Game App Trapped in Gravity
Warum sind schwarze Löcher schwarz? Was sind Gravitationswellen? Und was können wir durch die Beobachtung von Gravitationswellen über das Universum lernen? Die Game-App Trapped in Gravity bietet spielerische Einblicke in die Physik hinter Masse, Gravitationskräften und Schwarzen Löchern. Entwickelt wurde das Spiel von Forscher:innen des Exzellenzclusters Quantum Universe.
Foto: UHH/Tohermes/Franke, NASA
Trapped in Gravity ist ein Spiel mit drei Ebenen. Die App-Nutzer:innen entscheiden, ob sie mit dem ersten Level beginnen oder ein anderes Level auswählen.
Foto: UHH/Tohermes/Franke, NASA
Jedes der drei Level und auch die Infotexte über die Physik hinter dem Spiel können unabhängig voneinander ausgewählt werden.
Foto: UHH/Tohermes/Franke, NASA
In der ersten Stufe reist der Astronaut auf einer stabilen Umlaufbahn um ein schwarzes Loch.
Foto: UHH/Tohermes/Franke, NASA
Im zweiten Level muss das Raumschiff zwischen zwei schwarzen Löchern hindurchgesteuert werden, die sich gegenseitig umkreisen, um den Astronauten zu retten.
Foto: UHH/Tohermes/Franke, NASA
Trapped in Gravity erklärt die Physik hinter dem Spiel.
Foto: UHH/Tohermes/Franke, NASA
Interessierte Nutzer erfahren unter anderem, warum schwarze Löcher schwarz sind.
Ein Astronaut ist in Gefahr, von einem schwarzen Loch verschluckt zu werden. Nun liegt es an den Nutzer:inen der App, den Raumfahrer zu retten. Dazu müssen die Spieler den Astronauten mit einem Raumschiff abholen und zur Erde zurückbringen. Doch das ist leichter gesagt als getan, denn auch das Raumschiff unterliegt der Anziehungskraft der schwarzen Löcher. Wenn die Spieler zu nahe heransteuern, riskieren sie, das Raumschiff an das schwarze Loch zu verlieren.
Das Spiel kann kostenlos für iOS aus dem App Store und für Android aus dem Play Store heruntergeladen werden.
 |
 |
Level Beschreibungen
Level 1: Einzelnes schwarzes Loch
Der Astronaut befindet sich in einer stabilen Umlaufbahn um das Schwarze Loch, ähnlich wie der Mond um die Erde kreist. Wie wir seit Isaac Newton (1643-1727) wissen, gibt es für jede Aktion eine gleich große aber entgegengesetzte Reaktion. Das bedeutet, dass der Astronaut die Umlaufbahn nur verlassen kann, wenn er etwas Schweres in Richtung des Schwarzen Lochs stößt - oder wenn der mutige Kapitän des Raumschiffs ihn rettet. DU bist der Kapitän.
Schwarze Löcher
Schwarze Löcher sind supermassive Objekte. Tatsächlich kann nicht einmal Licht die starke Anziehungskraft schwarzer Löcher überwinden. Aber wie können wir sicher sein, dass schwarze Löcher existieren, wenn kein Licht von ihnen ausgeht? Nun, normale Sterne, die ein Schwarzes Loch umkreisen, sind sichtbar. Auch die Ablenkung des Lichts von Hintergrundsternen ist sichtbar. Dennoch wurde erst 2019 das erste echte Bild eines Schwarzen Lochs aufgenommen. Es hat die 6,5 Milliardenfache Masse unserer Sonne und bildet das Zentrum einer unserer Nachbargalaxien.
Im Jahr 2015 zeichnete das LIGO Observatorium ein Gravitationswellensignal von zwei Schwarzen Löchern auf, die in einer Entfernung von 1,3 Milliarden Lichtjahren zu einem einzigen verschmolzen. Die kollidierenden schwarzen Löcher hatten eine Masse, die etwa 30 Mal so groß war wie die unserer Sonne. Gravitationswellen sind nicht mit Licht verbunden. Es handelt sich vielmehr um extrem winzige Schwingungen von der Größe des Universums.
Gravitationswellen-Astronomie
Sichtbares Licht, Radiowellen, Röntgen- und Gammastrahlen sind allesamt elektromagnetische Strahlung, d. h. "Licht". Die ältesten elektromagnetischen Wellen, die sich im Universum ausbreiten, wurden 380.000 Jahre nach dem Urknall erzeugt. Herkömmliche Teleskope sind also nicht in der Lage, zu messen, was davor war. Gravitationswellen hingegen sind Schwingungen der Raumzeit, die durch astrophysikalische Ereignisse verursacht werden. Die ältesten Gravitationswellen, die sich noch im Universum ausbreiten, wurden zu Beginn der ersten Sekunde nach dem Urknall erzeugt. Aus diesem Grund wird uns das neue Gebiet der Gravitationswellen-Astronomie völlig neue und vielversprechende Informationen über die Entstehung unseres Universums liefern.
With gravitational-wave observatories being just a factor of 10 to 100 more sensitive than the ones in operation Da die Gravitationswellenobservatorien nur um den Faktor 10 bis 100 empfindlicher sind als die bereits in Betrieb befindlichen (LIGO, Virgo, GEO600), werden wir in der Lage sein, Informationen über die Geburt unseres Universums vor 13,8 Milliarden Jahren zu sammeln. Tatsächlich gibt es bereits einen Entwurf für ein solch empfindliches Gravitationswellenobservatorium: Das Europäische Einstein-Teleskop. Viele Wissenschaftler hoffen, die europäischen Länder davon zu überzeugen, dieses Observatorium zu bauen, weil sie glauben, dass es die Menschen faszinieren und das Wissen der Menschheit ähnlich wie das Hubble-Weltraumteleskop und die erste Landung auf dem Mond erweitern wird.
