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Ein Schwarzes Loch als dunkler Schatten

Von SIBYLLE ANDERL
Foto: Event Horizon Telescope/dpa

10.04.2019 · Das Event Horizon Telescope hat den „Schatten“ des Schwarzen Lochs der Galaxie M87 abgebildet. Die historische Beobachtung öffnet ein neues Kapitel für die Erforschung dieser extremen kosmischen Objekte.

D as „Event Horizon Telescope“ (EHT) hat das erste Bild des „Schattens“ eines Schwarzen Lochs präsentiert: es zeigt das supermassereiche Schwarze Loch im Zentrum der elliptischen Galaxie M87, die sich in einer Entfernung von rund 54 Millionen Lichtjahren im Virgo-Galaxienhaufen befindet. Auf dem Bild, das im spektralen Radiobereich bei einer Wellenlänge von 1,3 Millimetern aufgenommen wurde, ist um den dunklen „Schatten“ herum eine ringförmige Struktur zu sehen, die im Süden heller erscheint als im Norden, und in verblüffendem Maß den theoretischen Erwartungen entspricht. Der Vergleich der Beobachtung mit Modellen legt nahe, dass das Schwarze Loch von der Erde aus gesehen im Uhrzeigersinn rotiert und eine Masse von rund 6,5 Milliarden Sonnenmassen besitzt.

Historische Entdeckung: Der Schatten des Schwarzen Lochs Video: L. R. Weih & L. Rezzolla (Goethe University Frankfurt)

Die Existenz schwarzer Löcher ergibt sich aus Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie, wie der deutsche Astronom Karl Schwarzschild 1916 erstmalig zeigte. Nach Einstein krümmt Masse die Raumzeit. Sehr kompakte Materie kann eine so starke Raumkrümmung erzeugen, dass nichts -- nicht einmal Licht -- seiner Anziehung mehr entkommen kann, sobald es eine gewisse Grenze, den „Ereignishorizont“, überschritten hat. Unsere Erde würde so zu einem Schwarzen Loch, wenn wir sie auf den Durchmesser eines Zwei-Cent-Stücks zusammenpressten. Heute weiß man, dass stellare, „kleine“, schwarze Löcher am Ende des Lebens massereicher Sterne entstehen wenn diese schließlich unter ihrem eigenen Gewicht kollabieren. Diese stellaren Schwarzen Löcher haben Massen, die einige Dutzend Mal so groß sind wie die unserer Sonne. Sehr viel größere „supermassereiche Schwarze Löcher“ finden sich im Zentrum fast aller Galaxien. Ihre Massen entsprechen der von Millionen oder gar Milliarden von Sonnen. Das Gas, das von ihnen permanent geschluckt wird, bewegt sich in einer Scheibe in das Schwarze Loch hinein. Senkrecht zu dieser Scheibe wird Materie in zwei strahlenförmigen Ausflüssen ausgestoßen. Das beobachtete Schwarze Loch der Galaxie M87 machte bislang insbesondere durch diese „Jets“ spektakulär auf sich aufmerksam.

Das beobachtete Schwarze Loch befindet sich im Zentrum der rund 54 Millionen Lichtjahre entfernten elliptischen Galaxie M87 im Virgo-Galaxienhaufen. Foto: NASA / Hubble Heritage Team (STScl/AURA)
Das Schwarze Loch in M87 macht sich spektakulär durch seine Jets bemerkbar, in denen Materie mit hohen Geschwindigkeiten aus dem Zentrum der Galaxie geschleudert wird. Foto: NASA / Hubble Heritage Team (STScl/AURA)

Die vom EHT aufgenommene Strahlung stammt von Elektronen, die sich im heißen Plasma um das Schwarze Loch bewegen und Synchrotronstrahlung, insbesondere bei Wellenlängen vom Radiobereich bis ins ferne Infrarot, aussenden. Um das Bild des EHT zu verstehen, muss man sich vor Augen führen, dass sich das Licht in der Nähe eines Schwarzen Lochs auf gekrümmten Bahnen bewegt. Bei einem gewissen Abstand vom Schwarzen Loch ist die Krümmung der Lichtpfade so groß, dass sich das Licht auf einer geschlossenen Sphäre bewegt. Dieser Abstand wird als „Photoneneinfangradius“ bezeichnet und ist im einfachsten Fall eines nicht-rotierenden, ungeladenen Schwarzen Lochs etwas fünfmal so groß wie der Ereignishorizont.

