Das Ereignishorizont-Projekt

Chandra-Aufnahme von Sagittarius A*. Bild: NASA/CXC/MIT/F.K. Baganoff et al.

Astronomen versuchen, das Schwarze Loch im Zentrum unserer Galaxie mit einem kombinierten Teleskop, das so groß wie die Erde ist, sichtbar zu machen

Ein Schwarzes Loch ist eine Ansammlung von Materie so dicht, dass nicht einmal Strahlung aus seinem Inneren entweichen kann. Eigentlich sollte ein Schwarzes Loch nicht zu "fotografieren" sein, aber wenn Sterne und Staub von ihm verschlungen werden, dreht sich diese Materie um es herum, erhitzt sich weiter und strahlt Energie in Form von sichtbarem Licht, Röntgen- und Gammastrahlen sowie Radiowellen aus. Es sind gerade diese Radiowellen, die mit neun um die Erde verteilten Radioteleskopen erkannt werden sollen. Das Projekt trägt den Namen "Event Horizon Telescope" (EHT).

Für massive Objekte wie die Erde kann die Fluchtgeschwindigkeit eines Objektes (z.B. einer Rakete) leicht berechnet werden. Diese ist proportional zur Quadratwurzel der Beziehung M/R, wobei M die Masse des Himmelkörpers und R dessen Radius ist. Wenn für eine gegebene Masse M der Radius R nach und nach abnimmt, steigt die notwendige Fluchtgeschwindigkeit unaufhaltsam. Ist R bereits so klein, dass die berechnete Fluchtgeschwindigkeit größer als die Lichtgeschwindigkeit ist, kann weder Materie noch Strahlung aus dem Schwarzen Loch entweichen.

Diese "kritische Größe" für jede Masse M wird "Schwarzschildradius" genannt, zu Ehren von Karl Schwarzschild, der 1916 Einsteins Gleichungen löste und den kritischen Radius ableitete (wobei andere bereits dieselbe Rechnung für die Newtonsche Gravitationstheorie durchgeführt hatten).

Abb. 1: Die Bahnen von einigen Sternen um Sagittarius A* (S. Gillesen et al, "Monitoring Stellar Orbits Around the Massiv Black Hole in the Galactic Center", ArXiv:0810.4674v1, 2008).

Schwarze Löcher sind bis heute nur indirekt beobachtet worden. Astronomen gehen davon aus, dass die meisten Galaxien jeweils ein Schwarzes Loch im Zentrum beherbergen. So auch in unserer Milchstraße, wo sich mehrere Sterne schnell um die Radioquelle "Sagittarius A*" (Sgr A*) drehen. Durch die Beobachtung ihrer Trajektorien und Drehperioden konnten Physiker die Masse von Sgr A* indirekt berechnen.

Die Astronomen um Reinhard Genzel am Max-Planck-Institut in Garching, verfolgen seit mehr als 25 Jahren einige Dutzend solcher Sterne, die sich um unser galaktisches Zentrum drehen. Aus den Bahnen der Sterne konnten diese Astronomen schätzen, dass "unser" Schwarzes Loch vier Millionen Sonnenmassen beherbergt. Das ist bis heute die längste und zuverlässigste Beobachtung eines Schwarzen Lochs im Universum. Für die Experimente mussten die Astronomen zahlreiche Messungen verknüpfen. Die damit erreichte Winkelauflösung wirkt so, als ob man reflektiertes Licht von einer Euromünze noch in 10.000 km Abstand erkennen könnte! D.h. die Entfernung zum galaktischem Zentrum ist so gewaltig, dass dafür jedes einzelne Teleskop auf der Erde zu klein ist.

Warum also nicht ein Teleskop von der Größe der Erde verwenden? Das erscheint als ein aussichtloses Unternehmen, kann aber durch die Kombination von mehreren Radioteleskopen verwirklicht werden. Das ist es, was die Kollaboration "Event Horizont Telescope" erreichen will. Einerseits sollen viele Radioteleskope einbezogen werden, andererseits wurden gerade Radioteleskope ausgewählt, weil Radiowellen, anders als sichtbares Licht, die Staubwolken in unserer Galaxie durchdringen können. Ein Vorteil der Radioteleskope ist auch, dass die Signale aus jedem Teleskop in Intensität und Wellenphase gespeichert werden können, um sie später durch Interferenz am Computer miteinander zu kombinieren. Für optische Teleskope würde eine solche Interferenzmessung eine direkte optische Kopplung benötigen, z.B. mit Glasfaserkabeln, die über tausende Kilometer verlegt werden müssten.

Abb. 2: Simulation der Akkretionsscheibe eines Schwarzen Lochs (Event Horizont Telescope Kollaboration. Bild: Hotaka Shiokawa

Der Begriff "black hole" wurde 1967 von dem Princeton-Physiker John Wheeler geprägt. Seitdem fragt sich die Physikerzunft, wie solch ein dunkles Objekt aus der Ferne aussehen könnte. Abb. 2 ist eine Simulation des Teams um das EHT. So könnte das Ergebnis der astronomischen Messungen aussehen, wenn Materie in einer Scheibe rund um das schwarze Loch herumgewirbelt wird und Energie ausstrahlt. Es ist die sogenannte Akkretionsscheibe, die Schwarze Löcher umhüllt und letztendlich verrät. Dazu kommen sogenannte Jets von Materie, die orthogonal zur Akkretionsscheibe weg katapultiert werden, die aber in dieser Simulation nicht berücksichtigt wurden.

