Photonenorbit

Der Photonenorbit (auch Photonensphäre) ist eine Region um ein Schwarzes Loch, in der die Gravitation so stark ist, dass Licht auf Kreisbahnen gezwungen wird. Für ein nicht rotierendes Schwarzes Loch (beschrieben durch die Schwarzschild-Metrik) liegt der Photonenorbit bei genau 1,5 Schwarzschild-Radien, also dem 1,5-fachen des Ereignishorizonts.

Physikalisch bedeutet das: Würde man an diesem Punkt eine Taschenlampe einschalten und seitlich leuchten, käme das Licht nach einer vollständigen Umrundung des Schwarzen Lochs von hinten zurück. Theoretisch könnte man dort seinen eigenen Hinterkopf sehen. Allerdings ist dieser Orbit instabil. Die kleinste Störung würde das Licht entweder ins Schwarze Loch stürzen oder nach außen entkommen lassen.

Der Photonenorbit ist der Grund für den leuchtenden Ring, den das Event Horizon Telescope 2019 beim Schwarzen Loch M87* fotografiert hat. Das Licht, das wir als Ring sehen, stammt von Photonen, die den Photonenorbit knapp verfehlt haben und nach außen entkommen sind. Bei rotierenden Schwarzen Löchern (Kerr-Metrik) wird die Photonensphäre asymmetrisch: Photonen, die in Rotationsrichtung kreisen, können näher ans Schwarze Loch heran als solche, die gegen die Rotation laufen.

In der Science-Fiction dient der Photonenorbit als visuell spektakuläres Element. In Christopher Nolans Interstellar wurde die Akkretionsscheibe um Gargantua mit der von Kip Thorne berechneten Lichtbeugung um den Photonenorbit gerendert, was zu dem charakteristischen doppelten Ringbild führte.

Der erste direkte Beweis für die Existenz eines Photonenorbits kam 2019 mit dem ersten Bild von M87* durch das Event Horizon Telescope. Der leuchtende Ring im EHT-Bild ist nicht die Akkretionsscheibe selbst, sondern das Licht, das mehrfach um das Schwarze Loch herumgeleitet wurde und dabei den Photonenorbit knapp verfehlt hat. Die Breite und Intensität dieses Rings stimmt präzise mit der allgemeinen Relativitätstheorie überein.

Für rotierende Schwarze Löcher (Kerr-Metrik) teilt sich die Photonensphäre. Prograde Photonen (die in Rotationsrichtung um das Schwarze Loch kreisen) können näher heran als retrograde. Das erzeugt eine asymmetrische Leuchtverteilung im Ring, die durch den Doppler-Effekt und die Gravitationsrotverschiebung weiter modifiziert wird. Die tatsächlich beobachtete Helligkeit einer Seite des Rings ist stärker als die andere, weil das Licht auf der einem Beobachter näheren Seite relativistisch blauverschoben ist. Diese Asymmetrie war im M87*-Bild sichtbar und ist ein direktes Messzeichen für die Rotation des Schwarzen Lochs.