Schwarzes Loch der Milchstraße

Wie schwierig es ist, einen Ring abzubilden

Von Sibylle Anderl
15.05.2022
, 10:07
Viele Darstellungen eines unruhigen Schwarzen Lochs: Für die Erstellung des ersten Bildes von Sagittarius A* war die Berechnung vieler Modelle nötig.
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Es klang wie ein aussichtsloses Projekt, aber die Astronomen glaubten daran. Zu Recht: Nun gibt es ein Bild des Schwarzen Lochs im Zentrum der Milchstraße.
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Auch den Wissenschaftlern war anzumerken, wie emotional und mit wie viel Aufregung verbunden diese Bekanntgabe war, die von der Europäischen Südsternwarte ESO als „bahnbrechendes Ergebnis des Event Horizon Telescope Projekts“ für den Donnerstag, 15 Uhr, angekündigt worden war. Aus ganz Europa waren sie im Eridanus-Saal der ESO-Zentrale in Garching zusammengekommen, um dort zu präsentieren, was mehr als dreihundert Wissenschaftler aus über 20 Ländern in jahrelanger Arbeit und nach jahrzehntelanger Vorbereitung gemeinsam geschafft hatten. Am Vortag hatte es unter striktem Ausschluss der Öffentlichkeit eine Generalprobe gegeben, denn das Timing, das Wissenschaftler sonst gerne einmal aus den Augen verlieren, war diesmal sehr wichtig: Auf der ganzen Welt waren Pressekonferenzen angekündigt, und das Ergebnis, ein astronomisches Bild, sollte überall genau gleichzeitig auf den Leinwänden erscheinen.

Für 15.07 Uhr war die Veröffentlichung angekündigt. Kurz vorher begann ein Zoom auf unsere Milchstraße, zuerst noch in optischer Ansicht, dann orange entflammt bei infraroten Wellenlängen, die den Blick ins Zentrum der Galaxie freigaben, dort immer tiefer hinein in seine merkwürdigen verschlungenen Strukturen, in die schwarze Leere, wo es schließlich auftauchte: das erste Bild von Sagittarius A*, dem supermassereichen Schwarzen Loch im Zentrum der Milchstraße.

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© Radboud University

Im ausgiebigen Applaus der anwesenden Wissenschaftler und Pressevertreter kam neben dem Respekt vor dieser bedeutsamen wissenschaftlichen Leistung wohl bei nicht wenigen auch Erleichterung zum Ausdruck und das Gefühl, nun endlich einen ganz wichtigen Meilenstein erreicht zu haben. Denn ein Bild von Sagittarius A*, kurz Sgr A*, aufzunehmen, war das erste und eigentliche Ziel der Wissenschaftler vom Event Horizon Telescope (EHT) gewesen.

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Wie ein Tennisball auf dem Mond

Dass es 2019 trotzdem ein anderes Schwarzes Loch war, das auf dem historischen ersten Bild eines Schwarzen Lochs überhaupt zu sehen gewesen war, hatte praktische Gründe gehabt. Das damals gezeigte Objekt im Herzen der elliptischen Galaxie M87 ist zwar zweitausendmal weiter entfernt als Sgr A*. Dafür ist es um einen Faktor 1500 massereicher. Am Himmel erscheinen beide Schwarzen Löcher demnach etwa gleich groß – so groß wie ein Tennisball auf dem Mond. Größere Schwarze Löcher sind allerdings steter und verändern sich weniger schnell.

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Genau das hatte die Beobachtung von M87* im Vergleich zu Sgr A* zu einem deutlich einfacheren Unterfangen gemacht. Sobald sich das auch in den 1,3-Millimeter-Daten aus der Messkampagne von 2017 bestätigte, war die Entscheidung klar: „Machen wir erst mal M87, entwickeln die Methoden und zeigen, dass wir es können“, erinnert sich Anton Zensus, Gründungsdirektor des EHT und Direktor am Bonner Max-Planck-Institut für Radioastronomie. Es sei aber immer klar gewesen: Sgr A* ist das „Physiklabor“, die Quelle also, für die so viele komplementäre Daten vorliegen, dass man wirklich interessante Forschungsfragen bearbeiten kann. M87 sei auch eine tolle Galaxie, aber die Priorität habe immer Sagittarius A* gehabt.

