Im Zentrum der Milchstraße: Blick auf Schwarzes Loch gelungen

Stand: 12.05.2022 15:15 Uhr

Astronomen ist erstmals die Abbildung eines Schwarzen Lochs im Zentrum der Milchstraße gelungen. Allein das Zusammensetzen der Datenmengen von Radioteleskopen weltweit dauerte mehrere Jahre.

uf einer Pressekonferenz in München, die zeitgleich an sechs weiteren Orten der Erde abgehalten wurde, hat die Europäische Südsternwarte gemeinsam mit dem „Event Horizon Telescope“-Projekt ein epochales Ergebnis der astronomischen Forschung vorgestellt. Es handelt sich um das erste Bild jenes Schwarzen Lochs, das im Zentrum unserer Milchstraße sitzt. Die Menschheit schaut damit zum ersten Mal auf dieses mysteriöse Objekt mit der wissenschaftlichen Bezeichnung Sagittarius A*.

Die Erde, unser gesamtes Sonnensystem und alle Sterne der Milchstraße bewegen sich auf Kreisbahnen um dieses Schwarze Loch. Dieser Blick hinein ins Zentrum der Milchstraße ist eine bahnbrechende technische Leistung.

So schwer wie vier Millionen Sonnen

Abgebildet wurde der Schatten des riesigen Objekts. Das Schwarze Loch selbst kann nicht abgebildet werden, weil es kein Licht ausstrahlt, sondern alles Licht verschluckt, das ihm zu nahe kommt. Mit seiner unfassbar großen Anziehungskraft zieht es Licht in sein Inneres, aber natürlich auch Gas und Staub und ganze Sterne. Es ist durch diese Fütterung inzwischen schwerer als vier Millionen Exemplare unserer Sonne und damit das größte und schwerste Objekt in unserer Milchstraße.

Zwei Probleme galt es zu lösen

Vor drei Jahren wurde zum allerersten Mal ein Schwarzes Loch im All abgebildet. Es befand sich sogar noch zweitausend Mal weiter entfernt im All als das jetzt sichtbar gewordene Schwarze Loch in der Milchstraße. Hätte man also nicht das näher liegende Schwarze Loch in unserer Milchstraße zuerst zu sehen bekommen müssen als das viel weiter entfernte Objekt in einer unserer Nachbargalaxien? Doch die Entdeckungsgeschichte lief gerade andersherum.

Die Gründe dafür: Das vor drei Jahren abgebildete Schwarze Loch war tausend Mal schwerer als unser „eigenes“ Schwarzes Loch in der Milchstraße – und das macht einen gewaltigen Unterschied. Während das vor drei Jahren abgebildete Objekt durch seine riesige Masse recht ruhig im All sitze und deshalb vergleichsweise leicht abzubilden sei, verfüge das Schwarze Loch der Milchstraße über weniger Masse, sei leichter und verhalte sich deshalb viel unruhiger, sagt Michael Kramer, Direktor des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie in Bonn, das am „Event Horizon Telescope-Projekt“ beteiligt ist:

Wir mussten neue Methoden entwickeln, wie wir mit diesen Veränderungen während der Aufnahme arbeiten können, um wirklich das Statische, das Feste, das Bild des Schwarzen Loches herauszukitzeln.

Trotz zittriger Unruhe ist es durch das schlaue Verrechnen und Filtern ungeheurer Datenmengen gelungen, Bilder von „unserem“ Schwarzen Loch zu produzieren. Und nicht nur das Zittern haben die Forscherinnen und Forscher in den Griff bekommen. Sie haben sich sogar über den Umstand hinweggesetzt, dass das Schwarze Loch in der Mitte unserer Heimatgalaxie von der Erde aus eigentlich gar nicht zu sehen sein sollte.

Bild mit Radiostrahlung erstellt

Denn die Milchstraße ist geformt wie eine Spirale mit mehreren Armen und alle diese Spiralarme liegen in einer Ebene. Von außen betrachtet sieht die Milchstraße aus wie eine Scheibe mit Spiralmuster. Das Sonnensystem mitsamt der Erde ist Teil dieser Scheibe. Der Blick von der Erde ins Zentrum dieser Scheibe ist vor allem versperrt durch Staub. Deshalb ist das Bild, das jetzt veröffentlicht wurde, auch keines, das mit sichtbarem Licht aufgenommen wurde, sondern eines, das mit Hilfe von Radiostrahlung erstellt wurde.

Radiowellen können den Staub durchdringen und lassen sich mit Antennen auffangen. Aus den empfangenen Signalen lassen sich Bilder erstellen, die zeigen, wie die Region im All aussieht, von der aus die Radiowellen ursprünglich ins All geschickt wurden. Zwar streut der Staub die Wellen ein wenig, aber mit Computerprogrammen lässt sich die Streuung aus dem Bild herausfiltern.

Mehrere Jahre Rechenarbeit notwendig

Ein Radioteleskop hätte nicht ausgereicht, um einen scharfen Radioblick auf das Milchstraßenzentrum zu erhalten. Dafür mussten die weltweit besten Radioteleskope exakt zur selben Zeit auf das Zentrum der Milchstraße gerichtet werden. Das geschieht seit mehreren Jahren in der Regel einmal jährlich im Frühjahr im Rahmen des „Event Horizon Telescope“-Projekts (EHT). Event Horizon, oder Ereignishorizont, nennen Kosmologen den Rand eines Schwarzen Lochs. Und genau das ist das Ziel des Projekts – die großen Schwarzen Löcher im Kern von Galaxien beziehungsweise ihre Umrisse abzubilden.

Die dafür eingesetzten Radioteleskope stehen über die gesamte Erde verteilt – eines davon sogar am Südpol. Sie durch Datenleitungen zu verknüpfen, wäre zu aufwändig und zu fehleranfällig. Deshalb werden die riesigen Datenmengen zunächst auf Festplatten gespeichert. Diese Festplatten werden dann in zwei Rechenzentren transportiert: das eine in Deutschland, am Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn, das andere in den USA. Erst in diesen Zentren werden die Daten der einzelnen Radioteleskope miteinander kombiniert und auf einem Supercomputer aus den kombinierten Daten die Bilder errechnet.

