Im Zentrum einer Galaxie namens Messier 87, etwa 55 Millionen Lichtjahre entfernt, um die sich die gesamte Materie der Galaxie dreht, befindet sich ein Monster: ein supermassives Schwarzes Loch. Mit etwa 6, 5 Milliarden Sonnenmassen ist das Schwarze Loch im Zentrum von M87 so dicht, dass seine Fluchtgeschwindigkeit oder die Geschwindigkeit, die erforderlich ist, um der Schwerkraft des Objekts zu entkommen, über der Lichtgeschwindigkeit liegt. Dementsprechend können nicht einmal Lichtphotonen entweichen, wenn sie zu nahe kommen.
Aber lassen Sie sich nicht vom Namen „Schwarzes Loch“ täuschen. "In gewisser Weise ein Paradoxon der Natur sind Schwarze Löcher, die kein Licht entweichen lassen, einige der hellsten Objekte im Universum", sagt Shep Doeleman, leitender Forscher am Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics und Direktor des Event Horizon Telescope (EHT) -Projekts, einem internationalen Versuch, ein supermassereiches Schwarzes Loch mit Teleskopen auf der ganzen Welt direkt abzubilden.
Heute veröffentlichte das EHT-Projekt, an dem acht Observatorien und über 60 wissenschaftliche Einrichtungen in mehr als 20 Ländern beteiligt waren, das erste Bild eines Schwarzen Lochs. "Dies ist das erste Mal, dass ich dieses Bild jetzt sehe", sagte France Córdova, der Direktor der National Science Foundation (NSF), bei einer Pressekonferenz im National Press Club. „Und es brachte mir Tränen in die Augen. Das ist eine sehr große Sache. “
Heute wurden im Astrophysical Journal auch sechs wissenschaftliche Veröffentlichungen veröffentlicht, in denen die ersten direkten Beobachtungen eines Schwarzen Lochs aufgeführt sind.
Obwohl Licht nicht aus einem Schwarzen Loch selbst austreten kann, umgibt es jedes Schwarze Loch, den Ereignishorizont. Jegliche Materie, die über den Ereignishorizont hinaus wandert, wird vom Schwarzen Loch verbraucht. Wenn sich jedoch Gase außerhalb des Ereignishorizonts ansammeln, werden sie auf Hunderte von Milliarden Grad erhitzt und strahlen eine enorme Menge Strahlung über die Galaxie ab. Der Ereignishorizont um das Schwarze Loch M87 beträgt ungefähr 1, 5 Lichttage oder ungefähr 40 Milliarden Kilometer und ist ungefähr so groß wie unser Sonnensystem.
„Was man erwartet, wenn man ein supermassereiches Schwarzes Loch im Zentrum einer Galaxie sieht und wir denken, dass sie in den Zentren der meisten Galaxien existieren, ist, dass die intensive Schwerkraft das Gas in der Nähe zum Schwarzen Loch zieht und es sich erwärmt Auf “, sagt Doeleman. "Sie versuchen, eine Menge Gas auf das kleinste Volumen zu komprimieren, das Sie sich vorstellen können ... und all das sehr, sehr heiße Gas strahlt [Licht] aus."
Nach Jahren der Planung durch über 200 internationale Wissenschaftler sind die Daten, die das erste Bild eines Schwarzen Lochs zeigen sollen, fertig. Das Team versammelt sich zur großen Enthüllung - es ist ein seismischer Moment in der Astrophysik.Die Beobachtungen des Schwarzen Lochs in der Mitte von M87 zeigen, dass es sich im Uhrzeigersinn dreht. Am unteren Rand des Bildes, wo der Lichtring heller ist, bewegt sich die Drehung des Schwarzen Lochs auf uns zu, während sich der Teil des Rings am oberen Rand des Bildes wegbewegt.