Der Schatten eines Schwarzen Lochs entsteht durch Lichtstrahlen (gelb), die vom Schwerefeld um das Loch herumgelenkt werden. Sie schließen den Schatten (roter Doppelpfeil) ein.
Der Schatten eines Schwarzen Lochs entsteht durch Lichtstrahlen (gelb), die vom Schwerefeld um das Loch herumgelenkt werden. Sie schließen den Schatten (roter Doppelpfeil) ein. Bild: F.A.Z. Grafik Piron/Kaiser

Tatsächlich war bereits während der Pressekonferenz und noch viel mehr in persönlichen Gesprächen mit den Wissenschaftlern deutlich zu spüren, dass Sgr A* uns nicht nur physikalisch näher ist. Der ESO-Generaldirektor Xavier Barcons erinnerte daran, dass die Kernmotivation der ESO dafür, ihre Teleskope auf der Südhalbkugel zu stationieren, das Studium des Zentrums unserer Galaxie gewesen sei. EHT-Projektdirektor Huib Jan van Langevelde berichtete, wie er als Student von der „mysteriösen Radioquelle Sgr A*“ fasziniert wurde und in eigenen Beobachtungen immer nur verschwommene Aufnahmen vom Zentrum der Milchstraße zu sehen bekam – zwischen uns und der Quelle befindet sich interstellares Gas, das Strahlung streut und Bilder verschmiert, ein zweiter Faktor neben der Variabilität, der es im Vergleich zu M87* schwerer macht, Sgr A* zu beobachten.

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Ein Nobelpreisträger im Publikum

Mit Reinhard Genzel vom Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik saß im Publikum sogar ein Nobelpreisträger, der 2020 für die Erforschung von Sgr A* ausgezeichnet worden war. Und auch Heino Falcke von der Radboud-Universität, dem 2019 die Ehre zuteilgeworden war, das erste Bild des EHT in Brüssel öffentlich vorstellen zu dürfen, bekannte im Gespräch: „Für mich hat alles mit dem Zentrum der Milchstraße angefangen. Es war für mich der wahre Höhepunkt und auch ein Abschluss von mehr als 25 Jahren Arbeit, das Ergebnis dann auch auf dem Bildschirm sehen zu können, mit allen zusammen.“

Von der Erde aus gesehen fast gleich groß: der Schatten des zentralen Schwarzen Lochs in der Galaxie M87 (links) und in der Milchstraße (rechts).
Von der Erde aus gesehen fast gleich groß: der Schatten des zentralen Schwarzen Lochs in der Galaxie M87 (links) und in der Milchstraße (rechts). Bild: EHT Collaboration

Heino Falcke ist einer der Astronomen, ohne den nicht nur das Bild von Sgr A*, sondern wohl auch das EHT nie entstanden wäre. Sein Artikel mit dem Titel „Viewing the Shadow of the Black Hole at the Galactic Center“ aus dem Jahr 2000, den er damals mit zwei Kollegen geschrieben hatte, war Grundlage für die Idee, Teleskope auf der ganzen Welt zusammenzuschalten, um Sgr A* sichtbar zu machen. Im Artikel heißt es, der Schatten von Sgr A* sei bei Submillimeter-Wellenlängen beobachtbar, wenn man eine Methode anwendet, die etwas umständlich als „Interferometrie mit langen Basislängen“ (VLBI) bezeichnet wird. Die Idee: Man kombiniert die Daten weit auseinanderstehender Teleskope so miteinander, dass man ein Teleskop simuliert, dessen Größe dem Abstand der Teleskope entspricht. Und je größer ein Teleskop, desto feinere Details kann es am Himmel auflösen.

Die Kombination – oder genauer: Korrelation – der Daten ist technisch aber extrem anspruchsvoll, weil sie höchste Präzision erfordert. Die Standorte der Observatorien müssen dafür millimetergenau bekannt sein und der Zeitpunkt der Beobachtungen mit Atomuhren bestimmt werden. Wenn man es aber auf diese Weise schafft, wie beim EHT Teleskope auf der gesamten Erde zu nutzen, erhält man ein virtuelles Teleskop, das in der Lage ist, Tennisbälle auf dem Mond zu sehen oder eben den Schatten des Schwarzen Lochs.