Schatten eines Schwarzen Lochs: Die Pfade des Lichts Video: Müller / Pössel (Haus der Astronomie & MPI for Astronomy)

Innerhalb dieses Radius sieht ein entfernter Beobachter Dunkelheit. Die Projektion dieses dunklen Bereiches wird als „Schatten“ bezeichnet, wobei die Projektion selbst wiederum dem Einfluss des Schwarzen Lochs unterworfen ist, das gemäß der Relativitätstheorie wie eine optische Linse fungiert. Genauso wird die Strahlung des Gases der Akkretionsscheibe vom Gravitationsfeld beeinflusst. So ist Gas, das sich hinter dem Schwarzen Loch befindet, oberhalb und unterhalb des Schattens sichtbar (siehe Video), ähnlich wie man es animiert im Film „Interstellar“ sehen konnte. Bei rotierenden Schwarzen Löchern wie dem in M87 hat der Schatten eine kompliziertere Struktur und ist nicht länger kreisförmig, sondern erinnert eher an „D“.

Das Resultat ist aus vielen Gründen bemerkenswert. An seiner Entstehung wirkten acht Observatorien in Nord- und Südamerika, der Antarktis und Europa mit. Auf europäischem Boden nahm das 30-Meter-Teleskop des Instituts für Radioastronomie im Millimeterbereich (Iram) auf dem spanischen Pico Veleta teil, zu dessen Trägerorganisationen die Max-Planck-Gesellschaft zählt. Nach Jahren der Vorbereitung des internationalen Großprojektes wurden im April 2017 die ersten Beobachtungen durchgeführt, die dem nun veröffentlichten Bild zugrunde liegen. Da die empfangene Strahlung bei einer Wellenlänge von 1,3 Millimetern stark von der Erdatmosphäre, und insbesondere von dem dort existierenden Wasserdampf, beeinflusst wird, war dafür an allen Standorten gleichzeitig exzellentes, das heißt absolut trockenes, Wetter notwendig.

Rund um die Welt: Die Standorte der Teleskope Video: Fromm / Rezzolla (Goethe University Frankfurt)

Die angewandte Beobachtungsmethode wird als “Interferometrie” bezeichnet. Dabei werden die Daten mehrerer Teleskope so miteinander kombiniert, dass ein großes Teleskop mit einem Durchmesser simuliert wird, der dem maximalen Abstand zwischen je zweien der teilnehmenden Einzelteleskopen entspricht. Im Fall des EHT resultierte damit ein Teleskop, dessen Durchmesser fast dem der Erde entspricht. Die technisch anspruchsvolle Kombination der Daten wurde zu einem großen Teil vom Bonner Max-Planck-Institut für Radioastronomie übernommen.

Aus mindestens zwei Gründen gilt die Methode der Interferometrie als eine der schwierigsten der Astronomie: Zum einen wird das zu beobachtende Bild — für uns Menschen wenig intuitiv — in Frequenzen zerlegt: großskalige Details entsprechen dabei niedrigen Frequenzen, feine Details hohen. Jedes Paar von Teleskopen ist empfindlich für eine bestimmte dieser Raumfrequenzen. Gleichzeitig, und das ist die eigentliche methodische Herausforderung, können von einem Interferometer nicht alle Frequenzen aufgezeichnet werden. Der Grund liegt anschaulich darin, dass die Fläche des virtuellen Riesenteleskops nur sehr sparsam mit realen Teleskopen bedeckt wird, und damit Information verloren geht. Es ist, als würde man ein Lied auf einem Klavier mit zahlreichen defekten Tasten spielen. Die Aufzeichnung der Beobachtungsdaten ist daher Grundlage einer aufwändigen Datenbearbeitung, die zum Ziel hat, die fehlende Information zu rekonstruieren — in der Analogie: das Lied trotz der fehlenden Töne zu erkennen.

Interferometrie: Wie funktioniert das virtuelle Riesenteleskop? Video: C. M. Fromm, Y. Mizuno & L. Rezzolla (Goethe University Frankfurt) Z. Younsi (University College London)

Diese Aufgabe, dasjenige Bild zu ermitteln, das angesichts der vorliegenden unvollständigen Beobachtungsdaten am wahrscheinlichsten die zugrunde liegende Quelle abbildet, wird von komplexen Algorithmen übernommen. Um die hierbei auftretenden Unsicherheiten zu verstehen, hat das aus dreizehn Partnerorganisationen bestehende EHT-Konsortium viele verschiedene Varianten der Bilderzeugung durchgespielt: vier verschiedene Gruppen von Astronomen leiteten voneinander unabhängig aus den Rohdaten das resultierende Bild ab, außerdem erstellte eine automatisierte Prozedur eine große Zahl von Bildern mithilfe verschiedener Software-Pakete und leicht voneinander abweichender Einstellungen. Das Resultat: der beobachtete asymmetrische Ring ist weitgehend unabhängig von Details der Datenbearbeitung. Das Bild des Schattens erscheint somit zuverlässig.

