Das erste Bild des Schwarzen Lochs M87 (55M LJ entfernt)

Die wegweisende Entdeckung des Schwarzen Lochs im Zentrum der Galaxie M87 markiert einen Wendepunkt in der Astronomie.

Diese Leistung, resultierend aus der visionären Idee des deutschen Astrophysikers Heino Falcke und der Zusammenarbeit eines internationalen Teams, illustriert eindrucksvoll die Möglichkeiten moderner Astrophysik.

Das Wichtigste in Kürze

  • Durchbruch in der schwarzen Loch-Forschung: Am 10. April 2019 gelang es einem internationalen Team, angeführt von dem deutschen Astrophysiker Heino Falcke, das erste Bild eines Schwarzen Lochs im Zentrum der Galaxie M87 aufzunehmen.
  • Technologische Meisterleistung: Die Aufnahme wurde durch die innovative Technik des „Event Horizon Telescope“ (EHT), einer globalen Zusammenstellung von acht Radioteleskopen, ermöglicht. Diese Technik nutzt die „Interferometrie mit sehr langen Basistrecken“ (VLBI), um ein virtuelles, erdumspannendes Teleskop zu erschaffen.
  • Wissenschaftliche Bedeutung: Die erste direkte visuelle Bestätigung eines supermassereichen Schwarzen Lochs und seines Schattens. Es bestätigt Einsteins allgemeine Relativitätstheorie und eröffnet neue Möglichkeiten zur Erforschung der extremsten Objekte im Universum.
  • Globale Zusammenarbeit: Das Projekt war ein Beispiel für außergewöhnliche internationale Zusammenarbeit, bei der Forscher aus der ganzen Welt und zahlreiche Observatorien beteiligt waren.
  • Zukunftsaussichten: Fortlaufende Forschungen zielen darauf ab, die Physik der Schwarzen Löcher besser zu verstehen und die allgemeine Relativitätstheorie weiter zu testen.

Die Idee und ihre Urheber

Im Jahr 2000 kam der deutsche Astrophysiker Heino Falcke (*26.09.1966) gemeinsam mit Eric Agol und Fulvio Melia auf die Idee, das Bild eines Schwarzen Loches aufzunehmen. Zu diesem Zweck schlug er die Möglichkeit der Beobachtung des Ereignishorizonts mit zusammengeschalteten Radioteleskopen (VLBI bei Submillimeter-Wellenlängen) vor.

Der Durchbruch gelang mit dem internationalen „Event Horizon Telescope Project“ (EHT, Ereignishorizont-Teleskop), bei dem Heino Falcke in führender Rolle beteiligt war.

Das Event Horizon Telescope (EHT) Projekt

Das EHT – eine erdumspannende Anordnung von 8 bodengebundenen Radioteleskopen und einem Team von mehr als 200 Forschern – wurde in einer großen internationalen Gemeinschaftsleistung entwickelt, um Abbilder im Wellenlängenbereich von Licht, Radiowellen sowie Röntgen- und Gammastrahlen schwarzer Löcher aufzunehmen.

Das EHT verbindet Teleskope rund um den Globus zu einem beispiellosen erdumspannenden virtuellen Teleskop, als wenn die ganze Welt in ein globales Teleskop verwandelt würde. So bietet das EHT Wissenschaftlern eine neue Möglichkeit, die extremsten Objekte im Universum zu untersuchen und zu bestätigen, die von Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie vorhergesagt wurden.

Der Zusammenschluss des EHT war eine gewaltige Herausforderung, die den Ausbau und die Verbindung eines weltweiten Netzwerks von acht bereits existierenden Teleskopen erforderte, die an einer Vielzahl von anspruchsvollen hochgelegenen Standorten zum Einsatz kamen. Zu diesen Orten gehörten Vulkane in Hawaii und Mexiko, Berge in Arizona und der spanischen Sierra Nevada, die chilenische Atacama-Wüste und die Antarktis.

Die Technik hinter dem EHT

Die EHT-Beobachtungen verwenden eine Technik, die als „Interferometrie mit sehr langen Basistrecken“ (VLBI) bezeichnet wird, die Teleskopanlagen auf der ganzen Welt synchronisiert und die Rotation unseres Planeten ausnutzt, um ein riesiges, erdumspannendes Teleskop zu bilden, das bei einer Wellenlänge von 1,3 mm beobachtet.

Die VLBI ermöglicht dem Ereignishorizont-Teleskop (EHT, Event Horizon Telescope) eine Winkelauflösung von 20 Mikro-Bogensekunden – genug, um eine Zeitung in New York aus einem Café in Paris zu lesen.

Die erste Abbildung eines Schwarzen Lochs

Es war eine Weltsensation: Am 10.04.2019 zeigten die EHT-Forscher am 10.04.2019 in koordinierten Pressekonferenzen auf der ganzen Welt ein Bild des 55 Mio. Lichtjahre von der Erde entfernten Schwarzen Lochs und seines Ereignishorizonts im Zentrum der Galaxie „Messier 87“ („M87“), einer massereichen Galaxie im nahegelegenen Virgo-Galaxienhaufen – ein Wendepunkt in der Astronomie.

