Das erste Bild eines Schwarzen Lochs

Bildbeschreibung: Im April 2017 wurden Informationen aus dem ersten Bild eines Schwarzen Lochs von den Festplatten verschiedener Teleskope gesammelt und mit einem Verkehrsflugzeug zum Haystack Observatory in Massachusetts transportiert. Verarbeitet, verglichen und analysiert von Clustern von Supercomputern konnten uns Physiker im April 2019 diesen einfachen Halo aus orange-gelbem Licht offenbaren, der verschwommen und asymmetrisch ist und sich von einem schwarzen Hintergrund abhebt. Das etwa 50 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernte kosmische Monster wurde von einer internationalen Zusammenarbeit (Event Horizon Telescope) im Zentrum der Galaxie M87 abgebildet. Bildquelle: EHT Collaboration.

„Sehen“ bedeutet in der Physik, die Realität zu vereinfachen

Der Mensch hat es schon immer gebrauchtLicht zur Messung physikalischer PhänomeneAber unsere Vision ist nicht effizient. Was wir mit unseren Augen sehen, ist der kleine Schwingungsbereich im elektromagnetischen Spektrum zwischen 380 Nanometern für Violett und 780 Nanometern für Rot, während das Bild von unserem Gehirn konstruiert wird.

Die Wellenlänge des Lichts ist eng mit dem Konzept der Farbe verbunden, aber es gibt Farben, die wir nie sehen werden, die jenseits von Violett und unterhalb von Rot liegen. Sie werden daher niemals von unserem Gehirn interpretiert.

Das Paradoxe an einem Schwarzen Loch ist, dass es per Definition keine Farbe hat, weil Licht, Materie und Energie im Schwarzen Loch gefangen sind. Wie konnten Physiker des EHT-Projekts (Event Horizon Telescope) Informationen von einem unsichtbaren supermassereichen Schwarzen Loch in für das menschliche Auge sichtbares Licht umwandeln?

Ein Schwarzes Loch enthält alle Informationen. Es ist ein geheimnisvolles Objekt, dessen Oberfläche weder fest noch flüssig noch gasförmig ist, es ist eine einfache immaterielle Grenze namens „Ereignishorizont". Wir müssen daher eine andere Art erfinden, das Unsichtbare zu „sehen“.

Wenn das Schwarze Loch unsichtbar ist, ist es seine Umgebung nicht, und dank ihm können wir den Ereignishorizont bestimmen und so das Schwarze Loch sehenSchatten eines schwarzen Lochs.

Der Theorie des Schwarzen Lochs zufolge wird Materie in der Nähe des Ereignishorizonts durch Akkretion stark erhitzt, bevor sie vom Monster absorbiert wird und dann für immer in seiner Gravitationsquelle verschwindet. Doch bevor sie für immer verschwinden, emittieren der umgebende Staub und Gas sowie die Überreste von Sternen, die einst durch Gezeitenkräfte zerschmettert wurden, charakteristische Strahlung im Millimeterwellenbereich (ein Licht, das für das Auge nicht sichtbar ist).

Diese Strahlung könnte uns den Umfang des Schwarzen Lochs offenbaren. Das Millimeterlicht, das um das Schwarze Loch rotiert, wird uns hingegen viele Informationen über das Schwarze Loch liefern (seine Gravitationskraft, die Art und Weise, wie es die Raumzeit verzerrt, die Wirkung von Gravitationslinsen usw.). Zusammenfassend lässt sich sagen, dass ein Schwarzes Loch, obwohl es unsichtbar ist, die Materie, die es anzieht, auf seine eigene Weise „erleuchtet“.

Ein von Materie beleuchtetes Schwarzes Loch!

Das Bild oben zeigt ein Schwarzes Loch, das von Materie beleuchtet wird, die es selbst erhitzt hat.

Mithilfe der Technik der Interferometrie mit sehr langen Basislinien haben Astronomen ein virtuelles Riesenteleskop geschaffen, dessen Durchmesser so groß ist wie der Abstand zwischen ihnen (rund 10.000 km). Sie vereinten acht über unseren Planeten verteilte Radioteleskope (Europa, Chile, USA, Hawaii und Antarktis).

