Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut)
Gravitativer Kollaps
Kollaps eines Sternenkerns zu einem Neutronenstern
Diese Bilder basieren auf einer dreidimensionalen, vollständig relativistischen Computersimulation, die die Entstehung eines Neutronensterns durch den gravitativen Kollaps eines Sternkerns berechnet. Dieses Ereignis markiert das Ende eines massereichen Sterns, der seinen gesamten Brennstoff für die Kernfusion verbraucht hat. Der Kern, der aus Eisen - dem Endprodukt der Sternfusionsprozesse - besteht, kollabiert unter seiner eigenen Schwerkraft, da der Stern nicht durch den Druck der Kernfusion stabilisiert wird. Ein solcher Kernkollaps ist eine der Möglichkeiten, eine Supernova-Explosion auszulösen. Trotz der jahrzehntelangen Forschung über Supernovae sind diese noch nicht vollständig verstanden.
Die Bilder zeigen den kollabierenden Eisenkern eines massereichen Sterns, veranschaulicht durch seine Massendichte. Während des Kollapses nimmt die Dichte zu (grün und rot), bis der quantenmechanische Degenerationsdruck der Neutronen den Kollaps stoppt - es hat sich ein schnell rotierender Proto-Neutronenstern gebildet, der spiralförmige Gravitationswellen aussendet, die durch asymmetrische Verzerrungen verursacht werden.
Bildrechte: C. Ott (Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik), L. Rezzolla (Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik & Institut für Theoretische Physik, Frankfurt), R. Kähler(Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik & Zuse-Institut Berlin)
Hinweis: Die Veröffentlichung von Filmen und Bildern bedarf der schriftlichen Einwilligung und erfolgt nur unter Nennung der Rechteinhaber. Bitte kontaktieren Sie aei_zib_images@aei.mpg.de zwecks Einholung der Genehmigung.
Gravitativer Kollaps zu einem rotierenden Schwarzen Loch
Materiefelder
Diese Visualisierung einer Computersimulation zeigt den gravitativen Kollaps eines Neutronensterns zu einem rotierenden Schwarzen Loch. Ein solcher Kollaps ist eine der stärksten Quellen elektromagnetischer und gravitativer Strahlung. Aber nur ein Millionstel der Systemenergie wird in Form von Gravitationswellen abgestrahlt, daher müssen die Berechnungen sehr genau sein, und das numerische Problem ist recht anspruchsvoll. Um gute Vorhersagen über mögliche Gravitationswellensignale machen zu können, muss die Simulation zudem auf einem großen räumlichen Gebiet durchgeführt werden, da die Gravitationswellen ihre so genannte asymptotische Form - wie wir sie auf der Erde nachweisen können - erst weit entfernt von der Quelle annehmen. Mit dem hier verwendeten numerischen Verfahren war es erstmals möglich, die Gravitationsstrahlung eines solchen Ereignisses mit einer vollständig dreidimensionalen Simulation zu berechnen.
Die Bilder zeigen den zusammenstürzenden rotierenden Neutronenstern, veranschaulicht durch seine Materiedichte (blau und magenta für verschiedene Dichten). Die Rotation wird durch die Geschwindigkeitsvektoren (gelbe Pfeile) in einer Ebene des Sterns visualisiert, was zeigt, dass die Materie beim Kollaps noch schneller rotiert. Zumindest der scheinbare Horizont (weiß) bildet sich im Zentrum. Dies ist - zu einem gegebenen Zeitschritt - die Grenze zwischen Regionen, in denen austretende Lichtstrahlen noch bis ins Unendliche entweichen können und wo sie im Schwarzen Loch gefangen sind. Da die Raumregion im Inneren des Horizonts keinen Einfluss auf den äußeren Raum hat, wurde sie in dieser Simulation ausgespart - auf diese Weise vermeidet man das numerische Problem der Behandlung der Singularität im Inneren des Schwarzen Lochs, wo die Krümmung der Raumzeit unendlich wird.
Bildrechte: I. Hawke (University of Southampton), L. Baiotti (SISSA), L. Rezzolla (Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik & Institut für Theoretische Physik, Frankfurt)
Hinweis: Die Veröffentlichung von Filmen und Bildern bedarf der schriftlichen Einwilligung und erfolgt nur unter Nennung der Rechteinhaber. Bitte kontaktieren Sie aei_zib_images@aei.mpg.de zwecks Einholung der Genehmigung.
Gravitativer Kollaps zu einem rotierenden Schwarzen Loch
Horizonte
Diese Visualisierung einer Computersimulation zeigt den gravitativen Kollaps eines Neutronensterns zu einem rotierenden Schwarzen Loch. Ein solcher Kollaps ist eine der stärksten Quellen elektromagnetischer und gravitativer Strahlung. Aber nur ein Millionstel der Systemenergie wird in Form von Gravitationswellen abgestrahlt, daher müssen die Berechnungen sehr genau sein, und das numerische Problem ist recht anspruchsvoll. Um gute Vorhersagen über mögliche Gravitationswellensignale machen zu können, muss die Simulation zudem auf einem großen räumlichen Gebiet durchgeführt werden, da die Gravitationswellen ihre so genannte asymptotische Form - wie wir sie auf der Erde nachweisen können - erst weit entfernt von der Quelle annehmen. Mit dem hier verwendeten numerischen Verfahren war es erstmals möglich, die Gravitationsstrahlung eines solchen Ereignisses mit einer vollständig dreidimensionalen Simulation zu berechnen.