Die Aufnahme des brennenden Gases um den Ereignishorizont eines Schwarzen Lochs, den die Astronomen als "Schatten" oder "Silhouette" des Schwarzen Lochs bezeichnen, hat sich als keine leichte Aufgabe erwiesen. Das Schwarze Loch M87 befindet sich im Zentrum der Galaxie, verschleiert hinter hellen Sternen und großen Schwaden von Gas und Staub. Um die Photonen des Lichts einzufangen, die es schaffen, der Gravitationsquelle des supermassiven Schwarzen Lochs zu entkommen, das in Richtung Ereignishorizont gezogen wurde, bevor sie 55 Millionen Lichtjahre durch M87 und über den intergalaktischen Raum zur Erde flogen, haben Astronomen einige der mächtigsten Funkgeräte miteinander verbunden Teleskope, die jemals gebaut wurden, um ein Teleskop von der Größe der Erde zu bauen.
"Es gibt ein spezielles Feld namens Very Long Baseline Interferometry, in dem Sie Radiogeräte auf der ganzen Welt zusammenbinden und extrem hohe Vergrößerungen erzielen", sagt Doeleman. Radioastronomische Observatorien, vom Südpolteleskop bis zum Grönlandteleskop, haben zur EHT beigetragen oder werden dazu beitragen. "Bei der VLBI-Technik, bei der Sie die ganze Erde zu einem Teleskop machen, müssen Sie die Schalen auf beiden Seiten der Erde mithilfe eines Netzwerks von Atomuhren miteinander verbinden. Und genau das tun wir."
Das Event Horizon Telescope sammelte 2017 die Daten für das erste Bild eines Schwarzen Lochs. Durch die Verwendung von Atomuhren zur zeitlichen Ausrichtung der Beobachtungen und von Supercomputern zur Kompilierung der Petabyte an Daten können Wissenschaftler die Auflösung eines erdgroßen Teleskops effektiv erreichen Die Technik kann daher nur zur Beobachtung sehr heller Objekte verwendet werden. VLBI kann nur Radiowellen auf den Oberflächen der Schalen sammeln, die sich ständig mit der Erde drehen, und dabei das Zentrum von M87 im Auge behalten.
Das Atacama Large Millimeter / Submillimeter Array (ALMA) im Norden Chiles mit der Milchstraße ESO / Y. Beletsky am Himmel. ALMA ist das leistungsstärkste Radioobservatorium im Event Horizon Telescope-Netzwerk. (ESO / Y. Beletsky) „Sie können sich diese Teleskope als kleine Silberlinge auf einem erdgroßen Spiegel vorstellen, und wenn sie sich bewegen, spüren sie Stränge des Reflexionsvermögens auf, und Sie wickeln zusammen oder drehen ein erdgroßes Teleskop - fast ein Gebäude ein Netz wie eine Spinne “, sagt Doeleman.
Die Teleskope sammeln hochfrequente (EHF) Radiowellen, nahezu infrarotes Licht im elektromagnetischen Spektrum, mit einer Wellenlänge von 1, 3 Millimetern. Die Frequenz ist „einfach perfekt“, um die weite Reise von den Rändern eines Schwarzen Lochs zu unseren Radiogeräten zu machen, sagt Doeleman. Die Observatorien wenden sich in der Regel nachts und in den Monaten März und April, wenn die atmosphärischen Wasserdämpfe am niedrigsten sind, M87 zu.
Das Event Horizon Telescope hat auch Schütze A * beobachtet, das supermassereiche Schwarze Loch im Zentrum unserer eigenen Galaxie, der Milchstraße. Schütze A * (ausgesprochen "Schütze A-Stern") ist ein viel weniger aktives supermassives Schwarzes Loch als das in der Mitte von M87. Der etwa 26.000 Lichtjahre entfernte Schütze A * ist so klein, dass er am Himmel ungefähr so groß erscheint wie der viel weiter entfernte M87.
