"Bahnbrechend": Erste Aufnahme des zentralen Schwarzen Lochs der Milchstraße

Dem Event Horizon Telescope ist eine weitere historische Aufnahme gelungen, diesmal des supermassereichen Schwarzen Lochs im Zentrum der Milchstraße.

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Der Ereignishorizont von Sagittarius A*

(Bild: EHT Collaboration)

Von
  • Martin Holland

Das Event Horizon Telescope hat erstmals eine Aufnahme des supermassiven Schwarzen Lochs Sagittarius A* im Zentrum der Milchstraße gemacht. Das Bild haben die an dem Radioteleskopverbund beteiligten Organisationen am Donnerstag der Öffentlichkeit vorgestellt. Es sei der lange erwartete erste Blick auf das supermassereiche Objekt im Zentrum unsere Galaxie und ein überragender visueller Beweis dafür, dass es sich bei dem Objekt tatsächlich um das bislang primär theoretisch beschriebene Schwarze Loch handelt. Die Aufnahme liefert "wertvolle Hinweise auf die Funktionsweise solcher Giganten", erläutert die Europäische Südsternwarte. Sie werden im Zentrum der meisten Galaxien vermutet, vor dem Bild von Sagittarius A* (Sgr A*) war aber lediglich die bereits historische Aufnahme des Schwarzen Lochs von M87 gelungen.

Größenvergleich der beiden jetzt abgebildeten supermassiven Schwarzen Löcher.

(Bild: EHT collaboration (acknowledgment: Lia Medeiros, xkcd))

Obwohl Sagittarius A* uns deutlich näher ist als die Galaxie M87 war die Aufnahme deutlich schwieriger, erklärt Chi-kwan Chan vom Steward Observatory. Das liegt unter anderem daran, dass Sgr A* deutlich kleiner ist. Während das Gas, das das Schwarze Loch von M87 umkreist, auch mit annähernder Lichtgeschwindigkeit Tage und Wochen für einen Umlauf braucht, sind es bei Sgr A* nur Minuten. Helligkeit und Erscheinungsbild verändern sich deshalb deutlich schneller: Es sei ein wenig so, "als würde man versuchen, ein scharfes Bild von einem Welpen aufzunehmen, der unentwegt mit seinem Schwanz vor der Kamera wedelt". Die jetzt vorgestellte Aufnahme sei ein Mittelwert mehrerer Aufnahmen. Um sie zu erstellen, "mussten ausgeklügelte neue Methoden" entwickelt werden.

Zoom auf Sagittarius A* (Quelle: ESO/L. Calçada, N. Risinger (skysurvey.org), DSS, VISTA, VVV Survey/D. Minniti DSS, Nogueras-Lara et al., Schoedel, NACO, GRAVITY Collaboration, EHT Collaboration (Music: Azul Cobalto))

Das Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR ) bezeichnet die Arbeit jetzt als "bahnbrechend" und erklärt, dass es auf den Einfallsreichtum von mehr als 300 Forschern und Forscherinnen von 80 Instituten in aller Welt basiert. Die Auswertung der bereits 2017 gesammelten Daten hätten fünf Jahre harte Arbeit und Supercomputer erfordert. Anders als die Aufnahme von M87 sei das jetzt vorgestellte Bild auch deutlich besser zur Überprüfung von Theorien zur Natur von Gravitation geeignet. Denn zu Sgr A* habe man verlässliche Daten über die Masse. Die Größe des zu sehenden Schattens könne man deswegen mit den Theorien vergleichen: "Und sie passt sehr gut!", sagt Michael Kramer vom MPIfR.

Gruppieren und Mitteln der Bilder von Sgr A* (Quelle: C. M. Fromm (University Würzburg, Germany), L. Rezzolla (University Frankfurt, Germany), EHT Collaboration)

Sgr A* ist etwa 27.000 Lichtjahre von uns entfernt und am Himmel etwa so groß wie ein Donut auf dem Mond. Während das Schwarze Loch selbst naturgemäß nicht zu sehen ist, zeigt das immens beschleunigte und erhitzte Gas in dessen direkter Umgebung jene verräterische Spur, die bereits von M87 bekannt ist. "Wir waren verblüfft, wie gut die Größe des Rings mit den Vorhersagen von Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie übereinstimmte", meint EHT-Projektwissenschaftler Geoffrey Bower vom Institut für Astronomie und Astrophysik der Academia Sinica in Taipeh. Die Ergebnisse werden in einer Sonderausgabe des wissenschaftlichen Fachmagazins The Astrophysical Journal Letters veröffentlicht.