Rechenarbeit dauerte fünf Jahre

Im Fall des jetzt publizierten Bildes dauerte die Rechenarbeit ganze fünf Jahre. Anton Zensus, Direktor am Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn und Vorstandsvorsitzender des „Event Horizon Telescope“-Projekts, erklärt:

Die Bearbeitung war tatsächlich sehr schwer – hat sehr lange gedauert, eine langwierige Aufgabe. Und es war schon eine große Freude da, als wir am Schluss sagen konnten: Wir haben das Bild!

Neue Forschungschancen für die Kosmologie

Mit dem superscharfen Blick der im EHT-Projekt verbundenen Radioteleskope wird es möglich, das Verhalten des Schwarzen Lochs in Zentrum der Milchstraße zu beobachten. Damit sollen Fragen beantwortet werden. Wie viel Materie verschlingt es? Wie regelmäßig kommt es deshalb zu Strahlungsausbrüchen? Wie verhalten sich die Sterne, die in nächster Nähe zum Schwarzen Loch um dieses herum kreisen? Vielleicht wird man sogar Einzelbilder zu einer Art Zeitraffer montieren können.

Auf diese Weise könnte man erkennen, ob Einsteins Relativitätstheorie auch in Gegenden, in denen extreme Massen versammelt sind und extreme Anziehungskraft herrscht, alle Vorgänge richtig beschreibt. Denn eines ist klar: Die Physik des Weltalls ist noch nicht komplett verstanden. Es fehlt noch etwas am Theoriegebäude der Physiker. Was an den bestehenden Theorien noch nicht stimmt, das könnte in Extremsituationen am ehesten zutage treten oder auffallen. Und was kann extremer sein als die Schwerkraft eines Millionen Sonnen schweren Schwarzen Lochs?

Quelle: https://www.tagesschau.de/ausland/erster-blick-auf-schwarzes-loch-in-milchstrasse-101.html


Das schwarze Loch der Milchstraße im Bild

Die Beobachtung mit dem Event Horizon Telescope verbessert unser Verständnis der Vorgänge im galaktischen Zentrum

Es sitzt tief im Herzen der Milchstraße, ist 27.000 Lichtjahre von der Erde entfernt und ähnelt einem Donut: So präsentiert sich das schwarze Loch im Zentrum unserer Galaxis auf dem Bild, das Forschende mit dem Event Horizon Telescope (EHT) gewonnen haben. Dabei liefert das Team den Beweis, dass dieses Objekt wie vermutet zur Familie der kosmischen Schwerkraftfalle gehört. Die Radiodaten der im weltweiten EHT-Netz verbundenen Observatorien wurden an zwei Supercomputern am Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn und am Haystack Observatory im US-amerikanischen Massachusetts gewonnen. Beteiligt an der Beobachtung waren auch das Apex-Teleskop des Bonner Instituts sowie die 30-Meter-Antenne des Institut de Radioastronomie Millimétrique (IRAM), das zur Max-Planck-Gesellschaft gehört.

Kosmischer Feuerring: Dies ist das erste Bild von Sagittarius A*, dem supermassereichen schwarzen Loch im Zentrum unserer Milchstraße. Aufgenommen hat es das Event Horizon Telescope (EHT), ein Netzwerk, das Radioobservatorien auf der ganzen Welt zu einem einzigen virtuellen Teleskop von der Größe der Erde zusammenfasst.  Das EHT ist nach dem „Ereignishorizont“ benannt – der Grenze des schwarzen Lochs, jenseits derer kein Licht mehr entweichen kann. Obwohl der Ereignishorizont selbst nicht sichtbar wird, weil er kein Licht aussendet, zeigt glühendes Gas, das um das schwarze Loch wirbelt, eine verräterische Signatur: eine dunkle zentrale Region („Schatten“), die von einer hellen ringförmigen Struktur umgeben ist. Die Aufnahme fängt das Licht ein, das durch die starke Schwerkraft des schwarzen Lochs – es ist vier Millionen Mal massereicher als unsere Sonne – gebeugt wird. Das Bild ist ein Mittelwert der verschiedenen Aufnahmen, welche die EHT-Kollaboration aus ihren Beobachtungen im April 2017 extrahiert hat. Die Bilder lassen sich anhand ähnlicher Strukturen in vier Gruppen („Cluster“) einteilen. Ein gemitteltes, repräsentatives Bild für jede der vier Gruppen in der unteren Reihe dargestellt. Drei dieser Cluster zeigen eine Ringstruktur, allerdings mit unterschiedlich verteilter Helligkeit rund um den Ring. Der vierte Cluster enthält Bilder, die ebenfalls zu den Daten passen, aber nicht ringförmig erscheinen. Die Balkendiagramme zeigen die relative Anzahl der Einzelbilder, die in den jeweiligen Clustern eingehen. Zu den ersten drei Clustern gehören jeweils Tausende von Bildern, während der vierte und kleinste Cluster nur Hunderte von Bildern beinhaltet. Die Höhe der Balken gibt die relativen Beiträge der einzelnen Cluster zum gemittelten Gesamtbild an.
Kosmischer Feuerring: Dies ist das erste Bild von Sagittarius A*, dem supermassereichen schwarzen Loch im Zentrum unserer Milchstraße. Aufgenommen hat es das Event Horizon Telescope (EHT), ein… [mehr]© EHT-Kollaboration

Das jetzt veröffentlichte Bild ist der lang erwartete direkte Blick auf das Objekt im Zentrum unserer Galaxis, das unter dem Namen Sagittarius A* bekannt ist. Schon seit vielen Jahren nehmen Forschende diesen Bereich der Milchstraße unter die Lupe und beobachten beispielsweise Sterne, die um ein unsichtbares, kompaktes und sehr massereiches Etwas kreisen. Für diese Arbeiten wurden Andrea Ghez von der University of California sowie Reinhard Genzel vom Garchinger Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik im Jahr 2020 mit dem Nobelpreis ausgezeichnet.

