Das Schwarze Loch im Zentrum der Milchstraße
Die Bahnkurve (Ellipse) des Sterns S2
Im Zentrum der Milchstraße befindet sich ein supermassives Schwarzes Loch, das von einer Vielzahl von Sternen auf unterschiedlichen Bahnen umrundet wird. Die Bahnkurve des Sterns S2 wurde in den letzten zwei Jahrzehnten mithilfe hochauflösender Infrarotaufnahmen astrometrisch besonders gut vermessen.
Für diese Arbeiten erhielten der deutsche Physiker Reinhard Genzel und die amerikanische Astronomin Andrea Ghez im Jahr 2020 den Nobelpreis für Physik.
Das Computerprogramm simuliert die Bewegung des Sterns S2 um das galaktische Zentrum so, wie man sie als Beobachter von der Erde aus sehen würde (also die scheinbare Bewegung). Die Darstellung entspricht zeitlich und größenordnungsmäßig recht genau den astronomischen Beobachtungsergebnissen und eignet sich daher gut für quantitative Auswertungen.
Anpassung (curve fitting) der Bahnkurve durch eine Modellellipse
Da die Bahnebene der Ellipse des Sterns S2 gegenüber dem Beobachter um zwei Achsen gekippt ist (Inklination und Winkel zur Knotenlinie) und die Ellipse innerhalb dieser Ebene ebenfalls um einen bestimmten Winkel gedreht ist, bleibt die Gestalt der wahren Ellipsenbahn verborgen.
Das Computerprogramm ermöglicht es, diese drei Winkel, sowie die großen Halbachsen und die Exzentrizität durch geschicktes Probieren zu finden, indem eine Modellellipse so eingestellt werden kann, dass sie mit der S2-Ellipse zur Deckung kommt.
Die scheinbare und die wahre Bahnellipse
Die erste Abbildung des PdF-Dokuments zeigt die scheinbare Ellipse des Sterns S2, so wie sie aus den Positionsbestimmungen der erdgebundenen Teleskope ermittelt wurde. Da die Bahnebene der Ellipse zum Beobachter gekippt und gedreht ist, erscheint sie gestaucht und der Brennpunkt befindet sich nicht mehr auf der Mittellinie der scheinbaren Ellipse.
Die zweite Grafik stellt die wahre Ellipse dar. Diese würde sich ergeben, könnte man senkrecht auf die Bahnebene der Ellipse blicken. Somit lässt sich die große Halbachse direkt am Koordinatensystem (skaliert in Bogensekunden) ablesen.
Download des PdF-Dokuments
Lichtablenkung in der Nähe eines Schwarzen Lochs (Bahnkurven von Photonen)
Das Programm berechnet die Bahnkurven von Photonen, die an einem Schwarzen Loch mit Akkretions-Scheibe vorbeigehen auf Grundlage der Schwarzschildmetrik. Die Lichtwege lassen sich ähnlich einem Raytracing-Verfahrens umkehren. Dadurch wird deutlich, welches Licht beim Beobachter wahrgenommen wird. So werden die vier verschiedenen Kreisradien um ein Schwarzes Loch nachvollziehbar, die der Beobachter sieht:
- der Schwarzschildradius
- der Photonen-Ring
- der Schattenradius
- der Scheibenradius der inneren Kante der Akkretionsscheibe