Die mit dem Event Horizon Telescope verbundenen Teleskope/Teleskopanordnungen waren auf Messier 87 gerichtet. So sieht ein supermassives Schwarzes Loch aus, und der Ereignishorizont ist deutlich sichtbar. Event Horizon Telescope collaboration et al.

Vielfalt ist nicht nur die Würze des Lebens, sondern eine natürliche Folge des Lebens in unserem Universum. Die Gravitation, die in allen Maßstäben denselben universellen Gesetzen gehorcht, erzeugt Materieklumpen und -haufen in einer enormen Vielfalt von Kombinationen, von dünnen Gaswolken bis hin zu massiven Sternen, die alle zu Galaxien, Haufen und einem großen kosmischen Netz zusammengefügt sind.

Aus unserer Perspektive auf der Erde gibt es enorm viel zu beobachten. Allerdings können wir nicht alles sehen. Wenn die massereichsten Sterne sterben, werden ihre Leichen zu schwarzen Löchern. Bei so viel Masse in einem so kleinen Raumvolumen kann nichts – kein einziges Signal – nach außen dringen. Wir können die Materie und das Licht, das um diese schwarzen Löcher herum ausgestrahlt wird, nachweisen, aber innerhalb des Ereignishorizonts entkommt nichts. In einer unglaublichen Erfolgsgeschichte für die Wissenschaft haben wir gerade zum ersten Mal erfolgreich einen Ereignishorizont abgebildet. Hier ist, was wir gesehen haben, wie wir es gemacht haben und was wir gelernt haben.

Das Schwarze Loch im Zentrum der Galaxie M87 ist etwa 1000-mal größer als das Schwarze Loch der Milchstraße, aber mehr als 2000-mal weiter entfernt. Der relativistische Jet, der von seinem zentralen Kern ausgeht, ist einer der größten und am stärksten gebündelten, die je beobachtet wurden. Dies ist die Galaxie, die uns den ersten Ereignishorizont überhaupt zeigt. ESA/Hubble und NASA

Was haben wir gesehen? Was man sieht, hängt davon ab, wohin man schaut und wie man beobachtet. Wenn wir einen Ereignishorizont sehen wollen, ist es am besten, wenn wir auf das Schwarze Loch schauen, das aus unserer Perspektive auf der Erde am größten erscheinen würde. Das bedeutet, dass es das größte Verhältnis von tatsächlicher, physischer Größe zu seiner Entfernung von uns haben muss. Während es in unserer eigenen Galaxie bis zu einer Milliarde schwarzer Löcher geben kann, befindet sich das bei weitem massivste, von dem wir wissen, in einer Entfernung von etwa 25.000 Lichtjahren: im Zentrum der Milchstraße.

Das größte schwarze Loch, gemessen an der Winkelgröße seines Ereignishorizonts, ist von der Erde aus sichtbar und hat eine geschätzte Masse von 4 Millionen Sonnen. Das zweitgrößte ist viel weiter entfernt, aber viel, viel größer: das schwarze Loch im Zentrum von M87. Dieses schwarze Loch ist schätzungsweise 60 Millionen Lichtjahre entfernt, hat aber eine geschätzte Masse von 6,6 Milliarden Sonnen.

Das Event Horizon Telescope enthüllt in einer etwa 60 Millionen Lichtjahre entfernten Galaxie die Silhouette des Schwarzen Lochs im Zentrum von M87 vor dem Hintergrund der dahinter liegenden Radioemissionen. Die vom Event Horizon Telescope rekonstruierte Masse des Schwarzen Lochs im Zentrum von M87 beläuft sich auf 6,5 Milliarden Sonnenmassen. Event Horizon Telescope collaboration et al.

Das Event Horizon Telescope hat versucht, die Ereignishorizonte der beiden Löcher abzubilden, mit gemischten Ergebnissen. Das Schwarze Loch im Zentrum der Milchstraße – bekannt als Sagittarius A* – wurde ursprünglich als etwas größer als sein Gegenstück in M87 geschätzt, doch sein Ereignishorizont wurde noch nicht abgebildet. Wenn man das Universum beobachtet, bekommt man nicht immer das, was man erwartet; manchmal bekommt man das, was es einem gibt. Stattdessen war es das Schwarze Loch von M87′, das als erstes durchkam, ein viel helleres und viel saubereres Signal.