„Unsere Entdeckung zeigt, dass es sich bei dem Objekt im galaktischen Zentrum tatsächlich um ein schwarzes Loch handelt“, sagt Anton Zensus, Direktor am Max-Planck-Institut für Radioastronomie und Gründungsvorsitzender des EHT-Aufsichtsrats. Das Bild liefere den ersten direkten visuellen Beweis dafür. Das schwarze Loch selbst ist auf der Aufnahme zwar nicht zu sehen, weil es naturgemäß keine Strahlung aussendet. Doch zeigt das glühende Gas darum herum eine verräterische Signatur – eine dunkle zentrale Region („Schatten“), die von einer hellen ringartigen Struktur umgeben ist. Deren Licht wird durch die immense Gravitation des schwarzen Lochs gleichsam gebeugt.

„Wir waren verblüfft, wie gut die Größe des beobachteten 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. Die Beobachtungen hätten das Verständnis der physikalischen Prozesse in den Zentren von Galaxien erheblich verbessert und würden Erkenntnisse darüber liefern, wie solche riesige Schwerkraftfallen mit ihrer Umgebung wechselwirken.

Da das schwarze Loch im Zentrum der Milchstraße 27.000 Lichtjahre von der Erde entfernt ist, erscheint es uns am Himmel etwa so groß wie ein Donut auf dem Mond. Um es abzubilden, schuf das Team das leistungsstarke EHT, das acht (heute elf) Radioobservatorien auf der ganzen Welt zu einem einzigen virtuellen Teleskop von Erdgröße verbindet. Mit dieser Interferometrie genannten Methode beobachteten die Astronominnen und Astronomen während mehrerer Nächte im April 2017 das Objekt Sagittarius A*. Bei einer Wellenlänge von 1,3 Millimeter sammelten sie über viele Stunden am Stück Daten, ähnlich wie bei der langen Belichtungszeit einer Kamera. Ausgewertet wurden diese Daten von zwei Korrelatoren – Hochleistungsrechner, die am Max-Planck-Institut für Radioastronomie und am Haystack Observatory stehen.

Das Max-Planck-Institut war zudem auch mit einer Antenne an der Kampagne beteiligt. „Der Beitrag unseres Apex-Teleskops war essenziell, um eine perfekte Kalibrierung der sich verändernden Helligkeit der Quelle zu erreichen und den endgültigen Beweis für den Schatten des schwarzen Lochs im galaktischen Zentrum zu erbringen“, sagt Direktor Karl Menten.

Weltweites Netz: Als die Forschenden im Jahr 2017 die Daten aus dem Zentrum der Milchstraße sammelten, bestand das Event Horizon Telescope aus acht Observatorien, die über den Globus verteilt sind.
Weltweites Netz: Als die Forschenden im Jahr 2017 die Daten aus dem Zentrum der Milchstraße sammelten, bestand das Event Horizon Telescope aus acht… [mehr]© EHT-Kollaboration

Die aktuelle Beobachtung folgt auf die bereits im Jahr 2019 veröffentlichte erste Aufnahme eines schwarzen Lochs (M 87*) im Zentrum der Galaxie Messier 87, die in wesentlich größerer Entfernung zur Erde liegt. Die beiden Massemonster gleichen sich, obwohl das schwarze Loch im Zentrum unserer Milchstraße mehr als tausendmal kleiner und viel leichter ist als M 87*. „Wir haben es mit zwei völlig unterschiedlichen Arten von Galaxien und zwei sehr unterschiedliche Massen von schwarzen Löchern zu tun, aber in der Nähe ihrer Ränder sehen sie sich verblüffend ähnlich“, sagt Sera Markoff, Ko-Vorsitzende des EHT-Wissenschaftsrats und Professorin für theoretische Astrophysik an der Universität von Amsterdam in den Niederlanden.

Dieses Mal war die Auswertung der Daten wesentlich schwieriger als bei der 55 Millionen Lichtjahre entfernten Galaxie M 87, obwohl uns das Milchstraßenzentrum mit 27.000 Lichtjahren viel näher liegt. Zwar strudelt das Gas praktisch mit derselben Geschwindigkeit um die beiden schwarzen Löcher – fast so schnell wie das Licht. Doch während es Tage bis Wochen braucht, um das größere Objekt M 87* zu umkreisen, vollendet es bei dem viel kleineren Sagittarius A* seine Umlaufbahn in nur wenigen Minuten. „Daher änderten sich Helligkeit und Erscheinungsbild des Gases um Sagittarius A* während unserer Beobachtung sehr rasch“, sagt Chi-kwan Chan von der University of Arizona. „Das ist so, als würde man versuchen, ein scharfes Bild von einem Hund aufzunehmen, der unentwegt mit dem Schwanz wedelt.“

Die Forschenden mussten ausgeklügelte neue Methoden entwickeln, um die Gasbewegungen um das schwarze Loch Sagittarius A* erklären zu können, das rund vier Millionen Sonnenmassen „wiegt“. Dagegen war M 87* mit seinen sechseinhalb Milliarden Sonnenmassen ein einfacheres, stabileres Ziel gewesen. Zudem befinden wir uns mit der Erde in der galaktischen Ebene, was einen Streueffekt in den Radiomessungen verursacht. Zusätzlich erschwert heißes Gas mit geladenen Teilchen und Magnetfeldern in der Sichtlinie die Analyse.

So ist das Bild von Sagittarius A* ein Mittelwert von verschiedenen Bildern, die das Team aus den Daten extrahiert hat. Maßgeblich an der Kalibrierung beteiligt waren Maciek Wielgus sowie Michael Janßen, beide vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie. Für Tests der Allgemeinen Relativitätstheorie und den Nachweis eines Ereignishorizonts trug ihr Institutskollege Gunther Witzel die Ergebnisse anderer Beobachtungen zusammen.

