Astronomische Weltsensation jenseits von Einstein: Die Fotografie eines Schwarzen Lochs

Astronomische Weltsensation jenseits von Einstein: Die Fotografie eines Schwarzen Lochs

 

 

Heute unterbreche ich den geplanten Fluss meines blogs aufgrund eines revolutionären  -wenn auch nicht unerwarteten-  kosmologisch-astronomischen Mega-Ereignisses. Es ist die spektakulär gelungene, erste Fotografie eines schwarzen Lochs. Das wurde bis vor kurzem für absolut unmöglich gehalten. Grund: das schwarze Loch heisst so, weil ihm wegen seiner, die Grenzen unserer Physik sprengenden unvorstellbar gewaltigen Gravitation nichts, nicht einmal das Licht „entkommen“ kann. Der Preis seiner Existenz ist ewige Dunkelheit.

Einstein, dessen Allgemeine Relativitätstheorie die Existenz schwarzer Löcher vorhersagt, hätte sich den jetzigen Durchbruch nicht vorstellen können. Er liegt somit jenseits von Einstein. Allerdings: ohne Einstein hätte es ihn nie gegeben. Mehr noch: er ist der erste direkte Beweis seiner Vorhersage.

Charakter und Aufbau eines Schwarzen Lochs

Was kein Licht aussendet oder reflektiert ist nicht fotografierbar. Liegt hier nun ein unauflösbarer Widerspruch vor? Mitnichten! Die Lösung liegt im Charakter und Aufbau eines schwarzen Lochs und seiner unmittelbaren Umgebung. Das schwarze Loch zieht alles, was sich seinem „Rand“ nähert unwiderruflich und irreversibel in sein Zentrum – auch Licht, also Photonen. Das erfolgt mit Materie (z.B. den Trümmern eines von der massiven Gravitation bereits zerrissenen Sterns) nicht direkt. Vielmehr tritt diese Materie in eine das schwarze Loch umrundende Bahn ein, wobei die Bahngeschwindigkeit einen erheblichen Prozentsatz der Lichtgeschwindigkeit erreichen kann. Diese ist also in der Lage die enorme Gravitation bis zu einem gewissen Grad zu kompensieren. Es bildet sich eine sog. Akkretionsscheibe (wie übrigens auch bei der Sternentstehung). Die „rasende“ Materie in dieser Scheibe erhitzt sich dabei durch Reibung bis zu einigen Millionen Grad. Dabei bremst die Reibung gleichzeitig die benachbarte Materie ab, sodass sie der Gravitation nicht mehr widerstehen kann und spiralförmig in das schwarze Loch stürzt – auf Nimmer-Wiedersehen.

Der Ereignishorizont und seine Bedeutung

Die das schwarze Loch umkreisende Materie strahlt durch die gewaltige Erhitzung Energie im gesamten elektromagnetischen Bereich ab. Dies vorwiegend als Gamma-und Röntgenstrahlung, aber natürlich auch im sichtbaren oder Radiobereich. Konsequenz: das schwarze Loch ist -in respektvoller Entfernung- von einem glühenden Feuerring umgeben. Wie gross ist nun eine „respektvolle“ Entfernung?  Sie reicht vom Zentrum des schwarzen Loches bis zum sogenannten „Ereignishorizont“. Dieser  definiert den point of no return: alles, was den das schwarze Loch umgebenden Ereignishorizont überschreitet, wird irreversibel vom schwarzen Loch „geschluckt“. Alle Beobachtungen um schwarze Löcher herum, wie die Aussendung von Gamma- und Röntgenstrahlen sowie gewaltiger Jets erfolgen außerhalb des Ereignishorizonts, ausgelöst durch hineinspiralisierende Materie. Das schwarze Loch selbst bleibt uns verborgen. Natürlich kann man eine Reihe von Eigenschaften aus den Vorgängen in der Nähe des Ereignishorizonts ableiten, wie zum Beispiel die Masse des Schwarzen Lochs, seine Ausdehnung und Rotation. Dies alles sind indirekte Phänomene, die auf die Existenz eines Schwarzen Lochs hinweisen, aber streng genommen kein Beweis seiner Existenz.

Aussendung von Gravitationswellen

Doch seit dem 15. September 2015 gibt es einen ersten Beweis: die von der Verschmelzung zweier mittelgroßer Schwarzer Löcher stammenden Gravitationswellen, die mit dem neuen eLIGO-Observatorium zweifelsfrei gemessen wurden (vgl. hierzu die blogposts zu Gravitationswellen, Teile 1 bis 4:   https://cosmoblog.space/gravitationswellen/). Dies war nicht nur der erste experimentelle Beweis für die Existenz von Gravitationswellen, sondern gleichzeitig auch für die von Schwarzen Löchern. Sie können aus den Messdaten, vor allem über ihre Massen, als solche identifiziert werden. Weitere, vergleichbare Ergebnisse wurden seither mehrfach erhalten und in der Zukunft Routine werden. Obwohl die Gravitationswellen als unwiderlegbarer Beweis für die Existenz von schwarzen Löchern gelten, sind auch sie kein direkter, also sofort ersichtlicher, Beweis.