Was wir gefunden haben, ist spektakulär. Die dunklen Pixel in der Mitte des Bildes sind eigentlich die Silhouette des Ereignishorizonts selbst. Das Licht, das wir beobachten, stammt von der beschleunigten, erhitzten Materie in seiner Umgebung, die elektromagnetische Strahlung aussenden muss. Wo die Materie existiert, sendet sie Radiowellen aus, und der dunkle Kreis, den wir sehen, ist der Ort, an dem die Hintergrund-Radiowellen durch den Ereignishorizont selbst blockiert werden.

Loch im Zentrum unserer Galaxie: Sagittarius A*. Es hat eine Masse von etwa vier Millionen Sonnen und ist von heißem, Röntgenstrahlen emittierendem Gas umgeben. Röntgenbild: NASA/UMass/D.Wang et al., IR: NASA/STScI

Für M87 haben wir alles gesehen, was wir uns erhoffen konnten. Aber bei Sagittarius A* hatten wir nicht ganz so viel Glück.

Wenn man ein Schwarzes Loch betrachtet, versucht man, das Radio-Hintergrundlicht zu sehen, das die enorme Masse im Zentrum einer Galaxie umgibt, wobei der Ereignishorizont des Schwarzen Lochs selbst im Vordergrund eines Teils des Lichts sitzt und eine Silhouette erkennen lässt. Dazu müssen drei Dinge zusammenpassen:

1. Sie müssen die richtige Auflösung haben, d.h. Ihr Teleskop (oder Teleskop-Array) muss das Objekt, das Sie betrachten, als mehr als ein einzelnes Pixel sehen können.
2. Sie brauchen eine Galaxie, die radioaktiv ist, d.h. einen Radiohintergrund aussendet, der stark genug ist, um sich tatsächlich von der Silhouette des Ereignishorizonts abzuheben.
3. Und man braucht eine Galaxie, die radio-transparent ist, was bedeutet, dass man tatsächlich den ganzen Weg zum Schwarzen Loch sehen kann, ohne von den Radiosignalen im Vordergrund gestört zu werden.

Das Schwarze Loch im Zentrum der Galaxie M87 ist hier in drei Ansichten zu sehen. Oben die optische Aufnahme von Hubble, unten links die Radioaufnahme von NRAO und unten rechts die Röntgenaufnahme von Chandra. Trotz seiner Masse von 6,6 Milliarden Sonnen ist er über 2000 Mal weiter entfernt als Sagittarius A*. Das Event Horizon Telescope hat versucht, sein Schwarzes Loch im Radio zu sehen, und war dabei erfolgreich, was bei Sagittarius A* nicht der Fall war. Oben, optisch, Hubble-Weltraumteleskop / NASA / Wikisky; unten links, Radio, NRAO / Very Large Array (VLA); unten rechts, Röntgen, NASA / Chandra-Röntgenteleskop

Wir haben ausgedehnte Emissionen in der Umgebung von Schwarzen Löchern schon oft in vielen Wellenlängen des Lichts gesehen, auch im Radioteil des Spektrums. Während M87 alle drei notwendigen Kriterien erfüllt, hatte das Schwarze Loch im Zentrum unserer eigenen Galaxie kein ausreichendes Signal-Rausch-Verhältnis, um ein Bild zu erzeugen, möglicherweise aufgrund der viel geringeren Strahlungsintensität. Schade, denn wir hätten gerne ein besseres Bild eines zweiten schwarzen Lochs, des nach Winkelgröße größten am Himmel der Erde, gehabt. Wir bekommen das Universum, das wir haben, aber nicht das, das wir uns erhoffen.

Das drittgrößte Schwarze Loch von der Erde aus gesehen befindet sich im Zentrum der weit entfernten Galaxie NGC 1277. Das Event Horizon Telescope hat zwar die richtige Auflösung, um es zu sehen, aber es handelt sich um eine radioaktive Galaxie, so dass der Radiohintergrund nicht ausreicht, um die Sihouette zu sehen. Das viertgrößte Schwarze Loch befindet sich ganz in der Nähe, im Zentrum von Andromeda, aber unsere Auflösung, selbst mit dem Event Horizon Telescope, ist zu gering, um es zu sehen.