Der EHT-Kollaboration gehören weltweit mehr als 300 Forschende aus 80 Instituten an. In den vergangenen fünf Jahren hat das Team unter anderem komplexe Instrumente entwickelt und eine einzigartige Bibliothek von numerisch simulierten schwarzen Löchern zum Vergleich mit den Beobachtungen zusammengestellt. Diese dienen unter anderem dazu, die Theorien der Gravitation zu überprüfen.

Geballte Rechenkraft: Mit diesem Hochleistungscomputer am Max-Planck-Institut für Radioastronomie analysierten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die Daten des Event Horizon Telescope. Ein zweiter sogenannter Korrelator steht am Haystack Observatory in den USA.
Geballte Rechenkraft: Mit diesem Hochleistungscomputer am Max-Planck-Institut für Radioastronomie analysierten die Wissenschaftlerinnen und… [mehr]© MPIfR

Nach den Worten von Michael Kramer, Direktor am Max-Planck-Institut und einem der Projektleiter des Black Hole Cam-Projekts, war das frühere Bild von M 87* dafür nur bedingt geeignet. „Bei Messier 87 hatten wir keine verlässlichen Vorkenntnisse über die Masse des schwarzen Lochs. Im aktuellen Fall ist das ganz anders. Dank vorhergehender Messungen wie denen von Reinhard Genzel kennen wir sowohl die Entfernung als auch die Masse von Sagittarius A* sehr genau, sodass wir die erwartete Schattengröße berechnen konnten, um sie mit den Beobachtungen zu vergleichen. Und sie passt sehr gut!“ Das Projekt Black Hole Cam wurde vom Europäischen Forschungsrat (ERC) finanziert und spielt eine wichtige Rolle innerhalb der EHT-Kollaboration.

Anhand der Bilder von nunmehr zwei schwarzen Löchern unterschiedlicher Größe können die Forschenden die beiden Objekte miteinander vergleichen und prüfen, wodurch sie sich unterscheiden. Zudem lassen sich mit den neuen Daten etwa Theorien und Modelle darüber testen, wie sich Schwerkraft und Materie in der extremen Umgebung von supermassereichen schwarzen Löchern verhalten. Dies ist noch nicht vollständig geklärt, spielt aber offenbar eine Schlüsselrolle bei der Entstehung und Entwicklung von Galaxien.

IRAM-Direktor Karl Schuster betont die langjährige gemeinsame Pionierarbeit zwischen dem Max-Planck-Institut für Radioastronomie und seinem Institut im französischen Grenoble. Und: „Die Ergebnisse des Event Horizon Telescope sind eine ideale Ergänzung der Resultate, die von der Gruppe um Reinhard Genzel am Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik im Infrarotbereich mit dem Instrument Gravity erzielt wurden.“ Unterdessen gehen die Messungen mit dem Event Horizon Telescope weiter: An einer großen Kampagne im März 2022 waren elf Observatorien beteiligt. „Jetzt sind wir natürlich alle sehr gespannt, was die EHT-Beobachtungen in den Jahren 2021 und 2022 unter Mitwirkung unseres leistungsstarken Noema-Observatoriums ergeben werden“, sagt Schuster.

Quelle: https://www.mpg.de/18624833/bild-vom-schwarzen-loch-in-der-milchstrasse


„Eine wunderbare Bestätigung unserer Beobachtungen“

Reinhard Genzel vom Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik über das erste Bild vom galaktischen Zentrum

Mit dem Event Horizon Telescope (EHT) ist es Forschenden gelungen, das schwarze Loch im Zentrum unserer Milchstraße abzubilden. Dazu verbanden sie weltweit die Radioantennen von acht Observatorien. Reinhard Genzel, Direktor am Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik in Garching, nimmt diese Region im Herzen der Galaxis seit mehr als drei Jahrzehnten unter die Lupe, und zwar im infraroten Licht mit dem Very Large Telescope der Europäischen Südsternwarte. Dort verfolgen er und sein Team die Bewegung von Sternen, die das unsichtbare Objekt umschwirren wie Motten das Licht. Im Interview ordnet Genzel, der für seine Beobachtungen zusammen mit Andrea Ghez von der University of California mit dem Physik-Nobelpreis 2020 ausgezeichnet wurde, das jüngste Ergebnis der EHT-Kollaboration ein.

Reinhard Genzel, Direktor am Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik. 
Reinhard Genzel, Direktor am Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik.  © Jan Greune

Wie beurteilen Sie das Bild des galaktischen Zentrums vor dem Hintergrund Ihrer eigenen Messungen?

Reinhard Genzel: Das Bild ist ein sehr schönes Ergebnis und eine wunderbare Bestätigung unserer ultrapräzisen Beobachtungen im infraroten Licht. Wir hatten aus der Umlaufbewegung von Sternen um das schwarze Loch Sagittarius A* dessen Masse mit einer Genauigkeit von 0,1 Prozent und seine Entfernung zur Erde mit einer Genauigkeit von 0,2 Prozent bestimmt. Daraus leiteten wir ab, dass der Schatten des schwarzen Lochs einen Radius von 26 Mikrobogensekunden haben muss. Die Größe des von den EHT-Kollegen gemessenen Schattens stimmt mit dieser Vorhersage innerhalb der Messfehler sehr gut überein. Und der sogenannte Ereignishorizont des Objekts besitzt einen Radius von zehn Mikrobogensekunden – unter diesem Winkel würde eine Ein-Euro-Münze auf dem Mond erscheinen. Auch dieser Wert stimmt hervorragend mit dem Modell eines schwarzen Lochs mit der von unserem Gravity-Team bestimmten Masse von vier Millionen Sonnen überein.

Was lässt sich aus diesen Daten ableiten?

Zusammen mit dem, was wir bisher wussten, können wir nun getrost viele Spekulationen ausschließen, die physikalische Alternativerklärungen zu einem schwarzen Loch enthalten. Dazu zählen etwa aus schweren bosonischen oder fermionischen Elementarteilchen zusammengesetzte Massenkonzentrationen derselben Masse wie des schwarzen Lochs, aber mit wesentlich größerem Durchmesser. Oder extrem dichte Sternhaufen, die sich im Herzen der Milchstraße zusammenballen.

