Erster direkter visueller Beweis – ringförmiges Muster wie bei M87* – Theoretische Physiker der Goethe-Universität entscheidend bei Interpretation der Daten beteiligt
Astronom:innen veröffentlichen heute das erste Bild des supermassiven Schwarzen Lochs im Zentrum unserer Milchstraße. Damit zeigen sie auf einzigartige Weise, dass es sich bei dem Objekt tatsächlich um ein Schwarzes Loch handelt. Gleichzeitig geben die Forschungsergebnisse wertvolle Hinweise auf die Funktionsweise solcher supermassiver Schwarzen Löcher, die sich wahrscheinlich in den Zentren der meisten Galaxien befinden. Das Bild wurde von der internationalen Forschungskollaboration „Event Horizon Telescope (EHT)“ gemacht mit Daten eines weltumspannenden Netzes von Radioteleskopen. Theoretische Physiker der Goethe-Universität Frankfurt waren entscheidend bei Interpretation der Daten beteiligt.
FRANKFURT.
Bereits vor einiger Zeit beobachteten Wissenschaftler:innen im Zentrum unserer
Milchstraße Sterne, die etwas Unsichtbares, Kompaktes und sehr Massives
umkreisen. Dies deutete stark darauf hin, dass dieses unsichtbare Objekt –
bekannt als (Sgr A*, englisch ausgesprochen als „Sadge-ay-star“) ein Schwarzes
Loch ist. Das lange erwartete und heute veröffentlichte Bild liefert den ersten
direkten visuellen Beweis dafür, dass es sich bei dem Objekt tatsächlich um ein
Schwarzes Loch handelt.
Obwohl wir das Schwarze Loch selbst nicht sehen können – es ist
absolut dunkel – leuchtet das Gas um es herum auf charakteristische Weise: Das
Bild von Sgr A* zeigt eine dunkle zentrale Region, den Schatten des Schwarzen
Lochs, der von einem hellen, ringförmigen Muster umgeben ist. Dies ist das
Licht, das durch die ungeheure Schwerkraft des Schwarzen Lochs abgelenkt wird –
das Schwarze Loch hat vier Millionen Mal so viel Masse wie unsere Sonne.
„Wir waren verblüfft, wie gut die Größe des Rings mit den
Vorhersagen von Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie übereinstimmt“, sagt
EHT-Projektwissenschaftler Geoffrey Bower vom Institut für Astronomie und
Astrophysik der Academia Sinica in Taipeh. „Diese beispiellosen Beobachtungen
haben unser Verständnis dessen, was im Zentrum unserer Galaxie geschieht,
erheblich verbessert und bieten neue Erkenntnisse darüber, wie diese riesigen
Schwarzen Löcher mit ihrer Umgebung in Verbindung stehen.“
Das Schwarze Loch Sgr A* ist 27.000 Lichtjahre von der Erde
entfernt. Am Himmel erscheint es uns daher etwa so groß wie ein Donut auf dem
Mond. Um ein Bild dieses Schwarzen Lochs zu machen, verbanden das
EHT-Wissenschaftsteam acht Radioteleskope auf der ganzen Erde miteinander zu
einem virtuellen Riesenteleskop von der Größe der Erde: dem „Event Horizon
Telescope (EHT)“ [1]. Mit dem EHT beobachteten sie Sgr A* über mehrere Nächte
hinweg und sammelten viele Stunden lang Daten, ähnlich wie bei einer langen
Belichtungszeit mit einer Kamera.
Die
gewaltigen Mengen an Daten, die aus den Beobachtungen gewonnen wurden, mussten
physiktheoretisch interpretiert werden – eine Aufgabe, der sich ein
Forschungsteam um den theoretischen Astrophysiker Luciano Rezzolla von der
Goethe-Universität Frankfurt widmete. Die Forscher:innen simulierten in
Supercomputern anhand der bekannten Informationen über Sgr A*, wie ein
Schwarzes Loch in einer Betrachtung durch das EHT aussehen könnte. Auf diese
Weise generierten die Wissenschaftler:innen Millionen verschiedener Bilder. Die
Bilddatenbank verglichen sie mit den Tausenden verschiedenen Bildern, die aus
den EHT-Beobachtungen gewonnen wurden, und konnten daraus die Eigenschaften von
Sgr A* ableiten.