Der Teleskopverbund „Atacama Large Millimeter Array“, kurz ALMA, in Chile ist Teil der EHT-Kollaboration.
Der Teleskopverbund „Atacama Large Millimeter Array“, kurz ALMA, in Chile ist Teil der EHT-Kollaboration. Bild: dpa

Der Begriff „Schatten“ sorgte bereits vor drei Jahren für Verwirrungen. Die eigentliche Größe eines Schwarzen Lochs ist durch seinen Ereignishorizont definiert, jenseits dessen keine Information aus dem Loch mehr nach außen dringen kann. Bei Sagittarius A* hat der einen Durchmesser von 15 Millionen Kilometern, was einer Größe von 12 Mikrobogensekunden am Himmel entspricht – auf dem Mond wären das etwas mehr als zwei Zentimeter, ein erdgroßes Teleskop würde das nicht erkennen können. Falcke verstand aber, dass die Gravitation eines rotierenden Schwarzen Lochs die Bahnen des Lichts derart verbiegt, dass der Bereich, aus dem kein Licht mehr den Beobachter erreicht, deutlich größer erscheint. Durch diesen Effekt wird der Schatten beobachtbar.

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Das Problem der verlorenen Information

Die Methode der Interferometrie ist allerdings mit einem Problem verbunden: Im Vergleich zu einem tatsächlich erdgroßen Teleskop besitzen die als Interferometer kombinierten Teleskope eine viel kleinere Fläche, um Strahlung aufzufangen. Dort, wo keine Teleskope stehen, geht Information über die Quelle verloren – auch wenn dieser Effekt ein Stück weit dadurch kompensiert wird, dass sich die Teleskope per Erddrehung unter der Quelle hindurchbewegen. Letzteres begründet die Notwendigkeit langer Beobachtungszeiten.

Von den Daten zum fertigen Bild ist es daher ein schwieriger Weg. Wenn man die Erde mit Teleskopen pflastern würde, wäre eine einzige mathematische Operation, eine Fourier-Transformation, ausreichend, um zu einem zuverlässigen Bild zu kommen. Im von großen Lücken dominierten Fall sind aber komplexe iterative Algorithmen notwendig, die aus den gegebenen Daten ein wahrscheinliches – mit den Daten kompatibles und zugleich physikalisch plausibles – Bild rekonstruieren. Bei M87* hatte das schon gut funktioniert. Verschiedene Gruppen hatten die Daten unabhängig voneinander und mit verschiedenen Methoden bearbeitet. Herausgekommen war trotzdem immer ein Ring.

2019 hatte der Astronom Heino Falcke in Brüssel das erste Bild eines Schwarzen Lochs präsentiert.
2019 hatte der Astronom Heino Falcke in Brüssel das erste Bild eines Schwarzen Lochs präsentiert. Bild: EPA

Bei Sgr A* gab es nun zusätzliche Herausforderungen. Wie bei M87* mussten die Daten zunächst auf Festplatten an zwei Orten zusammengeführt werden. Bei Sgr A* dauerte das etwas länger als bei M87*, denn beteiligt war hieran auch das South Pole Telescope. Von dort konnten die Daten nach den Beobachtungen im April erst geholt werden, als der südhemisphärische Winter vorbei war. Die Messdaten – insgesamt mehr als 3,5 Petabyte, was etwa 100 Millionen Tiktok-Videos entspricht – wurden dann am Max-Planck-Institut in Bonn und am Haystack Observatory des MIT korreliert und anschließend kalibriert, also auf Atmosphäreneffekte und Fehler der internen Kalibration der Teleskope hin korrigiert. Anders als bei M87* mussten dann im nächsten Schritt der Bildverarbeitung aber nicht nur fehlende Informationen kompensiert werden. Die große Herausforderung bei Sgr A* war, dass zusätzlich der Tatsache Rechnung getragen werden musste, dass die Quelle sich während der achtstündigen Beobachtungszeit fortwährend veränderte.