Wie unterscheiden sich Ihre Beobachtungen von denen mit dem Event Horizon Telescope?

Wir nutzen zwar auch die Methode der Interferometrie, also vereinfacht gesagt die Überlagerung von Licht, arbeiten aber im infraroten Bereich mit einem Instrument namens Gravity, das am Very Large Telescope Interferometer der Europäischen Südsternwarte montiert ist. Dessen Detailauflösung ist im Vergleich zum Event Horizon Telescope, das ja praktisch einem virtuellen Teleskop von Erdgröße gleicht, naturgemäß nicht so hoch. Aber das hat auch sein Gutes: So konnten wir etwa die Helligkeitsschwankungen des Gases, das in geringer Entfernung um das schwarze Loch herumwirbelt, beobachten. Für das Event Horizon Telescope mit seiner enorm hohen Detailauflösung von 20 Mikrobogensekunden war das jedoch ein Problem, weil die Bilder aufgrund der ständigen Variabilität der Materie unscharf werden.

Erst Ihre Ergebnisse, jetzt das Bild – man könnte meinen, es gebe nichts mehr zu beobachten…

Nein, ganz und gar nicht! So würden wir zum Beispiel gern wissen, wie schnell das schwarze Loch rotiert, was es also für einen Spin hat. Das lässt sich aus dem Bild nicht ableiten. Und auch die Neigung der Rotationsebene bleibt unsicher.

Weshalb ist die Kenntnis dieser Größen wichtig?

Die Allgemeine Relativitätstheorie sagt, dass schwarze Löcher lediglich durch Masse und Drehimpuls, also Spin, charakterisiert sind. Zudem gilt bei diesen Objekten das sogenannte No-Hair-Theorem. Will heißen, dass ein schwarzes Loch am Ereignishorizont, also seiner Grenzfläche, keinerlei lokale Struktur aufweist. Kurz: Wenn Sie die genannten beiden Größen Masse und Spin kennen, dann sind Sie fertig, dann haben Sie das schwarze Loch vollständig beschrieben.

Wären dann alle Rätsel gelöst?

Nicht ganz, denn der Theorie zufolge existiert im Kern eines schwarzen Lochs eine sogenannte Singularität. Das ist nach der Relativitätstheorie ein Punkt mit unendlich hoher Masse und unendlich starkem Gravitationsfeld, in dem die Raumzeit nicht mehr definiert ist. Diese Singularität ist nicht zugänglich und ich wüsste nicht, wie man sie jetzt und in Zukunft jemals untersuchen könnte. Bei diesem Problem muss ich passen.

Quelle: https://www.mpg.de/18629666/schwarzes-loch-interview-genzel

Schwarzes Loch: Das fabelhafte zweite Bild

Der Jet – ein Strom heißer Materie – entspringt oben, das Bild zeigt rund drei Lichtjahre.(Foto: J.Y. Kim/MPIfR/EHT-Kollaboration)

Es ist eine große Nachricht, die in diesen Tagen jedoch untergeht: Die zweite Aufnahme eines schwarzen Loches führt Forscher mitten in die Abgründe der Gravitation.

Kommentar von Marlene Weiß

https://www.sueddeutsche.de/wissen/schwarzes-loch-bild-1.4872518

Man kann schon ganz schön Pech haben als Forscher. Da veröffentlicht man ein Bild, das – nüchtern betrachtet – einfach unglaublich ist, fabelhaft, faszinierend, bewusstseinsverändernd. Und dann ist es aber nicht das erste, sondern das zweite seiner Art, und vor allem ist Corona, und so gut wie niemand interessiert sich dafür. Tja.

Das kann man nun leider nicht ändern, Ausnahmezustand ist Ausnahmezustand, Viren gehen vor. Aber hier sei trotzdem festgehalten: Das zweite Bild, welches das Team des Event-Horizon-Teleskops in dieser Woche präsentierte, ist kaum weniger spektakulär als sein Vorgänger, der vor einem Jahr um die Welt ging – die erste Aufnahme eines Schwarzen Lochs.

Nummer zwei sieht mit etwas verschwommenen gelb-roten Formen auf schwarzem Grund ähnlich aus wie Nummer eins. Es zeigt zwar nicht direkt den kosmischen Abgrund, aus dem nicht einmal das Licht entkommen kann. Aber dafür dessen Rand, wo heiße Materie knapp dem Verschlungenwerden entgeht und, auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt, als „Jet“ weit ins All hinausgeschleudert wird. Und das mit einer Wucht, die alle menschliche Vorstellungskraft übersteigt.

Mit dem Event Horizon Telescope öffnete sich wirklich ein neues Fenster zum Universum

Es ist ein Bild, das in jeder Hinsicht an Grenzen geht: Das abgebildete Objekt ist fünf Milliarden Lichtjahre entfernt – rund hunderttausendmal weiter als die Nachbargalaxien der Milchstraße, viel weiter als das erste je fotografierte Schwarze Loch in der Galaxie M87. Es ist schwer, seine Leuchtkraft ist gewaltig, und es ist riesig; der Ursprung des Jets, nur eine Haaresbreite vom Abgrund entfernt, erstreckt sich über mehrere Lichtjahre. Von der Erde zur Sonne sind es acht Lichtminuten.

Vor allem aber zeigt die Aufnahme, dass das virtuelle Radioteleskop-Netzwerk namens Event Horizon Telescope ähnlich wie vor einigen Jahren die Gravitationswellen-Detektoren wirklich ein neues Fenster zum Universum geöffnet hat. Die Abgründe der Gravitation – früher ein reiner Fall für Theoretiker, jeder Beobachtung entzogen – werden nun sichtbar. Und das Teleskop wird immer besser: An der Messrunde im kommenden Jahr beteiligen sich drei weitere Teleskope, möglicherweise könnte irgendwann ein Weltraumteleskop hinzukommen. Es ist ein wissenschaftliches Abenteuer, und es fängt gerade erst an.