Arrays, die zu den Abbildungsmöglichkeiten des Event Horizon Telescope von einer der Hemisphären der Erde aus beitragen. Die von 2011 bis 2017 und insbesondere 2017 aufgenommenen Daten haben es uns nun ermöglicht, erstmals ein Bild des Ereignishorizonts eines Schwarzen Lochs zu erstellen. APEX, IRAM, G. Narayanan, J. McMahon, JCMT/JAC, S. Hostler, D. Harvey, ESO/C. Malin

Wie haben wir es gesehen? Das ist so ziemlich der bemerkenswerteste Teil. Das Event Horizon Telescope benötigt, wie jedes andere Teleskop auch, zwei verschiedene Aspekte der gesammelten Daten, um eine kritische Schwelle zu überschreiten.

1. Es muss genügend Licht sammeln, um Signal von Rauschen, radio laute Regionen von radioleisen Regionen und die Region um das Schwarze Loch vom Rest der Umgebung um das galaktische Zentrum zu unterscheiden.
2. Es muss eine ausreichend hohe Auflösung erreichen, damit die genauen Details an ihrer korrekten Winkelposition im Raum lokalisiert werden können.

Beides brauchen wir, um die Details eines jeden astronomischen Objekts, einschließlich eines Schwarzen Lochs, zu rekonstruieren. Das Event Horizon Telescope hatte eine enorme Herausforderung zu bewältigen, um überhaupt ein Bild eines Schwarzen Lochs zu erhalten, und zwar wegen der Winzigkeit seiner Winkelgröße.

Das hier simulierte Bild ist das größte, das aus der Perspektive der Erde gesehen wurde. Das Event Horizon Telescope hat heute (10. April 2019) das erste Bild des Ereignishorizonts eines Schwarzen Lochs veröffentlicht. Die Größe des Ereignishorizonts (weiß) und die Größe der lichtlosen Region (schwarz) haben die Verhältnisse, die von der Allgemeinen Relativitätstheorie und der Masse des Schwarzen Lochs selbst vorhergesagt werden. Ute Kraus, Physiklehrgruppe Kraus, Universität Hildesheim; Hintergrund: Axel Mellinger

Da die Regionen um Schwarze Löcher auf so hohe Geschwindigkeiten beschleunigt werden, erzeugt die Materie in ihnen – bestehend aus geladenen Teilchen – starke Magnetfelder. Wenn sich ein geladenes Teilchen in einem Magnetfeld bewegt, sendet es Strahlung aus, und von dort kommen die Radiosignale. Selbst ein bescheidenes Radioteleskop mit einem Durchmesser von nur wenigen Metern reicht aus, um das Signal aufzufangen. In Bezug auf die Lichtsammelleistung ist es ziemlich einfach, das Signal gegenüber dem Rauschen zu erkennen.

Aber die Auflösung ist extrem schwierig. Sie hängt von der Anzahl der Wellenlängen des Lichts ab, die auf den Durchmesser des Teleskops passen. Um das winzige Schwarze Loch im Zentrum unserer Galaxie zu sehen, bräuchten wir ein optisches Teleskop mit einem Durchmesser von 5.000 Metern; im Radiobereich, wo die Wellen viel länger sind, bräuchten wir einen Durchmesser von etwa 12.000.000 Metern!

Teilnehmende Teleskope des Event Horizon Telescope (EHT) und des Global mm-VLBI Array (GMVA). Es hat zum ersten Mal den Schatten des Ereignishorizonts eines supermassereichen Schwarzen Lochs abgebildet. ESO/O. Furtak

Das ist der Grund, warum das Event Horizon Telescope so leistungsstark und clever ist. Die Technik, die es anwendet, ist als Very Long Baseline Interferometry (VLBI) bekannt, bei der zwei oder mehr Teleskope, die dieselbe Art von Beobachtungen von zwei verschiedenen Orten aus machen können, zusammengeschaltet werden.

Durch gleichzeitige Beobachtungen erhält man nur die Lichtsammelleistung der einzelnen Schüsseln zusammen, aber man erhält die Auflösung der Entfernung zwischen den Schüsseln. Indem wir den Durchmesser der Erde mit vielen verschiedenen Teleskopen (oder Teleskopanordnungen) gleichzeitig abdeckten, konnten wir die für die Auflösung des Ereignishorizonts erforderlichen Daten erhalten.