Der Physiker Kip Thorne, Nobelpreisträger im Jahr 2017, hat für den Hollywood-Film "Interstellar" ein anderes optisches Aussehen eines Schwarzen Lochs vorgeschlagen.

Abb. 3. zeigt im Prinzip eine ähnliche Idee wie die in Abb.2, aber hier sehen wir die Akkretionsscheibe von der Seite und nicht von oben. Da das Licht der Akkretionsscheibe, das hinter dem Schwarzen Loch nach oben und unten strahlt, sich durch die massive Anziehung des Schwarzen Loches zu uns dreht, sehen wir auch den hinteren Teil der Akkretionsscheibe, aber gleich doppelt, über und unter dem Schwarzen Loch! D.h. letztendlich sehen wir die Akkretionsscheibe sowohl von der Seite als auch von oben. Der Vorschlag wurde durch einen Artikel in der Zeitschrift "Classical and Quantum Gravity" untermauert.

Abb. 3: So sollte ein schwarzes Loch aussehen. Die Akkretionsscheibe (oben links) sollte, verformt, doppelt sichtbar sein. O. James, et a., "Gravitational lensing by spinning black holes in astrophysics, and in the movie Interstellar", Classical and Quantum Gravity, V. 32, N. 6, 2015). CC BY-NC-ND 3.0.

Das große Problem dabei, eine solch schöne Struktur von Sgr A* sichtbar machen zu können, ist jedoch, dass der Ereignishorizont um das Schwarze Loch (von der Erde aus gesehen) einen Winkel in Teleskopen auf der Erde abdeckt, der 100.000 Mal kleiner ist als der Winkel für die Beobachtung der Mondoberfläche.

Die EHT-Kollaboration besteht, wie oben erwähnt, aus einer Reihe von diversen um die Erde verteilten Radioteleskope. Idealerweise hätte man lieber eine Parabolantenne von der Größe der Erde, um die kleinen Strukturen rund um Sgr A* auflösen zu können. Die nächst bessere Alternative besteht darin, viele Radioteleskope auf dieselbe Region im Himmel zu richten und deren Messungen zu kombinieren.

Abb. 4 zeigt das Netz der beteiligten Teleskope in Amerika, Europa und sogar in der Antarktis. Verglichen mit der Erdoberfläche sind die Antennen von diesen Teleskopen freilich vernachlässigbar klein. Jedoch muss man sich die Erde in Bewegung vorstellen, während die Teleskope ihren Fokus auf Sgr A* durch eine ausgleichende Mitbewegung aufrechterhalten. Zeichnet ein Teleskop dieselbe Region im Himmel über 12 Stunden auf, dann können diese Daten kombiniert werden und es ist so, als ob die Antenne, sagen wir mal, 50 Meter hoch wäre, aber die Länge von einem Erddurchmesser hätte! Das sind immerhin tausende Quadratkilometer pro Teleskop.

Abb. 4: Die am EHT beteiligten Radioteleskope. Weitere Radioteleskope sollen sich demnächst am Verbund beteiligen. Bild: ESO/O. Furtak, CC-BY 4.0

Die Messungen der Teleskope zeitlich untereinander zu kombinieren, ist allerdings etwas komplizierter. Die Radiowellen erreichen die unterschiedlichen Teleskope zu unterschiedlichen Zeiten. Da es sich um Wellen handelt, kann ein Teleskop das Maximum der Welle messen, während ein anderes das Minimum registriert. Die Signale aller Teleskope müssen deswegen durch destruktive und konstruktive Welleninterferenz zusammengebracht werden. Dies braucht nicht in Echtzeit zu geschehen. Die gemessenen Signale können in Petabyte-Datenträgern mit einem sehr genauen Zeitstempel aufbewahrt werden. Mit einem Supercomputer kann man anschließend die geographische Lage der Teleskope, die Bewegung der Erde und die Interferenz der Wellen simulieren, um aus vielen Radioteleskopen ein virtuelles Teleskop zu gestalten, d.h. das EHT.

Im Jahr 2017 wurden viele solcher Messungen durchgeführt und gespeichert. Im Frühjahr 2018 soll eine erste Auswertung vorgestellt werden. Wenn alles gut läuft, sollte auf den Bildern zum ersten Mal der Schatten von Saggitarius A* zu erkennen sein. Wir hätten das erste gut aufgelöste Bild eines Schwarzen Lochs und Hollywood müsste "Interstellar" eventuell neu verfilmen.

Der Autor beim Besuch des "Gran Telescopio Milimétrico" (GTM) in Mexiko. Die Parabolantenne hat einen Durchmesser von 50 Metern. Das GMT ist eines der Radioteleskope im EHT-Verbund und steht auf dem Vulkan "Sierra Negra" in 4600 Metern Höhe. Das Teleskop wird vom Nationalen Institut für Astronomie, Optik und Elektronik (INAOE) betrieben.
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