Forscher fotografieren erstmals Jet eines Schwarzen Lochs

  • Vor einem Jahr wurde das erste Bild eines Schwarzen Lochs veröffentlicht.
  • Jetzt gibt es ein zweites.
  • Es zeigt Materie, die dem Loch knapp entkommen ist.

Ziemlich genau ein Jahr nachdem das erste direkte Bild eines Schwarzen Lochs um die Welt ging, legen die Forscher von der internationalen Event-Horizon-Kollaboration nach: Am Dienstag veröffentlichten sie eine zweite Aufnahme, die auf Daten der gleichen Messrunde beruht. Sie zeigt ein Objekt namens 3C279. Es ist rund hundertmal weiter entfernt als die Galaxie M87, in der das erste Schwarze Loch fotografiert wurde – aber auch um ein Vielfaches heller. Es handelt sich dabei um einen Quasar: Eine Galaxie, in deren Zentrum sich ein Schwarzes Loch mit etwa einer Milliarde Sonnenmassen befindet. Und das, während es sich eifrig Materie einverleibt, enorm starke Radiostrahlung aussendet.

Erstmals haben die Forscher nun sichtbar gemacht, wie in der Nähe des Schwarzen Loches der sogenannte Jet entsteht, ein Strom heißer Materie, den das Objekt weit hinaus ins All schleudert. Und sie konnten beobachten, wie er sich krümmt und verändert: Innerhalb weniger Tage waren deutliche Unterschiede zu erkennen, was auf verblüffende Geschwindigkeiten schließen lässt.

Dass es Jets gibt, war bekannt – doch nie kamen Forscher ihrer Entstehung so nahe

Zwar lässt ein Schwarzes Loch nichts entkommen, was einmal seinen „Ereignishorizont“ überschritten hat; keine Materie, kein sichtbares Licht und auch keine Radiowellen, die das Event-Horizon-Teleskop (EHT) auffangen könnte. Aber dennoch können diese Objekte so hell strahlen, dass man sie wie 3C279 noch aus rund fünf Milliarden Lichtjahren Entfernung beobachten kann.

Die Strahlung, die Quasare freigeben, entsteht während ihrer üppigen Mahlzeiten: Bevor Materie ins Zentrum des Schwarzen Lochs stürzt, sammelt sie sich in einer schnell rotierenden sogenannten Akkretionsscheibe rund um das Zentrum. Dort heizt sie sich auf und beginnt zu strahlen. Hinzu kommen quasi die Krümel der Mahlzeit: Ein kleiner Teil der Materie in der Akkretionsscheibe wird nicht verschlungen, sondern senkrecht zur Scheibe ins All hinausgeschleudert; das ist der Jet.

Dass es solche Jets gibt, war lange bekannt; es gibt auch Aufnahmen, die zeigen, wie Materie weit aus dem Kern einer Galaxie herausbricht. Aber nie zuvor sind Forscher dem Entstehungspunkt eines solchen Jets so nahe gekommen – das Bild erlaubt einen Blick mitten hinein ins Zentrum der Galaxie, nah an der Akkretionsscheibe des Schwarzen Loches, am Rand des tiefsten denkbaren Abgrunds.

Die Materie bewegt sich mit nahezu Lichtgeschwindigkeit

Und die Ergebnisse zeigen, wie wertvoll so ein Blick sein kann. Zum einen sind die Forscher verblüfft, dass der Jet offenbar nicht gradlinig verläuft, sondern eine Struktur quer zu seiner Flugbahn zeigt, als böge er um die Ecke. „Wir wissen noch nicht, warum der Jet sich an seinem Fußpunkt so stark krümmt“, sagt Thomas Krichbaum vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn, der an der Messung beteiligt war. „Vielleicht wird das Jetplasma aufgrund der Magnetfelder auf gekrümmte Bahnen gezwungen. Es könnte aber auch ein Schockwellen-Phänomen sein.“

Aus den Unterschieden zwischen den Aufnahmen, die sich über zwei Wochen verteilten, ergibt sich, dass sich die abgebildete Materie scheinbar mit fast zwanzigfacher Lichtgeschwindigkeit bewegt. Die tatsächliche Geschwindigkeit dürfte zwar gemäß der Relativitätstheorie geringer sein als die Lichtgeschwindigkeit. Es wirkt nur so schnell, weil sich der Quasar auf die Erde zubewegt und seinem eigenen Licht hinterher eilt. Aber auch wenn man diese Korrektur mit einberechnet, bleibt das hohe Tempo schwer zu erklären. „Der Mechanismus, der den Jet antreibt, muss sehr effizient sein“, sagt Krichbaum.

Mit dem virtuellen Riesenteleskop EHT ließe sich sogar eine Apfelsine auf dem Mond erkennen

Die Auflösung der neuen Aufnahme ist auf den ersten Blick nicht mehr ganz so eindrucksvoll wie beim ersten Bild; statt dem Schatten des Schwarzen Lochs und seiner Akkretionsscheibe sind nur Teile des Jets als helle Flecken zu sehen. Das liegt aber nur daran, dass der Quasar so viel weiter entfernt ist als das erste jemals direkt abgebildete Schwarze Loch. Tatsächlich bleibt die Auflösung enorm, und sie kann nur erreicht werden, weil sich für das EHT acht Radioteleskope auf der ganzen Welt zu einem virtuellen Riesen-Teleskop zusammengeschlossen haben. Der vor einem Jahr häufig bemühte Vergleich gilt noch immer: Mit dem EHT könnte man eine Apfelsine auf dem Mond erkennen.

Die Daten für alle bislang veröffentlichten Bilder stammen aus der ersten Beobachtungsrunde im Jahr 2017. Das nun veröffentlichte Bild von 3C279 war ein Nebenprodukt, weil die Messdaten schon zur Kalibrierung der ersten Aufnahme verwendet wurden. Das nächste größere Etappenziel der Forscher ist ein Bild des Schwarzen Lochs im Herzen der Milchstraße. Allerdings flackert es so stark, dass sich die Auswertung bislang als schwierig erweist. Die für dieses Frühjahr geplante Beobachtungskampagne musste wegen der Corona-Pandemie abgesagt werden. Doch die EHT-Forscher fangen gerade erst an, die Daten von 2018 auszuwerten. Vorerst haben sie also genug zu tun, bis es 2021 weitergehen soll, dann mit einem auf elf Teleskope erweiterten Netzwerk.

