Schwarzes Loch in Milchstraße erstmals fotografiert

Ein schwarzes LochAm 12. Mai 2022 haben Astronomen auf der ganzen Welt, darunter auch am Hauptsitz der Europäischen Südsternwarte (ESO) in Deutschland, das erste Bild des supermassereichen schwarzen Lochs im Zentrum unserer eigenen Milchstraßengalaxie präsentiert. Dieses Ergebnis liefert überwältigende Beweise dafür, dass es sich bei dem Objekt tatsächlich um ein schwarzes Loch handelt, und liefert wertvolle Hinweise auf die Funktionsweise solcher Giganten, von denen man annimmt, dass sie sich im Zentrum der meisten Galaxien befinden. Das Bild wurde von einem globalen Forschungsteam, der Event Horizon Telescope (EHT) Collaboration, unter Verwendung von Beobachtungen aus einem weltweiten Netzwerk von Radioteleskopen erstellt.


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Das Bild ist recht unscharf, zeigt aber einen lang erwarteten Blick auf das massereiche Objekt, das sich im Zentrum unserer Galaxie befindet. Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen hatten zuvor Sterne gesehen, die um ein unsichtbares, kompaktes und sehr massereiches Objekt im Zentrum der Milchstraße kreisen. Dies deutete stark darauf hin, dass es sich bei diesem Objekt – bekannt als Sagittarius A* (Sgr A*) – um ein schwarzes Loch handelt, und die heutige Aufnahme liefert den ersten direkten visuellen Beweis dafür.

Erstes Bild des schwarzen Lochs in der Milchstraße
Erstes Bild des schwarzen Lochs in der Milchstraße, Herkunftsnachweis: EHT Collaboration

Obwohl das schwarze Loch selbst nicht gesehen werden kann, weil es völlig dunkel ist, zeigt das umgebende glühende Gas eine verräterische Signatur: eine dunkle zentrale Region (Schatten genannt), die von einer hellen ringförmigen Struktur umgeben ist. Dieser neue Blick zeigt das Licht, das durch die starke Schwerkraft des schwarzen Lochs, das vier Millionen Mal massereicher als unsere Sonne ist, gebeugt wird.

"Wir waren verblüfft, wie gut die Größe des Rings mit den Vorhersagen von Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie übereinstimmte", sagte EHT-Projektwissenschaftler Geoffrey Bower vom Institut für Astronomie und Astrophysik der Academia Sinica in Taipeh. "Diese beispiellosen Beobachtungen haben unser Verständnis dessen, was im Zentrum unserer Galaxie geschieht, erheblich verbessert und bieten neue Erkenntnisse darüber, wie diese riesigen schwarzen Löcher mit ihrer Umgebung in Verbindung stehen." Die Ergebnisse des EHT-Teams werden in einer Sonderausgabe der Zeitschrift The Astrophysical Journal Letters veröffentlicht.

Da das schwarze Loch etwa 27.000 Lichtjahre von der Erde entfernt ist, erscheint es uns am Himmel etwa so groß wie ein Krapfen auf dem Mond. Zur Abbildung des schwarzen Lochs schuf das Team das leistungsstarke EHT, das acht bestehende Radio-Observatorien auf der ganzen Welt zu einem einzigen virtuellen Teleskop in Erdgröße verband. Das EHT beobachtete Sgr A* in mehreren Nächten im Jahr 2017 und sammelte viele Stunden am Stück Daten, ähnlich wie bei einer langen Belichtungszeit einer Kamera.

Neben anderen Einrichtungen umfasst das EHT-Netzwerk von Radioobservatorien auch das Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) und das Atacama Pathfinder EXperiment (APEX) in der Atacama-Wüste in Chile, die von der ESO im Namen ihrer europäischen Mitgliedsstaaten mitbetreut werden. Europa trägt auch mit anderen Radioobservatorien zu den EHT-Beobachtungen bei – dem 30-Meter-Teleskop IRAM in Spanien und, seit 2018, dem NOrthern Extended Millimeter Array (NOEMA) in Frankreich – sowie mit einem Supercomputer zur Kombination von EHT-Daten, der vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Deutschland betrieben wird. Darüber hinaus hat Europa das EHT-Konsortiumsprojekt durch Zuschüsse des Europäischen Forschungsrats und der Max-Planck-Gesellschaft in Deutschland finanziell unterstützt.