Geschwindigkeit war der begrenzende Faktor bei EHT-ähnlichen Studien. Proto-EHT begann im Jahr 2007 und war zu absolut nichts von dem fähig, was heute erforscht wird. Dies ist ein Screenshot aus einem Vortrag des EHT-Wissenschaftlers Avery Broderick. Perimeter Institute

Die Datenraten waren unglaublich:

• Es zeichnet eine Welle mit einer Frequenz auf, die 230 Milliarden Beobachtungen pro Sekunde entspricht.
• Das entspricht 8 GB pro Sekunde an jeder Station.
• Bei 8 Stationen mit Teleskopen/Teleskopanordnungen erhält man bei einer Stunde kontinuierlicher Beobachtung 225 TB an Daten.
• Bei einem einwöchigen Beobachtungslauf ergibt das 27 PB (Petabytes) an Daten!

Alles für ein einziges Bild eines Schwarzen Lochs. Nachdem die Datenmodule für M87 zusammengeführt wurden, standen 5 PB an Rohdaten zur Verfügung!

, wie es mit den Magellanschen Wolken über dem Himmel fotografiert wurde. Eine große Anzahl dicht beieinander liegender Schüsseln, wie sie Teil von ALMA sind, trägt dazu bei, viele der detailliertesten Bilder in Gebieten zu erstellen, während eine kleinere Anzahl weiter entfernter Schüsseln dazu beiträgt, die Details an den hellsten Stellen herauszuarbeiten. Die Ergänzung des Ereignishorizont-Teleskops durch ALMA hat die Erstellung eines Bildes des Ereignishorizonts erst möglich gemacht. ESO/C. Malin

So, was haben wir gelernt? Nun, es gibt eine ganze Reihe von Dingen, die wir gelernt haben, und es wird viele Geschichten über die verschiedenen Details und Nuancen geben, die in den kommenden Tagen und Wochen herauskommen. Aber es gibt vier wichtige Erkenntnisse, die jeder zu schätzen wissen sollte.

Erstens und am wichtigsten: Schwarze Löcher gibt es wirklich! Die Menschen haben sich alle möglichen bizarren Pläne und Szenarien ausgedacht, um sie zu vermeiden, aber das erste direkte Bild eines Ereignishorizonts sollte all diese Zweifel ausräumen. Wir haben nicht nur all die indirekten Beweise von LIGO, Gravitationsmessungen von Umlaufbahnen um das galaktische Zentrum und die Daten von Röntgendoppelsternen, sondern wir haben jetzt auch ein direktes Bild des Ereignishorizonts.

Zweitens und fast genauso verblüffend: Die Allgemeine Relativitätstheorie gewinnt wieder! Einsteins Theorie sagte voraus, dass der Ereignishorizont kugelförmig sein würde und nicht abgeflacht oder verlängert, und dass die strahlungsfreie Region eine bestimmte Größe haben würde, die sich nach der gemessenen Masse des Schwarzen Lochs richtet. Die innerste stabile Kreisbahn, die von der Allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagt wird, zeigt die hellen Photonen, die als letzte der Anziehungskraft des Schwarzen Lochs entkommen.

Wieder einmal hat sich die Allgemeine Relativitätstheorie, selbst wenn sie einem neuen Test unterzogen wird, als unbesiegt erwiesen!

Die Milchstraße kann dem Ereignishorizont-Teleskop erscheinen, je nach ihrer Ausrichtung relativ zu uns. Diese Simulationen gehen davon aus, dass der Ereignishorizont existiert, dass die Relativitätsgleichungen gültig sind und dass wir die richtigen Parameter auf unser System angewendet haben. Beachten Sie, dass diese Simulationen bereits 10 Jahre alt sind und aus dem Jahr 2009 stammen. Wow, waren die gut! Imaging an Event Horizon: submm-VLBI of a Super Massive Black Hole, S. Doeleman et al.

Drittens haben wir erfahren, dass unsere Simulationen für die Vorhersage, wie die Radioemissionen um das Schwarze Loch herum aussehen sollten, wirklich sehr, sehr gut waren! Das zeigt uns, dass wir nicht nur die Umgebung von Schwarzen Löchern sehr gut verstehen, sondern auch die Dynamik der Materie und des Gases, die sie umkreisen. Das ist eine ziemlich spektakuläre Leistung!