Während die jetzt vorgestellte Aufnahme auf Daten basiert, die bereits vor Jahren gesammelt wurden, arbeitet das Event Horizon Telescope weiter. Mit noch mehr einzelnen Teleskopen wurden in einer weiteren Beobachtungskampagne im März neue Daten gesammelt. Sie werden noch beeindruckendere Aufnahmen und sogar Filme von Schwarzen Löchern ermöglichen, ist man sich bei dem Teleskopverbund sicher.

Das Event Horizon Telescope besteht aus einem weltumspannenden Netzwerk von Teleskopen, die zusammengeschaltet werden, um ein gigantisches Radioteleskop von fast der Größe der Erde simulieren – ein beteiligtes Observatorium steht dabei beispielsweise auf Grönland, eins am Südpol. Die maximale Winkelauflösung des weltumspannenden Radioteleskops liegt bei bis zu 15 Mikro-Bogensekunden. Das ist kleiner als ein Golfball auf der Oberfläche des Mondes. Erstmals zusammengeschaltet wurden die einzelnen Teleskope im Jahr 2017, dank des guten Wetters gelangen Aufnahmen mehrerer Objekte.

Teleskope des Event Horizon Telescopes (18 Bilder)

Das Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) der Europäischen Südsternwarte in Chile
(Bild: ESO/C. Malin)

Zuerst war daraus die Aufnahme des 55 Millionen Lichtjahre entfernten Ereignishorizonts des Schwarzen Lochs im Zentrum der Galaxie M87 in unerwarteter Schärfe errechnet worden. Auch weil Folgebeobachtungen wegen der Coronapandemie ausfallen mussten, wurden die Aufnahmen weiter analysiert. Dabei wurde entdeckt, dass ein signifikanter Teil des Lichts polarisiert ist.

Für die Aufnahmen wird ein enormer technischer Aufwand betrieben. Die Radioteleskope auf mehreren Kontinenten nahmen die Schwarzen Löcher zu den exakt gleichen Uhrzeiten ins Visier und zeichnen so viele Daten auf wie möglich. An einigen Standorten kamen Speicher zum Einsatz, die mit 16 Gigabit pro Sekunde beschrieben werden können. Allein am Radioteleskopverbund ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) der Europäischen Südsternwarte waren Festplatten mit mehr als 1 Petabyte an Kapazität installiert worden.

Die gesammelten Daten wurden dann per Schiff oder Flugzeug transportiert, um schließlich an zwei Hochleistungsrechnern in Deutschland (am Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn) und den USA zusammengefügt zu werden. Grundlegend dafür waren extrem genaue Uhren an den verschiedenen Standorten, um die gesammelten Daten mit deren Zeitstempeln am Ende auch genau synchronisieren zu können. Jede dieser Uhren würde in einem Zeitraum von einer Million Jahren nur um eine Sekunde vor oder nach gehen.

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Dass ein Schwarzes Loch überhaupt von der Erde aus abgebildet werden kann, hatten Astrophysiker aus Deutschland und den USA erst zur Jahrtausendwende errechnet. Anhand simulierter Bilder hatten sie gezeigt, dass der dunkle Schatten fünfmal größer erscheint, als bis dahin erwartet. Damit waren die nun ins Visier genommenen Schwarzen Löcher überhaupt erst in den Bereich vorgerückt, in dem sie auf der Erde abzubilden waren. Der dafür verantwortliche Astrophysiker Heino Falcke hatte sich damals überrascht gezeigt, wie nah man der Abbildung bereits sei und war zuversichtlich, dass sie bald gelingen würde. Einmal mehr wurde er jetzt bestätigt.

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(mho)