Das erste „Foto“ eines Schwarzes Lochs „M87“ (10.04.2019)
Copyright: picture alliance/dpa/HPIC

Das Schwarze Loch mit 6,6 Mrd. Sonnenmassen im Zentrum der 55 Millionen Lichtjahre entfernten Galaxie „M87“ konnte natürlich nicht selber sichtbar gemacht werden – doch der leuchtende Ring aus heißer Materie, die das Schwarze Loch umgibt. Sie ist der Ursprung jener Radiowellen, die von den Teleskopen aufgefangen wurden. Im Zentrum bleibt dann halt eine schwarze Kreisfläche übrig.

Die Mitwirkenden und ihre Beiträge

Zu diesem Ergebnis trugen ALMA, APEX, das IRAM 30-Meter-Teleskop, das James Clerk Maxwell Telescope, das Large Millimeter Telescope Alfonso Serrano, das Submillimeter Array, das Submillimeter Telescope und das South Pole Telescope bei. Petabytes von Rohdaten von den Teleskopen wurden von hochspezialisierten Supercomputern kombiniert, die vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie und dem MIT Haystack Observatorium betrieben wurden.

Europäische Einrichtungen und Finanzmittel spielten bei diesen weltweiten Bemühungen eine entscheidende Rolle, wobei die Beteiligung fortschrittlicher europäischer Teleskope und die Unterstützung des Europäischen Forschungsrates – eine wichtige Rolle inne hatten.

Die Unterstützung durch ESO, IRAM und die Max-Planck-Gesellschaft war ebenfalls von zentraler Bedeutung. Mit der Errichtung des EHT und den heute angekündigten Beobachtungen ist der Höhepunkt jahrzehntelanger Beobachtungsarbeit in technischer und theoretischer Hinsicht erreicht.

Dieses Beispiel für globale Teamarbeit erforderte eine enge Zusammenarbeit von Forschern aus der ganzen Welt. Dreizehn Partnerinstitutionen arbeiteten bei der Schaffung des EHT zusammen und nutzten dabei sowohl die bereits vorhandene Infrastruktur als auch die Unterstützung durch eine Vielzahl von Behörden.

Die wichtigsten Mittel wurden von der US National Science Foundation (NSF), dem Europäischen Forschungsrat (ERC) der EU und Fördereinrichtungen in Ostasien bereitgestellt.

Die wissenschaftliche Bedeutung des Schwarzen Lochs M87

Im April 2019 gelang der erste direkte visuelle Nachweis für ein supermassereiches Schwarzes Loch und seinen Schatten. Supermassereiche schwarze Löcher sind relativ kleine astronomische Objekte – was sie bisher einer direkten Beobachtung entzogen hat.

Da die Größe des Ereignishorizonts eines schwarzen Lochs proportional zu seiner Masse ist, gilt: Je massereicher ein Schwarzes Loch, desto größer der Schatten. Dank seiner enormen Masse und relativen Nähe wurde das Schwarze Loch von „M87“ als eines der größten von der Erde aus sichtbaren Löcher vorhergesagt – was es zu einem perfekten Ziel für das EHT macht.

Mit dem Schatten eines schwarzen Lochs kommen die Wissenschaftler einem Bild des schwarzen Lochs selbst am nächsten, einem völlig dunklen Objekt, aus dem das Licht nicht entweichen kann. Die Grenze des schwarzen Lochs – der Ereignishorizont, von dem das EHT seinen Namen hat – ist etwa 2,5 mal kleiner als der knapp 40 Mrd. Kilometer große Schatten, den es wirft.

Wenn die Wissenschaftler in eine helle Region eintauchen, wie eine Scheibe aus glühendem Gas, erwarten sie, dass ein Schwarzes Loch eine dunkle Region ähnlich einem Schatten erzeugt – etwas, das durch Einsteins allgemeine Relativitätstheorie vorhergesagt wird, aber wir noch nie zuvor gesehen haben.

Dieser Schatten, verursacht durch die Gravitationskrümmung und den Einfang von Licht durch den Ereignishorizont, offenbart viel über die Natur dieser faszinierenden Objekte. Er hat es uns ermöglicht, die enorme Masse des schwarzen Lochs von M87 zu messen.

Mehrere Kalibrier- und Abbildungsmethoden haben eine ringförmige Struktur mit einem dunklen zentralen Bereich – dem Schatten des schwarzen Lochs – ergeben, die über mehrere unabhängige EHT-Beobachtungen hinweg Bestand hatte. Sobald die Forscher sicher waren, dass sie den Schatten aufgenommen hatten, konnten wir unsere Beobachtungen mit umfangreichen Computermodellen vergleichen, die die Physik des verzerrten Raums, von heißer Materie und starken Magnetfeldern beinhalten.