Christian Dauck: Ein vergleich, die 90er Jahre und 2019/2020

So sah das Bild 1995 in meinen ersten Buch über, Planeten, Galaxien und Steren aus:

1995: Künstlerische Darstellung. Zu jener Zeit galt die Existenz der erst theoretisch beschriebenen Schwarzen Löcher zwar als sehr wahrscheinlich, war aber noch nicht durch Beobachtungen bestätigt.
2019: Ein reales Bild aus einer Beobachtung
Dieses Bild wird diesen geheimnisvollen Phänomenen erst überhaupt gerecht um dem sich viele Mythen/Legenden ranken und Stoff zahlreicher Science-Fiction-Romane sind. Kein Wunder, sogar Licht und Zeit müssen sich ihnen beugen.

EHT beobachtet den Jet eines Schwarzen Lochs in der Galaxie 3C 279 mit bisher nicht erreichter Bildschärfe. Eine Pressemeldung des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie, Bonn. https://www.mpg.de/14651902/jet-des-quasars-3c279-mit-eht

Blick ins Herz eines Quasars: Die Aufnahmen zeigen die Jetstruktur im Zentralbereich von 3C 279 in unterschiedlichen Wellenlängen mit jeweils höherer Winkelauflösung. Vermerkt sind die Beobachtungstage, die verwendeten Teleskopnetzwerke sowie die Wellenlängen.
© J.Y. Kim (MPIfR), Boston University Blazar Program, und Event-Horizon-Teleskop-Kollaboration

Das erste Bild eines schwarzen Lochs, das dem Event Horizon Telescope (EHT)gelungen war, gilt als wissenschaftliche Sensation. Jetzt, ziemlich genau ein Jahr später, legen die Forschenden dieser Kollaboration nach und präsentieren die Aufnahmen eines sogenannten Jets, der aus dem schwarzen Loch im Zentrum des Quasars 3C 279 heraussprüht. In bisher unerreichter Schärfe ist ein Strahl aus ionisiertem Gas zu sehen, den das Massemonster nahezu mit Lichtgeschwindigkeit ins All spuckt. Das internationale Team um Jae-Young Kim vom Bonner Max-Planck- Institut für Radioastronomie untersuchte die Gestalt des Plasmastrahls nahe seinerBasis, wo vermutlich hochenergetische und variable Gammastrahlung entsteht.

Als die EHT-Kollaboration im April 2017 das schwarze Loch im Zentrum der Galaxie M 87 beobachtete, nahm sie auch einige andere Objekte ins Visier. Dazu gehörte 3C 279 – ein rund fünf Milliarden Lichtjahre entferntes Milchstraßensystem im Sternbild Jungfrau. Wissenschaftler klassifizierten 3C 279 als quasi-stellares Objekt (Quasar), also als extrem kompakten und lichtstarken Kern einer Galaxie, der sehr große Energiemengen abstrahlt. Auch bei 3C 279 scheint diese aktive Zentralquelle ein schwarzes Loch mit der milliardenfachen Sonnenmasse zu sein.

Ein Teil der Materie, welche das schwarze Loch in der sogenannten Akkretionsscheibe umläuft, stürzt nach den Modellen der Astronomen nicht in die Schwerkraftfalle hinein, sondern wird in Form zweier stark gebündelter Plasmastrahlen – den Jets – mit nahezu Lichtgeschwindigkeit nach außen geschleudert. Tatsächlich werden solche Jets schon seit längerem beobachtet. Besonders die Technik der Very Long Baseline Interferometry, an deren Weiterentwicklung das Max-Planck-Institut in Bonn maßgeblich beteiligt war, lieferte dabei Bilder mit höchster Detailschärfe.

Die im EHT-Projekt verbundenen Teleskope haben die bisher erreichte Bildschärfe noch deutlich übertroffen und zeigen Details, die kleiner als ein Lichtjahr sind. Damit wird es möglich, den Jet bis heran an die erwartete Akkretionsscheibe zu verfolgen und die Wechselwirkung zwischen Scheibe und Jet zu beobachten. Dabei erscheint der normalerweise gerade verlaufende Jet an seiner Basis verdrillt. Und zum ersten Mal überhaupt werden Strukturen quer zur Jetrichtung sichtbar, die vermutlich Teile der Akkretionsscheibe sind.

Der Vergleich von Bildern, die an aufeinanderfolgenden Tagen aufgenommen wurden, zeigt deutlich, dass sich die Struktur verändert – vielleicht aufgrund des Einfalls und der Zerkleinerung von Materie auf eine rotierende Akkretionsscheibe nebst Ausstoß von Material in Form eines Jets. Ein solches Szenario kannte man bisher nur von Simulationsrechnungen.

„Wir haben erwartet, mit unserer superscharfen Aufnahme den Bereich abzubilden, in dem der Jet geformt wird. Wir konnten aber zusätzlich die senkrechte Struktur beobachten.“, sagt Jae-Young Kim. „Das ist, wie wenn man eine Matrjoschka-Puppe nach der anderen öffnet. Man glaubt zu wissen, was in der nächsten ist, und in der kleinsten findet sich eine Überraschung“.