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Intensive Nutzung von Modellen

Für dieses Problem – in der Analogie der Wissenschaftler: von einem Kleinkind mit einer mehrstündigen Belichtung ein scharfes Foto zu machen – mussten ganz neue Verfahren entwickelt werden. Der Ansatz: ein sehr viel engeres Zusammenspiel von Datenbearbeitung und Modellierung der Quelle als noch bei M87*. Um einen Eindruck der Helligkeitsschwankungen der Quelle zu bekommen, wurde Sgr A* parallel zur Messkampagne bei anderen Wellenlängen beobachtet. Diese Informationen wurden in ein Variabilitätsmodell umgesetzt, das wiederum in theoretische Modelle eingespeist wurde, die ganz unterschiedliche Morphologien der Quelle annahmen: etwa Ringe, Scheiben oder Doppelquellen. Außerdem wurden aufwendigere zeitabhängige physikalische Modelle der Quelle gerechnet. All das wurde dann im Prozess der Bildverarbeitung genutzt, um zu sehen, ob sich die Informationslücken den Modellen gemäß schließen ließen.

Die Teleskope des EHT sind auf der gesamten Erde verteilt, hier die acht 2017 beteiligten Observatorien, von denen zwei auf Hawaii nicht sichtbar sind.
Die Teleskope des EHT sind auf der gesamten Erde verteilt, hier die acht 2017 beteiligten Observatorien, von denen zwei auf Hawaii nicht sichtbar sind. Bild: EHT

Die zeitabhängige Modellierung der Gesamtdaten war aber nur eine Strategie. Bei der anderen wurde die Bildverarbeitung auf Teilsegmente der Daten angewendet. Letzteres lieferte jeweils zeitliche Momentaufnahmen der Quelle. Das Ergebnis: Tausende Bilder der Quelle, jeweils beeinflusst durch die eingehenden Methoden und Annahmen. Um von dort zu einem zuverlässigen und möglichst robusten Bild zu gelangen, wurden diese vielen Bilder schließlich gemittelt. Die Merkmale, die sich dabei schließlich durchsetzen, können als belastbar angesehen werden. „In einem sehr großen Teil der Fälle war diese Struktur tatsächlich ringartig“, erklärt Anton Zensus. Nur ein sehr kleiner Teil der Bilder zeigte andere Morphologien. Die Wissenschaftler überzeugte das. „Wir haben das ausgiebig getestet und sind uns sehr sicher: Ja, es ist ein Ring“, sagt Heino Falcke.

Der Schatten von Sgr A* ist nun also sichtbar gemacht. Für die Wissenschaftler ist das nur der erste Schritt. Nun heißt es, die Daten für wissenschaftliche Analysen zu nutzen und vor allem auch: neue Bilder zu erzeugen. Das EHT hat auch 2018, 2021 und 2022 weiter beobachtet. Mittlerweile greift das Netzwerk auf elf Observatorien zurück. In Europa ist das NOEMA-Interferometer in den französischen Alpen als zweiter Standort neben dem spanischen 30-Meter-Teleskop dazugekommen, beide betrieben vom Institut für Radioastronomie im Millimeterbereich, an dem die Max-Planck-Gesellschaft zentral beteiligt ist.

Auf die EHT-Wissenschaftler wartet viel Arbeit. Und auch vielen anderen Astronomen liefert das Ergebnis neue Impulse. Nach der Pressekonferenz waren in der Nähe der ESO noch längere Zeit Gruppen intensiv diskutierender Astrophysiker zu sichten. Es sei natürlich vieles auf der Pressekonferenz nicht erklärt worden und noch ein paar Dinge unklar, war zu vernehmen. Schuldig gebliebene Details finden sich in den sechs Forschungsartikeln, die parallel zur Pressekonferenz in den Astrophysical Journal Letters veröffentlicht wurden. Mit den insgesamt 261 Seiten wird es am Wochenende sicherlich niemandem langweilig werden, der sich für Schwarze Löcher interessiert.

Quelle: F.A.S.
Autorenbild/ Sybille Anderl
Sibylle Anderl
Redakteurin im Feuilleton, zuständig für das Ressort „Natur und Wissenschaft“.
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