Das erste Bild des Schwarzen Lochs M87 (55M LJ entfernt)
Die Entdeckung eines massiven Schwarzen Lochs im Kern der Galaxie M87 stellt einen bedeutenden Fortschritt in der Weltraumforschung dar und eröffnet neue Perspektiven für das Verständnis der Gravitationsdynamik in riesigen Galaxien.
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 Event Horizon Telescope (EHT) – ein globales Netzwerk aus acht bodengebundenen Radioteleskopen, unterstützt von einem internationalen Konsortium aus über 200 Wissenschaftlern – wurde entwickelt, um hochauflösende Bilder von schwarzen Löchern zu erfassen, die in den Spektren von Licht, Radio-, Röntgen- und Gammastrahlen operieren. Dieses Netzwerk simuliert ein erdumspannendes Teleskop, das die Fähigkeit bietet, bisher unerreichbare astronomische Phänomene zu untersuchen.
Das EHT schafft es, durch die Verknüpfung der Teleskope über die Technik der Langbasis-Interferometrie, Einsteins Vorhersagen über die Natur von Raum und Zeit nahe extrem massereichen Objekten zu überprüfen. Diese Methode transformiert die Art und Weise, wie wir die unsichtbaren Teile des Universums verstehen.
Der Aufbau dieses Netzwerks erforderte erhebliche technische Anpassungen und Koordination zwischen Standorten, die geographische Extreme abdecken, darunter vulkanische Gipfel und polare Eisfelder, wodurch eine einzigartige Herausforderung in der Geschichte der Astronomie bewältigt wurde.
Die Technik hinter dem EHT
Das Event Horizon Telescope (EHT) nutzt die „Very Long Baseline Interferometry“ (VLBI), eine Technik, die Teleskope weltweit koordiniert und die Rotation der Erde einsetzt, um die Präzision eines umfangreichen, globalen Teleskops zu erreichen, das bei einer Wellenlänge von 1,3 Millimetern operiert. Diese Methode steigert die Fähigkeit, feinste Details im Weltraum zu erfassen.
Mit der VLBI erzielt das EHT eine Winkelauflösung von 20 Mikro-Bogensekunden, die es ermöglicht, aus der Ferne extrem feine Strukturen zu unterscheiden, so als könnte man von einem Pariser Café aus die Überschriften einer Zeitung in New York deutlich lesen.
Die erste Abbildung eines Schwarzen Lochs
Am 10. April 2019 markierte die Veröffentlichung eines Bildes des Schwarzen Lochs im Herzen der Galaxie Messier 87 (M87), die 55 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt im Virgo-Galaxienhaufen liegt, einen historischen Moment in der Astronomie.
Copyright: picture alliance/dpa/HPIC
Dieses Bild, enthüllt durch weltweit synchronisierte Pressekonferenzen des Event Horizon Telescope Teams, zeigte nicht das Schwarze Loch selbst – das per Definition unsichtbar ist – sondern einen leuchtenden Ring aus akkretierender Materie darum, der die Präsenz des massiven Objekts mit etwa 6,6 Milliarden Sonnenmassen verriet.
Die emittierten Radiowellen, eingefangen von einem Netzwerk von Teleskopen, ermöglichten diese Visualisierung, bei der im Bildzentrum eine eindrucksvolle dunkle Kreisfläche erscheint.
Die Mitwirkenden und ihre Beiträge
Das Event Horizon Telescope (EHT), ein Pionierprojekt in der astronomischen Beobachtung, wurde durch Beiträge von weltbekannten Observatorien wie 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 realisiert. Die Auswertung der gewaltigen Datenmengen wurde von leistungsstarken Supercomputern am Max-Planck-Institut für Radioastronomie und am MIT Haystack Observatorium durchgeführt.
Die Beteiligung europäischer Einrichtungen und die finanzielle Unterstützung durch den Europäischen Forschungsrat spielten eine zentrale Rolle in dieser internationalen Unternehmung. Ebenso kritisch war die Unterstützung durch die ESO, IRAM und die Max-Planck-Gesellschaft, die den wissenschaftlichen und technologischen Fortschritt in diesem Bereich maßgeblich vorangetrieben haben.
Dieses beispiellose globale Projekt umfasste die Zusammenarbeit von dreizehn Partnerinstitutionen, die eine bestehende Infrastruktur nutzten und umfangreiche Unterstützung von einer Vielzahl von Behörden erhielten, mit wesentlichen Beiträgen von der US National Science Foundation (NSF), dem ERC und Finanzierungsstellen aus Ostasien.
Die wissenschaftliche Bedeutung des Schwarzen Lochs M87
Im April 2019 gelang ein bahnbrechender Durchbruch: Wissenschaftler konnten erstmalig ein supermassereiches Schwarzes Loch und seinen Schatten direkt abbilden. Diese Schwarzen Löcher, obwohl relativ kompakt, entzogen sich aufgrund ihrer Größe bisher der direkten Beobachtung.