Und viertens haben wir gelernt, dass die Masse des Schwarzen Lochs, die wir aus Gravitationsbeobachtungen abgeleitet haben, korrekt ist, und die Masse des Schwarzen Lochs, die wir aus Röntgenbeobachtungen abgeleitet haben, systematisch zu niedrig ist. Für M87 unterschieden sich diese Schätzungen um den Faktor 2, für Sagittarius A* um den Faktor 1,5.

Wir wissen jetzt, dass die Schwerkraft der richtige Weg ist, denn die 6,6 Milliarden Sonnenmassen, die wir aus der Schwerkraft von M87′s ableiten, stimmen spektakulär mit den 6,5 Milliarden Sonnenmassen überein, die das Event Horizon Telescope ermittelt hat. Unsere Röntgenbeobachtungen sind in der Tat für zu niedrige Werte voreingenommen.

supermassives Schwarzes Loch im Kern der Milchstraße. Wenn man diese Sterne im Infrarot beobachtet, kann man ihre Bahnen bis auf wenige Lichtjahre an Sagittarius A* heran verfolgen und so eine Masse für das zentrale Schwarze Loch rekonstruieren. Ähnliche, aber kompliziertere Methoden wurden verwendet, um die Gravitationsmasse des Schwarzen Lochs in M87 zu rekonstruieren. Indem wir das zentrale Schwarze Loch in M87 direkt auflösten, konnten wir bestätigen, dass die aus der Gravitation abgeleiteten Massen mit der tatsächlichen Größe des Ereignishorizonts übereinstimmen, während die Röntgenbeobachtungen dies nicht tun. S. Sakai / A. Ghez / W.M. Keck Observatory / UCLA Galactic Center Group

Während der weiteren wissenschaftlichen Arbeit mit dem Event Horizon Telescope wird es noch mehr zu lernen geben. Wir können lernen, warum Schwarze Löcher aufflackern und ob es vorübergehende Merkmale gibt, die in der Akkretionsscheibe auftauchen, wie heiße Flecken. Wir können erfahren, ob sich die Position eines zentralen Schwarzen Lochs im Laufe der Zeit verschiebt, was uns Rückschlüsse auf die Existenz kleinerer, bisher unsichtbarer Schwarzer Löcher in der Nähe der supermassereichen zentralen Löcher ermöglicht. Wenn wir mehr Schwarze Löcher sammeln, können wir lernen, ob die Massen, die wir für Schwarze Löcher aus ihren Gravitationswirkungen oder ihren Röntgenemissionen ableiten, universell verzerrt sind oder nicht. Und wir können lernen, ob Akkretionsscheiben eine universelle Ausrichtung mit ihren Wirtsgalaxien haben oder nicht.

Die Ausrichtung mit dem Gesicht nach oben (linke zwei Tafeln) oder mit der Kante nach unten (rechte zwei Tafeln) kann die Art und Weise, wie das Schwarze Loch für uns erscheint, erheblich verändern. Wir wissen noch nicht, ob es eine universelle Ausrichtung oder eine Reihe von zufälligen Ausrichtungen zwischen Schwarzen Löchern und Akkretionsscheiben gibt. ‚Toward the event horizon-the supermassive black hole in the Galactic Center‘, Class. Quantum Grav., Falcke & Markoff (2013)

Wir können diese Antworten nicht mit unseren ersten Ergebnissen wissen, aber das ist erst der Anfang. Wir leben jetzt in einer Welt, in der wir die Ereignishorizonte von Schwarzen Löchern direkt abbilden können. Wir wissen, dass Schwarze Löcher existieren; wir wissen, dass Ereignishorizonte real sind; wir wissen, dass Einsteins Gravitationstheorie nun auf eine völlig neue Art und Weise bestätigt worden ist. Und die letzten Zweifel daran, dass es sich bei den supermassiven Ungetümen in den Zentren der Galaxien wirklich um Schwarze Löcher handelt, haben sich in Luft aufgelöst.

Schwarze Löcher gibt es wirklich, und sie sind spektakulär. Zumindest im Radioteil des Spektrums sehen wir sie dank der unglaublichen Leistung des Event Horizon Telescope wie nie zuvor.

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