Das
Bild von Sgr A* ist das zweite Bild eines Schwarzen
Lochs, das von der EHT-Kollaboration veröffentlicht wird. Das erste Bild eines
Schwarzen Lochs zeigten die Wissenschaftler:innen 2019, es handelte sich um
M87* im Zentrum der 55 Millionen Lichtjahre entfernten Galaxie Messier 87.
Die beiden Schwarzen Löcher sehen sich sehr ähnlich, obwohl das
Schwarze Loch im Zentrum unserer Galaxie mehr als tausendmal kleiner und
weniger Masse hat als M87* [2]. „Wir haben zwei völlig unterschiedliche Arten
von Galaxien und zwei sehr unterschiedliche Massen von Schwarzen Löchern, aber
in der Nähe des Randes dieser Schwarzen Löcher sehen sie sich verblüffend
ähnlich“, sagt Sera Markoff, Co-Vorsitzende des EHT-Wissenschaftsrats und
Professorin für theoretische Astrophysik an der Universität von Amsterdam in
den Niederlanden. „Das
sagt uns, dass die Allgemeine Relativitätstheorie im Nahbereich für diese
Objekte dominiert und alle Unterschiede, die wir in größerer Entfernung sehen,
auf Abweichungen im Material zurückzuführen sein müssen, das die Schwarzen
Löcher umgibt.“
Obwohl Sgr A* viel näher an der Erde liegt als M87*, war die
Erstellung des Bildes erheblich schwieriger. Der EHT-Wissenschaftler Chi-kwan
('CK') Chan vom Steward Observatory und dem Department of Astronomy und dem
Data Science Institute der University of Arizona, USA, erklärt: „Das Gas in der
Nähe der Schwarzen Löcher bewegt sich mit der gleichen Geschwindigkeit – fast
so schnell wie das Licht – sowohl um Sgr A* als auch um M87*. Aber während das
Gas Tage bis Wochen braucht, um das größere M87* zu umkreisen, vollendet es
eine Umkreisung um das viel kleinere Sgr A* in nur wenigen Minuten. Das
bedeutet, dass sich die Helligkeit und das Muster des Gases um Sgr A* schnell
änderten, während die EHT Collaboration es beobachtete – ein bisschen wie der
Versuch, ein klares Bild von einem Welpen zu machen, der schnell seinem Schwanz
nachjagt.“
Die Forscher:innen mussten wegen der Gaswolken, die sich um Sgr A*
herumbewegen, ausgeklügelte neue Technologien entwickeln: Denn im Gegensatz zu
M87*, wo alle Bilder nahezu gleich aussahen, waren die von Sgr A* sehr
unterschiedlich. Das heute veröffentlichte Schwarze Loch von Sgr A* stellt
daher eine Art Durchschnitt dieser unterschiedlichen Bilder dar.
Dies war nur durch die gemeinsame Arbeit von mehr als 300
Forscherinnen und Forschern aus 80 Instituten auf der ganzen Welt möglich, die
die EHT-Kollaboration bilden.
Fünf Jahre lang entwickelten sie neue Technologien zur Erstellung des Sgr
A*-Bildes, analysierten mit Supercomputern die Daten und stellten eine bislang
beispiellose Datenbank simulierter Schwarzer Löcher zusammen, um diese mit
ihren Beobachtungen zu vergleichen.