Erstaunlicherweise ändern sich die Bilder auf sehr kurzer Zeitskala – und zwar nicht nur entlang des Jets, sondern auch quer dazu. „3C 279 war die erste bekannte astronomische Quelle, für deren Jet eine Bewegung mit scheinbarer Überlichtgeschwindigkeit nachgewiesen wurde“, sagt der Max-Planck-Astronom Thomas Krichbaum, der die Beobachtungen von 3C 279 als Projektleiter konzipiert hat. „Die jetzt beobachteten querverlaufenden scheinbaren Bewegungen mit fast 20-facher Lichtgeschwindigkeit lassen sich nur sehr schwer erklären, etwa mit wandernden Stoßfronten oder aber mit Instabilitäten in einem gekrümmten und vielleicht rotierenden Jet.“

Die an der Beobachtung im Jahr 2017 beteiligten Radioteleskope waren ALMA und APEX in Chile, das IRAM 30-Meter-Teleskop in Spanien, das James-Clerk-Maxwell-Teleskop und das Submillimeter-Array (beide Hawaii), das Large-Millimeter-Teleskop in Mexiko, das Submillimeter-Teleskop in Arizona sowie das Südpol-Teleskop. Die über den halben Globus verteilten Antennen waren mit der oben erwähnten Very Long Baseline Interferometry verbunden.

Diese Technik nutzt zudem die Rotation der Erde und bildet gleichsam ein virtuelles Radioteleskop von der Größe der Erde. Dessen Winkelauflösung würde es einem Astronauten auf dem Mond erlauben, auf der Erde eine einzelne Orange zu erspähen. Die Analyse, mit der die Rohdaten von den beteiligten Teleskopen zu einem Bild verbunden werden, erfordert spezielle Computer, Korrelatoren genannt. Diese befinden sich am Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn und am MIT-Haystack-Observatorium in den USA.

„Im vergangenen Jahr konnten wir der Welt das erste Bild vom Schatten eines schwarzen Lochs vorstellen. Nun sehen wir unerwartete Veränderungen in der Form des Jets von 3C 279, und wir sind noch längst nicht am Ziel angekommen“, sagt J. Anton Zensus, Max-Planck-Direktor und Vorsitzender des EHT-Kollaborationsrats. „Wir arbeiten weiterhin an den Daten von Sagittarius A*, der Zentralquelle unserer Milchstraße, und von anderen aktiven Galaxien. Wie wir im vergangenen Jahr schon betont haben: Das ist erst der Anfang!“

Die für März und April 2020 vorgesehene EHT-Beobachtungskampagne musste aufgrund des globalen CoViD-19-Ausbruchs abgesagt werden. Die EHT-Kollaboration legt im Moment die nächsten Schritte sowohl in Hinblick auf neue Beobachtungen, als auch auf die Analyse der bereits aufgenommenen Daten fest.

„Wir konzentrieren uns jetzt auf die Veröffentlichung der Daten von 2017 und starten mit der Analyse der Daten, die wir mit einem Teleskop mehr im Jahr 2018 aufgenommen haben“, sagt Michael Hecht, Astronom am MIT/Haystack-Observatorium und Vize-Direktor des EHT-Projekts. „Und wir planen die nächste Kampagne im März 2021, dann mit einem auf elf Observatorien vergrößerten Netzwerk.“

Hintergrundinformation:
Die internationale EHT-Kollaboration hat am 10. April 2019 das erste Bild eines Schwarzen Lochs veröffentlicht, zustande gekommen durch Beobachtungen des innersten Bereiches der Radiogalaxie Messier 87 mit einem virtuellen Teleskop von nahezu der Größe der Erde. Unterstützt durch eine Reihe von internationalen Investitionen verbindet das EHT-Projekt bestehende Radioteleskope auf neuartige Weise und bildet so ein neues Instrument mit der besten bisher erreichten Winkelauflösung.

Die an der EHT-Kollaboration beteiligten Einzelteleskope sind zur Zeit: ALMA, APEX (beide in Chile), das IRAM-30m-Teleskop in Spanien, das IRAM-NOEMA-Observatorium in Frankreich (ab 2021), das Kitt-Peak-Teleskop (ab 2021), das James-Clerk-Maxwell-Teleskop (JCMT) und das Submillimeter Array (SMA), beide Hawaii, das Large-Millimeter-Teleskop (LMT) in Mexiko, das Submillimeter-Teleskop (SMT) in Arizona, das Südpol-Teleskop (SPT) direkt am Südpol, sowie das Grönland-Teleskop (GLT, seit 2018).

Das EHT-Konsortium setzt sich aus 13 projektbeteiligten Instituten zusammen: dem Academia Sinica Institute of Astronomy and Astrophysics, der University of Arizona, der University of Chicago, dem East Asian Observatory, der Goethe-Universität Frankfurt, dem Institut de Radioastronomie Millimétrique, dem Large Millimeter Telescope, dem Max-Planck-Institut für Radioastronomie, dem MIT Haystack Observatory, dem National Astronomical Observatory of Japan, dem Perimeter Institute for Theoretical Physics, der Radboud University Nijmegen und dem Smithsonian Astrophysical Observatory.

Von den Autoren der vorliegenden Veröffentlichung sind 37 Personen mit dem Max-Planck-Institut für Radioastronomie verbunden. In der Reihenfolge ihrer Nennung in der Autorenliste sind das: J.Y. Kim, T.P. Krichbaum, T.K. Savolainen, W. Alef, R. Azulay, A.K. Baczko, S. Britzen, R.P. Eatough, R. Karuppusamy, M. Kramer, R. Lico, K. Liu, A.P. Lobanov, R.S. Lu, N.R. MacDonald, K.M. Menten, C. Müller, A. Noutsos, G.N. Ortiz-León, E. Ros, H. Rottmann, A.L. Roy, L. Shao, P. Torne, T. Traianou, J. Wagner, N. Wex, R. Wharton, J.A. Zensus, U. Bach, S. Dornbusch, S.A. Dzib, A. Eckart, D.A. Graham, A. Hernández-Gómez, S. Heyminck, und D. Muders.

Jae-Young Kim, der Erstautor der Veröffentlichung, wird in diesem Jahr mit der Otto-Hahn-Medaille der Max-Planck-Gesellschaft ausgezeichnet, für Untersuchungen der innersten Strukturen und der Entstehung von Jets in der Umgebung supermassereicher Schwarzer Löcher bei hoher Auflösung. Die Otto-Hahn-Medaille wird verliehen in Anerkennung außergewöhnlicher Leistungen in der frühen Schaffensperiode junger Wissenschaftler.