Das Volumen des Ereignishorizonts eines Schwarzen Lochs wächst proportional zu seiner Masse. Daher ist das Schwarze Loch in der Galaxie M87, aufgrund seiner enormen Masse und relativen Nähe zur Erde, mit einem der größten sichtbaren Schatten ausgestattet, was es zu einem idealen Ziel für das EHT machte.
Die Aufnahme des Schattens bringt Forscher der Vorstellung eines Schwarzen Lochs, einem Ort, aus dem kein Licht entkommt, näher. Der Ereignishorizont – der Namensgeber für das EHT – ist deutlich kleiner als der immense Schatten, den er projiziert.
Wissenschaftler, die leuchtende Materie um ein Schwarzes Loch herum beobachten, sehen einen dunklen Fleck, vergleichbar mit einem Schatten, wie von Einsteins Relativitätstheorie vorausgesagt. Diese direkte Beobachtung liefert neue Einblicke in die Natur dieser geheimnisvollen Objekte und erlaubte die genaue Messung der Masse des M87 Schwarzen Lochs.
Mehrere Bildgebungs- und Kalibrierungstechniken führten zu konsistenten Darstellungen einer ringförmigen Struktur mit einem zentralen dunklen Bereich, dem Schatten, bestätigt über unabhängige EHT-Beobachtungen. Nach Sicherstellung, dass der Schatten korrekt erfasst wurde, konnten die Aufnahmen mit umfassenden Computermodellen verglichen werden, die komplexe Phänomene wie verzerrten Raum, heiße Materie und starke Magnetfelder simulieren.
Die Übereinstimmung der Beobachtungsergebnisse mit den theoretischen Modellen hat das Vertrauen der Forscher in die Richtigkeit ihrer Interpretationen, einschließlich der Massebestimmung des Schwarzen Lochs, verstärkt.
Diese wissenschaftliche Leistung, die früher als unerreichbar galt, wurde durch Fortschritte in der Technologie, die Verbindung der führenden Radioobservatorien der Welt und durch innovative Algorithmen ermöglicht, wodurch ein neues Fenster zu den Geheimnissen der Schwarzen Löcher und ihrer Ereignishorizonte geöffnet wurde.
Fortlaufende Forschungen und Zukunftsaussichten
Seit April 2019 arbeiteten über 760 Wissenschaftler und Ingenieure aus 19 Observatorien und etwa 200 Forschungsinstituten weltweit zusammen, um das Schwarze Loch M87 umfassend zu untersuchen. Neben dem Event Horizon Telescope (EHT) kamen dabei verschiedene Teleskope zum Einsatz, die elektromagnetische Strahlung über ein breites Spektrum hinweg erfassen.
Die Untersuchungen konzentrierten sich auf die Messung von Infrarot-, Sichtlicht-, Röntgen- und Gammastrahlung. Die im Juni 2021 in den „Astrophysical Journal Letters“ veröffentlichten Ergebnisse dieser multispektralen Messungen liefern neue Einblicke in die dynamischen Prozesse rund um Schwarze Löcher.
Die gravitative Anziehungskraft des Schwarzen Lochs zieht nahe Materie an, die sich in einer schnell rotierenden Akkretionsscheibe sammelt und dabei extrem erhitzt wird. Diese Hitze führt dazu, dass die Scheibe intensiv über das gesamte elektromagnetische Spektrum strahlt.
Während ein Teil dieser Materie vom Schwarzen Loch absorbiert wird, wird ein anderer Teil durch starke Magnetfelder als gebündelter Materiejet nahezu mit Lichtgeschwindigkeit ins All geschleudert. Diese Jets, deren Entstehungsdetails noch unzureichend verstanden sind, sind möglicherweise Quellen der kosmischen Strahlung, die die Erde erreicht.
Diese hochenergetischen Teilchen, energiereicher als die Protonen im Large Hadron Collider am CERN, könnten helfen, den Beschleunigungsprozess in der Nähe Schwarzer Löcher besser zu verstehen. Sie liefern möglicherweise auch Aufschlüsse darüber, wo genau diese Beschleunigung stattfindet.
Durch die Analyse dieser Phänomene in verschiedenen Wellenlängen hoffen die Forscher, die transportierte Energiemenge und den Einfluss der Schwarzen Loch-Jets auf ihre Umgebung genauer bestimmen zu können.
Die Daten des EHT sind dabei von besonderer Bedeutung, da sie es ermöglichen, die physikalischen Bedingungen in der unmittelbaren Umgebung eines der massereichsten bekannten Schwarzen Löcher zu erforschen und die Konformität dieser Beobachtungen mit der allgemeinen Relativitätstheorie von Einstein zu testen. Jegliche Abweichungen könnten Hinweise auf neue physikalische Phänomene liefern.
– 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.