Luciano
Rezzolla, Professor für Theoretischer Astrophysik an der Goethe-Universität
Frankfurt, erläutert: „Masse und Entfernung des Objekts waren bereits vor
unseren Untersuchungen sehr präzise bekannt. Daher konnten wir anhand der Größe
des Schattens ausschließen, dass es sich bei Sgr A* um ein anderes kompaktes
Objekt wie zum Beispiel einen Bosonenstern oder ein Wurmloch handelt und
schlussfolgern: ‚Was wir sehen, sieht definitiv wie ein Schwarzes Loch aus!'“
Die
Frankfurter Physiktheoretiker nutzten fortgeschrittene numerische Codes und
führten umfangreiche Berechnungen durch, um die Eigenschaften des Plasmas zu
bestimmen, das vom Schwarze Loch aufgesaugt wird (Akkretion). Rezzolla: „Wir
haben drei Millionen synthetischer Bilder errechnet mit unterschiedlichen
Akkretions- und Strahlungsemissionsmodellen. Außerdem haben wir Varianten
berücksichtigt, die durch unterschiedliche Betrachtungswinkel des Schwarzen
Lochs zustande kommen.“
Letzteres
war nötig, weil sich das Bild eines Schwarzen Loch radikal ändern kann, je
nachdem, aus welchem Winkel es betrachtet wird. „Unsere beiden Bilder von Sgr
A* und M87* sind auch deshalb sehr ähnlich, weil wir aus einem nahezu
identischen Blickwinkel auf die beiden Schwarzen Löcher sehen“, sagt Rezzolla.
„Um
zu verstehen, wie das EHT ein Bild von Sgr A* produziert hat, kann man sich zum
Beispiel ein Foto von einem Berggipfel vorstellen, das auf Basis eines
Zeitrafferfilms erstellt werden soll“, meint Rezzolla. „Im Zeitrafferfilm wird
der Gipfel die meiste Zeit über sichtbar sein, aber immer wieder wird er auch
von Wolken verdeckt. Wenn man aus den vielen Einzelbildern ein
Durchschnittsbild macht, ist der Gipfel allerdings deutlich zu sehen. Ähnlich ist
es bei Sgr A*: Die Daten des EHT haben zu tausenden von Bildern geführt, die
aufgrund ihrer Merkmale in vier Klassen gruppiert wurden, aus denen jeweils
Durchschnittsbilder errechnet wurden. Das Endergebnis ist das erste deutliche
Bild des Schwarzen Lochs im Zentrum der Milchstraße.“
Dass
nunmehr Bilder von zwei Schwarzen Löchern sehr unterschiedlicher Größe vorliegen, ermöglicht es den Forschenden,
Unterschiede und Gemeinsamkeiten zwischen den Schwarzen Löchern zu verstehen.
Die Forschenden testen mit den neuen Daten bereits Theorien und Modelle, um
besser vorhersagen zu können, wie sich Gas in der Umgebung supermassereicher
Schwarzer Löcher verhält. Man nimmt an, dass dieser Prozess eine Schlüsselrolle
bei der Entstehung und Entwicklung Galaxien spielt.
„Jetzt können wir die Unterschiede zwischen diesen beiden
supermassereichen Schwarzen Löchern untersuchen, um wertvolle neue Erkenntnisse
darüber zu gewinnen, wie dieser wichtige Prozess funktioniert“, sagt
EHT-Wissenschaftler Keiichi Asada vom Institut für Astronomie und Astrophysik
der Academia Sinica in Taipeh. „Wir haben Bilder von zwei Schwarzen Löchern –
eines am oberen und eines am unteren Ende der supermassereichen Schwarzen
Löcher im Universum – so dass wir bei der Untersuchung des Verhaltens der
Schwerkraft in diesen extremen Umgebungen viel weiter vorankommen können als
jemals zuvor.“
Die Forschungen mit dem EHT gehen weiter: Eine große
Beobachtungskampagne im März 2022 schloss mehr Teleskope ein als je zuvor. Die
laufende Erweiterung des EHT-Netzwerks und bedeutende technologische Upgrades
werden es Wissenschaftler:innen ermöglichen, bald weitere eindrucksvolle
Bilder sowie Filme von Schwarzen Löchern zu machen.