Das Event Horizon Teleskop als globale Kamera

Seit ca. 15 Jahren wird an einem Projekt gearbeitet, das tatsächlich zum Ziel hat, ein schwarzes Loch “abzulichten”. Dies kann natürlich nicht mit elektromagnetischen Wellen im sichtbaren Bereich geschehen und es kann auch nicht auf das schwarze Loch selbst gerichtet sein, da keinerlei Photonen irgendeiner Wellenlänge aus ihm entweichen können. Jedoch sollte die unmittelbare Umgebung eines schwarzen Lochs, also alles ausserhalb des Ereignishorizonts abbildbar sein. Hierzu eignen sich am besten Radiowellen. Was also liegt näher als hierfür Radioteleskope zu benutzen? Nur besitzt auch das grösste Radioteleskop der Welt bei weitem nicht die notwendige Auflösung. Das aus der Taufe gehobene Projekt ist das Event Horizon Telescope, eine weltweite, gigantische Zusammenschaltung leistungsfähiger Radioteleskope. Dieses immer noch im Aufbau befindliche Superteleskop wird aus einem Netzwerk von Radioteleskopen bestehen, das sich vom Südpol bis Hawaii und Südeuropa erstreckt. Die zusammengeschalteten Antennen werden rechnerisch einem Radiospiegel von der Größenordnung unseres Planeten-Durchmessers entsprechen: 9.450 Kilometer. Dass die vielen Teleskope zusammen wie ein einziges Riesenteleskop funktionieren, ist der Technik der »Very Long Baseline Interferometry« (VLBI) geschuldet. Bereits 2007 wurden erste Messungen mit nur drei Radioteleskopen des Projekts an dem Schwarzen Loch SagittariusA* unserer Milchstraße durchgeführt. Für die Radioabbildung des supermassiven schwarzen Lochs von 6,6 Milliarden Sonnenmassen im Zentrum der elliptischen Galaxie M 87 in 55 Millionen Lichtjahren Entfernung wurden acht Radioteleskope auf vier Kontinenten zu diesem Superteleskop zusammengeschlossen.

Entstehung des „Schattens“ eines Schwarzen Lochs

Wenn eine Akkretionsscheibe aus Gas und Staub das Schwarze Loch umgibt, sollte nach auf der Allgemeinen Relativitätstheorie beruhenden Simulationen der Ereignishorizont als dunkle Silhouette erscheinen, umgeben von dem heißen, Licht aussendenden Material der Akkretionsscheibe. Der Hauptgrund hierfür ist der von uns aus gesehen »hintere« Teil des Ereignishorizonts. Zwar blockiert das von uns aus »davor« liegende Schwarze Loch den (Radio-)Blick auf die heiße, helle Strahlung aus dieser Richtung. Das Schwarze Loch selbst ist jedoch eine gewaltige Gravitationslinse (Einsteinlinse), die das Licht um das Schwarze Loch »herumbiegt«, sodass man es wieder sehen kann, und zwar als dunkleres Zentrum (Sihouette). Aus der Lage und Form der dunkleren Silhouette lassen sich Schlüsse auf die Rotation und andere Eigenschaften des Schwarzen Lochs ziehen. Die Kombination dieser Effekte erzeugen den „Schatten“ des schwarzen Lochs. Das Erscheinungsbild der Silhouette ist unter anderem abhängig von dem Winkel, unter dem wir es sehen, der Art der Akkretion von Material um das Schwarze Loch und natürlich von der Masse des Schwarzen Lochs, das heißt der Stärke der  Lichtablenkung.

 

 

                                                                                         Simulation des Ereignishorizonts eines Schwarzen Lochs im Event Horizon Telescope

                                                                                        Credit: Avery E. Broderick; Abraham Loeb, Portrait of a Black Hole, in: Scientific American, 21. Mai 2013

                                                                                                    http://www.scientificamerican.com/article/portrait-of-a-black-hole-extreme-physics-special/

 

Entstehung und Ergebnisse der hochkomplexen Aufnahme

Die hochkomplexe Aufnahme mit den gekoppelten 8 Radioteleskopen erfolgte im April 2017. Vier teams schufen unabhängig voneinander jeweils einen Algorithmus, der ihrer Meinung nach das Bild am besten repräsentiert. Diese 4 Algorithmen wurden dann zu einem Image kombiniert, wobei fotografische Einzelheiten ausgeschlossen wurden, die nicht in allen 4 Einzelbildern vorkamen. Dies nahm mehrere Monate in Anspruch! Wie ein Vergleich der simulierten Abbildung oben mit der realen im Beitragsbild zeigt, ist die Übereinstimmung von Simulation und Realität frappierend. Das Glühen der um das schwarze Loch kreisenden, aufgeheizten Materie ist als roter Feuerring zu sehen, völlig der Simulation entsprechend. Besonders werden die gravitationsbedingten Schatten dieses Schwarzen Lochs ins Visier genommen. Dies ist ein Lackmus-Test für die Allgemeine Relativitätstheorie, denn sie sagt die Gestalt des Schattens voraus, der sich aus der Krümmung der Raumzeit in der Nähe des Ereignishorizonts ergibt. Erste Analysen zeigen, dass Einstein’s grosse Gravitationstheorie auch diesen kritischen Test unter den extremst-möglichen Gravitationsbedingungen mit Bravour bestanden hat. Ein wahrhaft grossartiger, Nobelpreis-würdiger Schritt in der Kosmologie!

 

 

Headerbild :  Spinnenetzstruktur des Universums; Würfel mit Kantenlänge 1 Milliarde Lichtjahre; Bolshoi Simulation. Credit: NASA, ESA and E. Hallman, University of Colorado; Boulder

Beitragsbild: Das sensationelle Foto des supermassiven Schwarzen Lochs in der Galaxie M87 im Sternbild Jungfrau mit dem Event Horizon Telescope, einer globalen Zusammenschaltung von 8 Radioteleskopen in 4 Kontinenten. Credit: The Event Horizon Telescope collaboration (National Science Foundation, U.S.A.)

 

 

Verantwortlich: Peter H. Jacobi (Autor von „Cosmoblog. Kosmologie: Über die Grundlagen zur Spitzenforschung von heute und morgen“; K.Fischer Verlag, September 2017)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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