Bei den Zielen handelte es sich um die beiden Schwarzen Löcher, die von der Erde aus am besten „sichtbar“ waren. Das erste Ziel war Sagittarius A* (Sgr A), das Schwarze Loch im Zentrum unserer Milchstraße, 26.000 Lichtjahre entfernt, dessen Masse dem 4,1 Millionenfachen der Sonne entspricht. Das andere Ziel war das 1500-mal supermassereiche Schwarze Loch Sagittarius A* (6 Milliarden Sonnenmassen), das sich 50 Millionen Lichtjahre entfernt im Herzen der riesigen elliptischen Galaxie M87 befindet.

Die EHT-Teams hatten jedes Jahr nur ein Zeitfenster von etwa zwei Wochen, um Gruppenbeobachtungen zu versuchen. Um das hochauflösende Bild zu erstellen, mussten die Physiker anschließend die von den verschiedenen Antennen des Arrays empfangenen Signale mit ihren eigenen Atomuhren kombinieren. Die Signalankunftszeiten sind auf die Zehntelmilliardstelsekunde genau. Dann verglichen und berechneten sie ihren Ursprungsort, um ein gigantisches Gesamtbild zu rekonstruieren.

In einer einzigen Beobachtungsnacht wurden 2 Petabyte an Daten (2 x 10) gesammelt¹⁵). Es ist möglich, dass in diesem Datenberg weitere Informationen stecken, die es uns ermöglichen würden, die ganz besondere Physik, die in der Umgebung von Schwarzen Löchern herrscht, besser zu verstehen. Insbesondere die gigantischen Teilchen- und Strahlungsstrahlen, die einige von ihnen mit Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit in den Weltraum schleudern.

Die in der Antarktis gespeicherten Datenfestplatten mussten dann warten, bis der lange eiskalte Winter vorüber war, bevor sie zum Haystack Observatory des MIT und zum Max-Planck-Institut in Bonn transportiert wurden. Dieses erste Bild eines Schwarzen Lochs, das Sie auf Ihrem Bildschirm sehen, besteht nur aus 33 KB Daten, also (33 x 10³), tausend Milliarden Mal einfacher als die gesammelten Daten.

Das ist es, was „Sehen“ für unser Gehirn ausmacht: Es vereinfacht die Komplexität der Realität zu sehr. Eine einfache schwarze Silhouette, umgeben von einem verschwommenen, glänzenden Fleck, reicht für unser Glück.

Die erste Simulation eines Schwarzen Lochs

Beschreibung des Bildes: Die erste Simulation (1978) von Jean-Pierre Luminet, junger Forscher am Observatorium Paris-Meudon. Bildquelle: EHT Collaboration.

Im Jahr 1978Jean Pierre Luminet(1951-) schuf unter Berücksichtigung der komplexen Verzerrungen, die das starke Gravitationsfeld der Raumzeit und den Flugbahnen der Lichtstrahlen, die seinem Rahmen folgen, auferlegt, das erste virtuelle Bild eines Schwarzen Lochs.

In seiner Simulation sieht der Ereignishorizont wie eine leicht abgeflachte Scheibe aus. Das Gravitationsfeld krümmt die Strahlengänge der Lichtstrahlen in der Umgebung des Schwarzen Lochs so stark, dass der hintere Teil der Scheibe „angehoben“ wird. Somit ermöglicht uns ein sekundäres Bild, die andere Seite der Akkretionsscheibe zu sehen, die sich hinter dem Schwarzen Loch befindet, das die Form eines dünnen Lichthofs angenommen hat, der an der zentralen schwarzen Scheibe haftet. Das Hauptmerkmal dieser Simulation ist jedoch der Helligkeitsunterschied zwischen verschiedenen Bereichen der Festplatte.

In den Bereichen, die dem Horizont am nächsten liegen, ist die Eigenhelligkeit am größten, da dort das Gas am heißesten ist. Für einen entfernten Beobachter wird der empfangene Lichtfluss auf der Seite des Bildes verstärkt, auf der das Gas dem Beobachter näher kommt.

Der Beobachter ist in Bezug auf das Schwarze Loch nicht stationär, was zu einer Verzerrung der Bilder durch den Doppler-Effekt führt. Das Schwarze Loch kann durch eine Rotationsbewegung animiert werden und eine Asymmetrie erzeugen, das Schwarze Loch ist nicht mehr kugelförmig.

Darüber hinaus verstärkt der vom Schwarzen Loch verursachte Gravitationslinseneffekt die scheinbare Größe seines Ereignishorizonts.