Eine
Reihe von Wissenschaftler:innen sind im Rahmen der EHT-Kollaboration mit der
Goethe-Universität Frankfurt assoziiert. Zusammen mit Prof. Luciano Rezzolla
haben Dr. Alejandro Cruz Orsorio. Dr. Prashant Kocherlakota und Kotaro Moriyama
sowie Prof. Mariafelicia De Laurentis (Universität Neapel), Prof. Christian
Fromm (Universität Würzburg), Prof. Roman Gold (Universität Süd-Dänemark), Dr.
Antonios Nathanail (Universität Athen), und Dr. Ziri Younsi (University College
London) wesentliche Beiträge zur theoretischen Forschung in der
EHT-Kollaboration geleistet.
Die
Arbeiten wurden vom European Research Council unterstützt.
Fußnoten
[1] Die einzelnen Teleskope, die im April 2017, als die
Beobachtungen durchgeführt wurden, am EHT beteiligt waren, sind: das Atacama
Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), das Atacama Pathfinder EXperiment
(APEX), das IRAM 30-Meter-Teleskop, das James Clerk Maxwell Teleskop (JCMT),
das Large Millimeter Telescope Alfonso Serrano (LMT), das Submillimeter Array
(SMA), das UArizona Submillimeter Telescope (SMT), das South Pole Telescope
(SPT). Seitdem hat das EHT das Grönland-Teleskop (GLT), das NOrthern Extended
Millimeter Array (NOEMA) und das 12-Meter-Teleskop der UArizona auf dem Kitt
Peak in sein Netzwerk aufgenommen.
ALMA ist eine Partnerschaft zwischen der Europäischen
Südsternwarte (ESO; Europa, stellvertretend für seine Mitgliedsstaaten), der
U.S. National Science Foundation (NSF) und den National Institutes of Natural
Sciences (NINS) von Japan, zusammen mit dem National Research Council (Kanada),
dem Ministerium für Wissenschaft und Technologie (MOST; Taiwan), dem Academia
Sinica Institute of Astronomy and Astrophysics (ASIAA; Taiwan) und dem Korea
Astronomy and Space Science Institute (KASI; Republik Korea), in Zusammenarbeit
mit der Republik Chile. Das gemeinsame ALMA-Observatorium wird von der ESO, der
Associated Universities, Inc./National Radio Astronomy Observatory (AUI/NRAO)
und dem National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ) betrieben. APEX, eine
Zusammenarbeit zwischen dem Max-Planck-Institut für Radioastronomie
(Deutschland), dem Onsala Space Observatory (Schweden) und der ESO, wird von
der ESO betrieben. Das 30-Meter-Teleskop wird von IRAM betrieben (die
IRAM-Partnerorganisationen sind MPG [Deutschland], CNRS [Frankreich] und IGN
[Spanien]). Das JCMT wird von der Ostasiatischen Sternwarte im Auftrag des
Nationalen Astronomischen Observatoriums von Japan, der ASIAA, der KASI, des
Nationalen Astronomischen Forschungsinstituts von Thailand, des Zentrums für
astronomische Megawissenschaften und von Organisationen in Großbritannien und
Kanada betrieben. Das LMT wird von INAOE und UMass betrieben, das SMA wird vom
Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian und ASIAA betrieben und das
UArizona SMT wird von der Universität von Arizona betrieben. Das SPT wird von
der Universität von Chicago betrieben, wobei die Universität von Arizona spezielle
EHT-Instrumente bereitstellt.
Das Greenland Telescope (GLT) wird von der ASIAA und dem
Smithsonian Astrophysical Observatory (SAO) betrieben. Das GLT ist Teil des
ALMA-Taiwan-Projekts und wird zum Teil von der Academia Sinica (AS) und MOST
unterstützt. NOEMA wird von IRAM betrieben und das 12-Meter-Teleskop auf dem
Kitt Peak wird von der University of Arizona betrieben.
[2] Schwarze Löcher sind die einzigen uns bekannten Objekte, bei
denen die Masse mit der Größe skaliert. Ein Schwarzes Loch, das tausendmal
kleiner ist als ein anderes, ist auch tausendmal weniger massereich.