Bei der Interpretation des Bildes kommt schließlich komplexe theoretische Modellierung zum Einsatz, die zeigt, wie sich verschiedene Eigenschaften des supermassereichen Schwarzen Lochs jeweils auf seine beobachtbare Erscheinung auswirken. Eine Vielzahl solcher Modelle wurden unter Leitung von Luciano Rezzolla an der Goethe-Universität Frankfurt entwickelt. Er und sein Team sind Teil des Projektes „BlackHoleCam“, das durch den Europäischen Forschungsrat gefördert wird und als weitere Partner die Radboud University Nijmegen und das MPIfR umfasst. Der Vergleich der Beobachtung mit Simulationen wie denen aus Frankfurt ermöglichte, die Eigenschaften des Schwarzen Loch im Zentrum der elliptischen Galaxie M87 einzugrenzen. Rezzolas Projekt stellt außerdem Modelle bereit, mit denen ausgeschlossen werden soll, dass etwas anderes als ein Schwarzes Loch - ein anderes kompaktes Objekt wie beispielsweise ein exotischer Bosonenstern - der Beobachtung zugrunde liegen könnte. „Theoretiker sind gut darin, für alles alternative Erklärungen zu finden. Unsere Aufgabe hier in Frankfurt ist gewissermaßen, die bizarrsten Alternativen auszuräumen“, erklärt Rezzolla gegenüber der F.A.Z.

Diese Simulation zeigt die Akkretionsscheibe des in das Loch stürzenden Gases. Blau dargestellt sind die zur Scheibe senkrecht stehenden Jets, in denen Gas mit hohen Geschwindigkeiten abgestoßen wird. L.R. Weih, L. Rezzolla / Goethe Universität Frankfurt
Das EHT-Konsortium hat eine große Zahl solcher Modelle berechnet, um auf dieser Grundlage „synthetische“ Beobachtungen zu simulieren, mit denen die tatsächliche Beobachtung verglichen werden kann. L.R. Weih, L. Rezzolla / Goethe Universität Frankfurt

Die Möglichkeit, Schwarze Löcher im Zentrum von Galaxien direkt zu beobachten, öffnet der Astronomie ein neues Fenster für das Studium dieser extremen Objekte, das sich komplementär zu bestehenden Methoden verhält. Luciano Rezzolla beschreibt diese Komplementarität analog zum Unterschied zwischen den Tätigkeiten des Fischens und des Jagens: „Wenn man fischen geht, legt man das größtmögliche Netz aus. Man weiß nicht, was man fangen wird. Vielleicht etwas, das man noch nie gesehen hat, vielleicht auch gar nichts. So funktioniert die Suche mit Gravitationswellen. Wir aber sind wie Jäger. Wir kennen unsere Beute und beobachten sie immer wieder.“ So würde sich das erlangte Verständnis immer weiter verfeinern. Beim Fischen hingegen sei die Arbeit abgeschlossen, sobald der Fang einholt ist. Dazu kommt, dass die Objekte, auf die beide Methoden jeweils ansprechen, sehr verschieden sind: Gravitationswellen weisen die Kollision „leichter“ stellarer Schwarze Löcher nach, während die direkt beobachteten supermassereichen Schwarzen Löcher eine millionen- bis milliardenfache Masse besitzen. Es ist ein weiteres wichtiges Ergebnis der EHT-Beobachtung, dass die Vorhersagen der Allgemeinen Relativitätstheorie tatsächlich für Schwarze Löcher völlig unterschiedlicher Masse gelten. Der EHT-Pilotstudie werden nun weitere Beobachtungen mit einem weiter ausgebauten Netz von Teleskopen folgen. So wurde beispielsweise das Noema-Observatorium in den französischen Alpen bei Grenoble ins EHT aufgenommen. Für die Astronomen hat die Arbeit mit der heute bekannt gegebenen Entdeckung erst begonnen: Schwarze Löcher halten mit Sicherheit noch einige Überraschungen bereit.


Quelle: F.A.Z.