Wie Interstellar die Astrophysik voranbringt

​In wenigen Tagen werden in Los Angeles die Oscars vergeben und natürlich ist das gigantische Weltraumdrama Interstellar aufgrund seiner umwerfenden Spezialeffekte nominiert. Bei diesem Film stimmen sogar die Astronomen zu, dass es sich um eine berechtigte Wahl handelt. Denn der Programmiercode einer extra für den Film entwickelten Simulationssoftware wurde nicht nur ​in einem Paper bei iopScience veröffentlicht—das Programm ermöglicht auch echten Astrophysikern, neue Erkenntnisse über unsere Himmelsobjekte zu gewinnen.

Als die Arbeiten an Interstellar begannen stellten die Filmemacher fest, dass die von ihnen produzierten Sternanimationen auf großen IMAX-Leinwänden flackerten. Die Auflösung von 23 Millionen Pixeln brachte die verwendete Technologie an ihre natürlichen Grenzen und das Team vor ein Darstellungsproblem. In bewährter Tradition des Star Trek-Erfinders Gene Roddenberry wandten sich die Visual Artists des Films vertrauensvoll an die Wissenschaft.

Der Physiker ​Kip Thorne vom California Institute of Technology machte sich gemeinsam mit dem Londoner Unternehmen für Spezialeffekte ​Double Negative an die Arbeit. „Um das Flackern zu unterdrücken und realistische, geschmeidige Bilder für den Film zu erzeugen, verbesserten wir den Code", erzählte Oliver James, der als leitender Wissenschaftler bei Double Negative arbeitet, in einer Presseerklärung.

Das Ergebnis der filmisch-akademischen Kollaboration war der Double Negative Gravitation Renderer (DNGR), der bei Interstellar vor allem für die Entwicklung des Schwarzen Lochs Gargantua verwendet wurde. Um darzustellen, wie Gargantua das Licht einsaugt, verfolgten die Forscher dieses Mal keine einzelnen Lichtstrahlen, sondern nahmen Lichtbündel. Dadurch entstanden viel elegantere Bewegungen der stellaren Objekte als es bisher möglich war.

Die Technik eignete sich insbesondere für den Gravitationslinseneffekt, bei dem sich das Licht auf seiner Reise durch das All um große Objekte herumschmiegt. Dieser Effekt entsteht, weil das Schwarze Loch ein extrem starkes Gravitationsfeld aufbringt und damit die Struktur der Weltraumzeit um sich selbst biegt, vergleichbar mit einer Bowlingkugel, die auf einem glatt gestrichenen Bettlaken liegt.

„Diese neue Herangehensweise visueller Darstellungsformen ist extrem wertvoll für Astrophysiker wie mich", erklärte Kip Thorne. „Auch wir brauchen ruhige Bilder." Die Wissenschaftler untersuchten den Einfluss der ​Kaustik—seltsame, verknitterte Oberflächen im Weltraum—auf die Aufnahmen weit entfernter Sternenfelder, die von einer sich nahe an einem Schwarzen Loch befindlichen Kamera aufgezeichnet wurden.

„Jeder Lichtstrahl, den irgendein beliebiger Ort einer Kaustik absondert, wird ab einem bestimmten Punkt von dem Schwarzen Loch zu einem hellen Scheitelpunkt fokussiert", erklärte James. „Fast alle Kaustiken schlingen sich—solange die Kamera in der Nähe des Schwarzen Loches ist—mehrfach über den Himmel. Dieser himmlische Umhüllungseffekt beruht auf dem Spin des Schwarzen Lochs, welcher den Raum wie einen Strudel kreisen lässt—ungefähr wie die Luft in einem Tornado. Dabei dehnt sich die Kaustik vielfach um das Schwarze Loch.

Mit dieser Methode stellten die Wissenschaftler nun fest, dass, jedesmal wenn die Kaustik einen Stern streifte, entweder zwei neue Sterne im Kamerabild entstanden oder zwei alte verschwanden. Während die Kamera also nun um das Schwarze Loch kreiste wurden permanent neue Sterne geboren und alte ausgelöscht. Diese Bilder zeigten sich jedoch nur nahe eines schnell rotierenden Schwarzen Lochs.

In den Blockbuster Interstellar floss jedoch nicht nur die geballte wissenschaftliche Akkuratheit ein, hier und da bekam die Astrophysik auch noch ein wenig schmuckes Make Up verpasst. Um die schönen roten Kreise und das elegante Blau zu bekommen, nutzten die Wissenschaftler den Dopplereffekt, welcher für die fantastischen Farbänderungen sorgte. (Den Dopplereffekt kennt jeder von der Tonänderung bei einer sich nähernden Sirene und er lässt sich ebenfalls für Lichtwellen einsetzen.) Nun sah Gargantua farblich besonders hübsch aus und gefiel in dieser Version auch dem Regisseur Christopher Nolan.

Doch nicht jeder fiel auf die Doppler-Trickkiste der Filmcrew herein. Andrew Hamilton von der University of Colorado in Boulder berichtete im​ New Scientist von seiner besonderen Filmrezeption: „Mir fiel sofort auf, dass das Gebilde nicht so aussah wie ein maximal rotierendes Schwarzes Loch." Doch nach der Lektüre des Paper ließ er sich überzeugen. „Mir war überhaupt nicht klar, wie vorsichtig das Interstellar-Team bei seinen Renderings vorgegangen ist."

Christopher Nolan muss ein glücklicher, zufriedener Mann sein. Er schaffte den bewundernswerten Spagat, nicht nur die Filmfans und die Oscarjury, sondern auch die Wissenschaft zu begeistern.