Publikationen:
First Sagittarius A* Event Horizon Telescope Results. I. The Shadow of
the Supermassive Black Hole in the Center of the Milky Way. Astropysical
Journal Letters (2022), DOI: 10.3847/2041-8213/ac6674 https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ac6674
Alle 10 Publikationen in den Astrophysical Journal Letters:
Event Horizon Telescope Collaboration,
Astrophysical Journal Letters (2022)
https://iopscience.iop.org/journal/2041-8205/page/Focus_on_First_Sgr_A_Results
Bilder zum Download:
https://www.uni-frankfurt.de/119021712
1) EHT_PR_Main_Image_Original.tiff
Schwarzes Loch Sgr A*
Das erste Bild des Schwarzen Lochs im Zentrum der Milchstraße:
Sagittarius A*. Bild: EHT-Kollaboration
2)
Simulation_AccretionDisk_SgrAStar.png
Simulation der Akkretionsscheibe um das Schwarze Loch Sgr A*
Das
Bild zeigt ein Beispiel dafür, wie das Gas um das Schwarze Loch im Zentrum
unserer Milchstraße herumwirbelt und Radiowellen von 1,3 Millimeter Länge
emittiert. Bild: Younsi, Fromm, Mizuno & Rezzolla
(University College London, Goethe University Frankfurt)
3)
EHT_PR_Secondary_Image.tiff
Wie das erste Bild von Sgr A* gemacht wurde
Das
einzelne Bild (oberes Bild) des supermassereichen schwarzen Lochs Sagittarius
A* wurde erstellt, indem die Bilder aus den EHT-Beobachtungen kombiniert
wurden. Das Hauptbild wurde durch die Mittelung von Tausenden von Bildern
erstellt, die mit verschiedenen Berechnungsmethoden erstellt wurden - die alle
genau zu den EHT-Daten passten. Dieses gemittelte Bild enthält Merkmale, die in
den verschiedenen Bildern häufiger zu sehen sind, und unterdrückt Merkmale, die
seltener auftreten.
Die Bilder können außerdem auf der Grundlage ähnlicher Merkmale in vier Gruppen
eingeteilt werden. Ein gemitteltes, repräsentatives Bild für jeden der vier
Gruppen ist in der unteren Reihe zu sehen. Drei der Gruppen zeigen eine
Ringstruktur, allerdings mit unterschiedlich verteilter Helligkeit rund um den
Ring. Die vierte Gruppe enthält Bilder, die ebenfalls zu den Daten passen, aber
nicht ringförmig erscheinen.
Die Balkendiagramme zeigen die relative Anzahl der Bilder, die zu den einzelnen
Gruppen gehören. Die ersten drei Cluster enthalten jeweils Tausende von
Bildern, während die vierte und kleinste Gruppe nur Hunderte von Bildern
enthält. Die Höhe der Balken zeigt die relativen „Gewichte“ oder Beiträge jeder
Gruppe zu dem gemittelten Bild oben an.
4)
Rezzolla_Luciano_2019_Credit_JuergenLecher.jpg
Luciano Rezzolla
Luciano
Rezzolla, Professor für Theoretische Astrophysik, Goethe-Universität Frankfurt.
Foto: Jürgen Lecher für Goethe-Universität Frankfurt
Youtube-Playlist Black Hole
Weitere
Animationen zum „Making of“ des Bilds vom Schwarzen Lochs im Zentrum der
Milchstraße auf der Playlist Black Hole der Goethe-Universität
https://youtube.com/playlist?list=PLn5gYfEKIag8nps1GKLqUW35AOgQY7aM2
Weiteres Bild- und Videomaterial der EHT-Kollaboration unter:
https://eventhorizontelescope.teamwork.com/#notebooks/240600
(Animationen)
https://eventhorizontelescope.teamwork.com/#notebooks/240540
(Bilder)
Websites:
https://eventhorizontelescope.org/ EHT Website
https://blackholecam.org/ Black Hole Cam-Project
Kontakt:
Professor
Luciano Rezzolla
Institut für Theoretische Physik
Goethe-Universität
Frankfurt
Phone:
+49 (69) 798-47871
rezzolla@itp.uni-frankfurt.de