Level 2: Binäres System
Gefangen zwischen zwei Schwarzen Löchern
Die Gravitationskräfte zweier Schwarzer Löcher heben sich an bestimmten Punkten im Raum gegenseitig auf. Diese werden Lagrange-Punkte genannt. Genauso gibt es Lagrange-Punkte zwischen Erde und Sonne. Bei zwei Objekten gleicher Masse befindet sich ein Lagrange-Punkt in der Mitte zwischen ihnen. In unserem Spiel ist der Astronaut dort gefangen. Die Anziehungskräfte der beiden Schwarzen Löcher heben sich gegenseitig auf und der Astronaut bleibt zwischen ihnen.
Es ist jedoch schwierig, die Position in einem Lagrange-Punkt zu halten. Die Situation entspricht der eines Balls, der auf der Spitze eines glatten Hügels platziert wird. Sobald die perfekt zentrierte Position verlassen wird, wird der Ball beschleunigt und rollt den Hügel hinunter. Wenn sich unser Astronaut ein wenig in Richtung eines der schwarzen Löcher bewegt, wird er verschluckt. Die Rettung des Astronauten ist ein dringendes Unterfangen!
Auswirkungen der Schwerkraft auf den Weltraum
Die Schwerkraft beeinflusst den Raum (und die Zeit). Um schwere Massen herum gibt es mehr Raum-Zeit! Man kann sich dies gut vorstellen, wenn man sich ein Stück Stoff vorstellt, das zunächst parallel zum Boden gespannt ist. Legt man ein Objekt, das Physiker als "Masse" bezeichnen würden, auf das Tuch, entsteht eine Delle und das Tuch wird lokal gedehnt. Um die Masse herum gibt es mehr Oberfläche. Massen in der Nähe, die weniger schwer sind als die Masse, die die Delle verursacht, werden in den entstehenden Kegel gezogen. Jedes Objekt mit einer Masse hat diesen Effekt auf die Raumzeit, aber wie im Beispiel des Stoffes erzeugen größere Massen größere Dellen. Der von der Sonne erzeugte Schwerkraftkegel ist zum Beispiel für die Umlaufbahnen der Erde um die Sonne verantwortlich. Natürlich besitzt auch die Erde selbst einen eigenen Schwerkraftkegel, der den Mond um uns herum hält.
Level 3: Fusion
Warum sind schwarze Löcher schwarz?
Stell dir vor, du wirfst einen Tennisball gerade in die Luft. Wie schnell muss der Tennisball sein, damit er die Erde verlässt und im Weltraum schwebt? Diese so genannte Fluchtgeschwindigkeit hängt von der Masse des Himmelskörpers ab. Im Falle der Erde beträgt sie etwa 40.000 km/h. Würde man auf dem Mond stehen, läge sie dagegen bei etwa 8.000 km/h. Schwarze Löcher sind jedoch so dicht, dass die Fluchtgeschwindigkeit höher ist als die Lichtgeschwindigkeit (etwa 1 Milliarde km/h). Das bedeutet, dass kein Licht aus schwarzen Löchern entkommen kann, sie sind völlig schwarz.
Licht, das in einiger Entfernung an einem Schwarzen Loch vorbeifliegt, wird nicht verschluckt, sondern erfährt noch immer den gedehnten Raum um das Schwarze Loch und wird um einen gewissen Betrag abgelenkt. Je näher es vorbeifliegt, desto mehr ändert sich seine Ausbreitungsrichtung. Dies kann zu einer so genannten Gravitationslinse und zu einigen interessanten optischen Effekten führen: Wir können tatsächlich Objekte hinter einem Schwarzen Loch sehen. Zum Beispiel könnte jemand auf der Erde Sterne hinter einem Schwarzen Loch sehen, wenn er ein wenig zur Seite des Lochs schaut. Licht kann nicht in einer geraden Linie zur Erde reisen; es kann uns jedoch erreichen, nachdem es um das Objekt herum gekrümmt wurde. Die gekrümmte Raumzeit um ein Schwarzes Loch wirkt wie eine Linse. Wenn sich eine Lichtquelle genau hinter einem massiven Objekt befindet, erscheint die Lichtquelle tatsächlich als ein Ring, ein so genannter Einstein-Ring.
Fusionierende schwarze Löcher
Wenn zwei nahe beieinander liegende Schwarze Löcher einander umkreisen, schrumpft der Abstand zwischen ihnen kontinuierlich. Schließlich wird die Rotation sehr schnell und die beiden schwarzen Löcher verschmelzen zu einem einzigen. Der Grund dafür ist die kontinuierliche Emission von Energie in Form von Gravitationswellen. Gravitationswellen sind abwechselnde Ausdehnungen und Kontraktionen der Raumzeit, die sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten. Die Stärke der ausgesandten Gravitationswellen ist am größten, wenn sich die schwarzen Löcher berühren. In diesem Moment sind die Wellen sogar in Entfernungen von Milliarden von Lichtjahren zu beobachten.
Wenn Sie die Verschmelzung der schwarzen Löcher im Spiel genau beobachten, können Sie die ausgehende Gravitationswelle anhand des abgelenkten Lichts beobachten, das von den Sternen im Hintergrund ausgesendet wird.
Die Gravitationswellenobservatorien LIGO und Virgo beobachten solche Verschmelzungen wöchentlich. Nach einer Reisezeit von einer Milliarde Jahren sind Gravitationswellen extrem schwach, aber Laserlicht, das über viele Kilometer hin und her reflektiert wird, kann immer noch die winzigen Veränderungen der Raumzeit messen.