als sie begonnen hatten.

Wenn diese Forschung fortschreitet, werfen Wissenschaftler hoffentlich nach wie vor Licht auf schwarze Löcher, indem sie in die Leere starren ... oder in diesem Fall in das Auge eines Whirlpools.

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