Die Bilder zeigen die Entwicklung des Ereignishorizonts und des scheinbaren Horizonts des Schwarzen Lochs, das durch den Kollaps entstanden ist. Die graue Hemisphäre ist der Ereignishorizont, der die "Oberfläche" des Schwarzen Lochs darstellt. Nichts, nicht einmal Licht, kann aus dem Inneren des Ereignishorizonts entweichen. Mit den kleinen Testvolumina können die Masse und der Spin des Schwarzen Lochs - seine grundlegenden Eigenschaften - bestimmt werden.
Bald nach der Bildung des Ereignishorizonts erscheint der scheinbare Horizont (hellgrau). Dies ist - in einem bestimmten Zeitschritt - die Grenze zwischen Regionen, in denen austretende Lichtstrahlen noch bis ins Unendliche entweichen können und wo sie im Schwarzen Loch gefangen sind. Aber ein Lichtstrahl, der zu einer bestimmten Zeit entkommt, kann an einem späteren Zeitpunkt eingefangen werden, wenn mehr Materie in das Schwarze Loch gefallen ist. Der Ereignishorizont ist dagegen unabhängig vom Zeitpunkt und vom Beobachter: Er trennt die letzten Lichtstrahlen, die jemals aus dem Inneren des Schwarzen Lochs austreten werden. Der scheinbare Horizont befindet sich also immer innerhalb des Ereignishorizonts, bis sie am Ende des dynamischen Entstehungsprozesses zusammenfallen.
Um den Ereignishorizont berechnen zu können, muss die gesamte Entwicklung des Schwarzen Lochs bekannt sein - der scheinbare Horizont kann hingegen während der Entwicklung berechnet werden. Da die Raumregion im Inneren des Horizonts keinen Einfluss auf die Außenregion hat, wurde sie in dieser Simulation ausgeschnitten - auf diese Weise vermeidet man das numerische Problem der Behandlung der Singularität im Inneren des Schwarzen Lochs, wo die Krümmung der Raumzeit unendlich wird.Credits
Bildrechte: P. Diener (Louisiana State University), L. Baiotti (SISSA), L. Rezzolla (Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik & Institut für Theoretische Physik, Frankfurt)
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Gravitativer Kollaps zu einem rotierenden Schwarzen Loch
Ein Oktant
Diese Visualisierung einer Computersimulation zeigt den gravitativen Kollaps eines Neutronensterns zu einem rotierenden Schwarzen Loch. Ein solcher Kollaps ist eine der stärksten Quellen elektromagnetischer und gravitativer Strahlung. Aber nur ein Millionstel der Systemenergie wird in Form von Gravitationswellen abgestrahlt, daher müssen die Berechnungen sehr genau sein, und das numerische Problem ist recht anspruchsvoll. Um gute Vorhersagen über mögliche Gravitationswellensignale machen zu können, muss die Simulation zudem auf einem großen räumlichen Gebiet durchgeführt werden, da die Gravitationswellen ihre so genannte asymptotische Form - wie wir sie auf der Erde nachweisen können - erst weit entfernt von der Quelle annehmen. Mit dem hier verwendeten numerischen Verfahren war es erstmals möglich, die Gravitationsstrahlung eines solchen Ereignisses mit einer vollständig dreidimensionalen Simulation zu berechnen.
Die Bilder zeigen den kollabierenden Neutronenstern, visualisiert durch seine Materiedichte, und die Krümmung des umgebenden Raumes, wobei beide Größen divergieren. Es erscheint der scheinbare Horizont (dargestellt durch einen weißen Kreis) - die "Grenze" des sich bildenden Schwarzen Lochs, aus der nichts, nicht einmal Licht, entweichen kann. Das Herauszoomen auf eine größere Fläche zeigt die abgestrahlten Gravitationswellen in ihrer asymptotischen Form.
Bildrechte: L. Baiotti (Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik), L. Rezzolla (Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik & Institut für Theoretische Physik, Frankfurt), R. Kähler(Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik & Zuse-Institut Berlin)
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Gravitativer Kollaps zu einem rotierenden Schwarzen Loch
Vier Oktanten
Diese Visualisierung einer Computersimulation zeigt den gravitativen Kollaps eines Neutronensterns zu einem rotierenden Schwarzen Loch. Ein solcher Kollaps ist eine der stärksten Quellen elektromagnetischer und gravitativer Strahlung. Aber nur ein Millionstel der Systemenergie wird in Form von Gravitationswellen abgestrahlt, daher müssen die Berechnungen sehr genau sein, und das numerische Problem ist recht anspruchsvoll. Um gute Vorhersagen über mögliche Gravitationswellensignale machen zu können, muss die Simulation zudem auf einem großen räumlichen Gebiet durchgeführt werden, da die Gravitationswellen ihre so genannte asymptotische Form - wie wir sie auf der Erde nachweisen können - erst weit entfernt von der Quelle annehmen. Mit dem hier verwendeten numerischen Verfahren war es erstmals möglich, die Gravitationsstrahlung eines solchen Ereignisses mit einer vollständig dreidimensionalen Simulation zu berechnen.
Die Bilder zeigen den kollabierenden Neutronenstern, visualisiert durch seine Materiedichte, und die Krümmung des umgebenden Raumes, wobei beide Größen divergieren. Es erscheint der scheinbare Horizont (dargestellt durch einen weißen Kreis) - die "Grenze" des sich bildenden Schwarzen Lochs, aus der nichts, nicht einmal Licht, entweichen kann. Das Herauszoomen auf eine größere Fläche zeigt die abgestrahlten Gravitationswellen in ihrer asymptotischen Form.
Publikation
1.
L. Baiotti, L. Rezzolla
Challenging the Paradigm of Singularity Excision in Gravitational Collapse
Bildrechte: L. Baiotti (Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik), L. Rezzolla (Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik & Institut für Theoretische Physik, Frankfurt), R. Kähler(Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik & Zuse-Institut Berlin)
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