Physik-Projekte

ETH Semesterarbeit über den Schatten von rotierenden schwarzen Löchern

Im letzten Semester (Frühling 2021) meines BSc Physik an der ETH Zürich schrieb ich eine Semesterarbeit in theoretischer Physik über den Schatten von rotierenden schwarzen Löchern. Der Schatten eines schwarzen Lochs ist das komplett schwarze Gebiet im Himmel des Beobachters, wenn dieser ein alleinstehendes schwarzes Loch betrachtet; Form und Grösse des Schattens hängen von den Eigenschaften des schwarzen Lochs ab und können sogar verwendet werden, um einige Eigenschaften zu bestimmen. Die Semesterarbeit ist eine Literaturstudie von sowohl fundamentaler wie auch eher moderneren Forschung zum Thema. Als solche kann sie als Einführung ins Gebiet der Schatten schwarzer Löcher dienen.

Titel: The Shadow of a Rotating Black Hole

Supervision:
Prof. Dr. Philippe Jetzer (main supervisor), Physik-Institut, University of Zürich, Switzerland
Prof. Dr. Renato Renner (internal ETH member), Institute of Theoretical Physics, ETH Zürich, Switzerland

Abstract:
The aim of this work is to provide an introduction to the field of shadows of rotating Kerr black holes. We review the mathematics of light propagation in Kerr spacetime and derive the equations describing the edge of a Kerr black hole shadow in the sky of a distant observer. We also discuss recent research concerning the possibility of determining the spin parameter a and the inclination angle θO of the observer from direct observations of the shadow. Finally, we showcase two applications of the theory of black hole shadows to the Event Horizon Telescope collaboration image of the supermassive black hole M87*.

PDF-Datei (englisch): PDF logosemester project
Die Arbeit kann auch auf der Webseite von Prof. Jetzer's Forschungsgruppe gefunden werden: hier.

Kerr shadows
Schattenrand von verschiedenen rotierenden schwarzen Löchern (Farben unterscheiden den Spinparameter, grün ist null, rot ist maximal), betrachtet aus verschiedenen Polarwinkeln θO. Dies ist Abb. 3 aus der Semesterarbeit.

cuRRay - CUDA Relativistic Raytracer

cuRRay steht für CUDA relativistic Raytracer und ist eine von mir programmierte Software, um Lichtstrahlen in der Nähe von schwarzen Löchern zu berechnen; Auf diese Weise können Bilder von Objekten nahe dieser kosmischen Monster erzeugt werden. Weil Lichtstrahlen durch die extreme Gravitation der schwarzen Löcher abgelenkt werden, sind die Bilder stark verzerrt. cuRRay verwendet NVIDIA CUDA, um die Berechnungen effizient auf der Grafikkarte durchzuführen.

cuRRay ist die Software, die ich im Rahmen meiner Maturaarbeit an der Kantonsschule Wohlen programmierte. Das Projekt gewann zwei Hauptpreise beim nationalen Wettbewerb 2018 von Schweizer Jugend Forscht (SJF): Erstens, eine Teilnahme am Stockholm International Youth Science Seminar (SIYSS) 2018 in Stockholm, Schweden. Zweitens, eine Teilnahme am European Union Contest for Young Scientists (EUCYS) 2018 in Dublin, Irland. Dort wurde die Arbeit mit einem durch das European Southern Observatory (ESO) ausgestellten Spezialpreis ausgezeichnet: Eine Reise nach Chile und eine Besichtigung des Very Large Telescope (VLT), die ich als Hobby-Astrophotograph besonders genoss.

Weitere Informationen über cuRRay finden Sie hier.

GitLab logocuRRay bei GitLab

cuRRay
Drei von cuRRay erstellte Bilder. Gezeigt wird ein schwarzes Loch (schwarz dargestellt) mit einem Ring (Oberseite grün-grau, Unterseite magenta-grau kariert) aus verschiedenen Blickwinkeln: von oben, von schräg oben und von leicht oberhalb des Äquators.

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