Viele Wissenschaftler glauben, dass Schwarze Löcher im Bereich der theoretischen Physik sinnvoll sind, aber im wirklichen Leben nicht existieren können. Das Aufnehmen eines Bildes eines Schwarzen Lochs würde all das ändern.Zusätzlich zum leuchtenden Ereignishorizont um das Schwarze Loch M87 schleudert das Objekt Materialstrahlen von seinen Polen in den Weltraum. „Man bekommt diese relativistischen Partikelstrahlen, weil sie natürlich sehr energisch sind und Zehntausende von Lichtjahren lang ausstrahlen können“, sagt Doeleman. "Sie können die gesamte Galaxie durchqueren, und es ist diese Freisetzung von Energie auf galaktischer Ebene, die das Aussehen einer gesamten Galaxie verändern kann."
Die Energie der Strahlen, die aus einem supermassiven Schwarzen Loch strömen, wird durch die Menge an Materie, die das Schwarze Loch verbraucht, sowie durch seine Rotation, sein Magnetfeld und andere Eigenschaften bestimmt. "Die Jets transportieren umgerechnet 10 Milliarden Supernova in Energie", sagte Sera Markoff, Mitglied des Wissenschaftsrates der EHT und Professor an der Universität von Amsterdam, auf der Pressekonferenz. „Diese bizarren Schlupflöcher in der Raum-Zeit-Struktur haben für sich genommen eine Menge Konsequenzen“, sagt Markoff. Wenn ein Schwarzes Loch enorme Mengen an Energie ausstößt, verhindert es, dass die Gase am Ereignishorizont neue Sterne bilden und das Wachstum von Galaxien hemmen.
Im Zentrum eines Schwarzen Lochs befindet sich nach Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie ein Punkt der Singularität, an dem die gesamte Materie des Objekts zu einem Volumen verdichtet wird, das so klein ist, dass die Dichte im Wesentlichen unendlich ist. An diesem Punkt wird angenommen, dass die bekannten Gesetze der Physik zusammenbrechen. Näher am Ereignishorizont werden die Wissenschaftler jedoch die Form der Silhouette des Schwarzen Lochs untersuchen, um die Relativitätsgesetze zu testen.
"Ich muss zugeben, dass ich ein wenig verblüfft war, dass es so genau unseren Vorhersagen entsprach", sagte Avery Broderick, Astrophysiker am EHT und außerordentlicher Professor an der University of Waterloo, auf der Pressekonferenz. "Es ist erfreulich, aber auch ein wenig ärgerlich."
Die Form des Lichts um das Schwarze Loch, der so genannte Photonenring, bei dem das Licht das Zentrum umkreist, ist der intensivste Test für Einsteins Gravitationstheorien, der jemals durchgeführt wurde.
"Einer der Gründe, warum Sie diesen Lichtring sehen, ist, dass dies die Umlaufbahn ist, auf der Photonen gezwungen sind, sich in einem Kreis um das Schwarze Loch zu bewegen", sagt Doeleman. „Es ist wirklich außergewöhnlich - man nimmt ein Objekt wie ein Photon, das sich so schnell wie irgendetwas im Universum bewegt, so schnell man sich bewegen kann, und dann merkt man, dass es ein Objekt gibt, das als schwarzes Loch bezeichnet wird, das den Lichtstrahl einbeugen lässt ein vollständiger Kreis. Und genau das sehen Sie. … Und wenn Sie Einsteins Gleichungen durchgehen, ist das eine ganz besondere Umlaufbahn. “
Der Anblick des Rings um ein Schwarzes Loch, dessen Schatten sich gegen den Kosmos abhebt, hat bestätigt, dass die vor mehr als 100 Jahren festgelegte theoretische Physik immer noch gilt, „in einem der extremsten Labors, die das Universum für uns bereitstellt“.
"Ich denke, es spricht den menschlichen Geist an, ehrlich gesagt, dass wir es schaffen", sagt Doeleman.
Black Hole Hunters feiert am Freitag, den 12. April um 21 Uhr Premiere auf dem Smithsonian Channel.