Viele der Merkmale des beobachteten Bildes entsprechen dem theoretischen Verständnis überraschend gut. Das macht die Forscher zuversichtlich für die Interpretation unserer Beobachtungen, einschließlich ihrer Abschätzung der Masse des Schwarzen Lochs.

Die Wissenschaftler haben damit etwas erreicht, das noch vor einer Generation als unmöglich galt. Durchbrüche in der Technologie, Verbindungen zwischen den besten Radioobservatorien der Welt und innovative Algorithmen haben ein völlig neues Fenster zu schwarzen Löchern und dem Ereignishorizont geöffnet.

Fortlaufende Forschungen und Zukunftsaussichten

Seit dem April 2019 haben 760 Wissenschaftler und Ingenieure in 19 Observatorien und rund 200 Forschungsinstituten in einer umfangreichen Messkampagne und globalen Kooperation das Schwarze Loch von „M87“ nicht nur mit dem EHT, sondern auch mit anderen Teleskopen weiter erforscht, die elektromagnetische Strahlung in anderen Wellenlängenbereichen registrieren können.

Gemessen wurde infrarotes und sichtbares Licht sowie Röntgen- und Gammastrahlung. Anfang Juni 2021 wurden in den „Astrophysical Journal Letters“ die multispektralen Simultanmessungen des Schwarzen Lochs von „M87“ präsentiert. Von den Messdaten erhoffen sich die Wissenschaftler ein besseres Verständnis jener Vorgänge, die sich in der Umgebung eines Schwarzen Lochs abspielen.

Materie in kosmischer Nähe wird von dessen gigantischer Schwerkraft angezogen. Sie sammelt sich in einer um das Schwarze Loch schnell rotierenden Scheibe an und heizt sich dabei auf sehr hohe Temperaturen auf. Weil die Materie in der sog. Aggregationsscheibe extrem heiß ist, sendet sie in praktisch allen Bereichen des elektromagnetischen Spektrums Strahlung aus.

Ein Teil dieser Materie wird vom Schwarzen Loch verschlungen. Ein anderer Teil wird aus der rotierenden Scheibe als scharf gebündelter Materiestrahl mit nahezu Lichtgeschwindigkeit ins All katapultiert. Diese sog. Jets erhalten ihre Energie aus den starken Magnetfeldern im Umfeld des Schwarzen Lochs. Die Details dieses Prozesses sind indes noch nicht gut verstanden. Die Jet-Teilchen sind so energiereich, dass sie sogar die Galaxie verlassen.

Die Forscher halten es für wahrscheinlich, dass ein Teil der sog. kosmischen Strahlung, von der die Erde unentwegt getroffen wird, ihren Ursprung in solchen Jets Schwarzer Löcher hat. Manche Teilchen in der kosmischen Strahlung haben millionenfach mehr Energie als die Protonen, die im weltgrößten Teilchenbeschleuniger LHC im Genfer Forschungszentrum Cern beschleunigt werden.

Bislag gibt es aber keine andere Erklärungsmöglichkeit für die extrem hohe Energie der kosmischen Strahlung als die Beschleunigung in der Nähe eines Schwarzes Lochs. Die Messdaten könnten daher dabei helfen, den Mechanismus der Jet-Entstehung besser zu verstehen und den genauen Ort zu ermitteln, an dem die Beschleunigung der Teilchen stattfindet.

Das Verständnis dieser Beschleunigung geht Hand in Hand mit dem Verständnis der Bilder vom Schwarzen Loch in all seinen verschiedenen Farben, also Wellenlängen. Die Ergebnisse der Messungen werden den Wissenschaftlern helfen, die Menge der transportierten Energie zu berechnen und den Effekt, den die Jets des Schwarzen Lochs auf seine Umgebung ausüben.

Die einzigartigen Daten aus den EHT-Messungen sind entscheidend für das Verständnis der physikalischen Bedingungen in der unmittelbaren Umgebung eines der massereichsten Schwarzen Löcher in unserer kosmischen Nachbarschaft.

Auf der Grundlage der Messdaten wollen die Forscher noch der weiteren grundlegenden Frage nachgehen, ob die Beobachtungen mit der allgemeinen Relativitätstheorie von Albert Einstein vereinbar sind. Schon geringste Abweichungen würden sich in diesen Daten verraten. Die Messungen sind gleichsam ein ultrapräziser Test der Gültigkeit von Einsteins Theorie.

Siehe dazu die eindrucksvolle Darstellung von Heino Falcke in seinem Buch „Licht im Dunkeln – Schwarze Löcher, das Universum und wir“, Verlag Klett-Cotta, 2020.

Abschließende Gedanken

Die Abbildung des Schwarzen Lochs M87 markiert einen wissenschaftlichen Durchbruch, der menschliche Neugier, technologische Innovation und internationale Zusammenarbeit vereint.

Diese Entdeckung inspiriert zukünftige Forschung und unterstreicht die unerschöpfliche Suche der Menschheit nach Verständnis des Universums.

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