"Es ist sehr faszinierend für die ESO, dass sie über so viele Jahre hinweg eine so wichtige Rolle bei der Entschlüsselung der Geheimnisse schwarzer Löcher und insbesondere von Sgr A* gespielt hat", kommentierte ESO-Generaldirektor Xavier Barcons. „Die ESO hat nicht nur durch die ALMA- und APEX-Anlagen zu den EHT-Beobachtungen beigetragen, sondern mit ihren anderen Observatorien in Chile auch einige der früheren bahnbrechenden Beobachtungen des galaktischen Zentrums ermöglicht."


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Der EHT-Erfolg folgt auf die Veröffentlichung des ersten Bildes eines schwarzen Lochs, genannt M87*, im Zentrum der weiter entfernten Galaxie Messier 87 im Jahr 2019.

Größenvergleich von zwei schwarzen Löchern: M87* und Sagittarius A* 
Größenvergleich der beiden schwarzen Löcher, die von der Event Horizon Telescope (EHT) Collaboration aufgenommen wurden: M87*, im Herzen der Galaxie Messier 87, und Sagittarius A* (Sgr A*), im Zentrum der Milchstraße. Das Bild zeigt die Größe von Sgr A* im Vergleich zu M87* und anderen Elementen des Sonnensystems wie den Bahnen von Pluto und Merkur. Außerdem werden der Durchmesser der Sonne und die aktuelle Position der Raumsonde Voyager 1, des am weitesten von der Erde entfernten Raumfahrzeugs, angezeigt. M87*, das 55 Millionen Lichtjahre entfernt liegt, ist eines der größten schwarzen Löcher, die bekannt sind. Während das 27.000 Lichtjahre entfernte Sgr A* eine Masse hat, die etwa dem Viermillionenfachen der Masse der Sonne entspricht, wiegt M87* das Sechshundertfache dieser Zahl. Aufgrund ihrer relativen Entfernung von der Erde erscheinen beide schwarzen Löcher am Himmel gleich groß. Herkunftsnachweis: EHT collaboration (acknowledgment: Lia Medeiros, xkcd)

Die beiden schwarzen Löcher sehen sich bemerkenswert ähnlich, obwohl das schwarze Loch unserer Galaxie mehr als tausendmal kleiner und weniger massereich ist als M87*. "Wir haben zwei völlig unterschiedliche Arten von Galaxien und zwei sehr unterschiedliche Massen von schwarzen Löchern, aber in der Nähe des Randes dieser schwarzen Löcher sehen sie sich verblüffend ähnlich", sagt Sera Markoff, Co-Vorsitzende des EHT-Wissenschaftsrats und Professorin für theoretische Astrophysik an der Universität von Amsterdam in den Niederlanden. „Das sagt uns, dass die Allgemeine Relativitätstheorie im Nahbereich für diese Objekte dominiert und alle Unterschiede, die wir in größerer Entfernung sehen, auf Abweichungen im Material zurückzuführen sein müssen, das die schwarzen Löcher umgibt."

Diese Leistung war wesentlich schwieriger als bei M87*, obwohl uns Sgr A* viel näher ist. Der EHT-Wissenschaftler Chi-kwan ('CK') Chan vom Steward Observatory und dem Department of Astronomy und dem Data Science Institute der University of Arizona, USA, erklärt: „Das Gas in der Nähe der schwarzen Löcher bewegt sich mit der gleichen Geschwindigkeit – fast so schnell wie das Licht – sowohl um Sgr A* als auch um M87*. Aber während das Gas Tage bis Wochen braucht, um das größere M87* zu umkreisen, vollendet es eine Umkreisung um das viel kleinere Sgr A* in nur wenigen Minuten. Das bedeutet, dass sich die Helligkeit und das Muster des Gases um Sgr A* schnell änderten, während die EHT Collaboration es beobachtete – ein bisschen wie der Versuch, ein klares Bild von einem Welpen zu machen, der schnell seinem Schwanz nachjagt."

Die Forschenden mussten raffinierte neue Methoden entwickeln, um die Gasbewegung um Sgr A* zu berücksichtigen. Während M87* ein einfacheres, stabileres Ziel war, bei dem fast alle Bilder gleich aussahen, war dies bei Sgr A* nicht der Fall. Das Bild des schwarzen Lochs Sgr A* ist ein Durchschnitt der verschiedenen Bilder, die das Team extrahiert hat, und offenbart schließlich zum ersten Mal den Riesen, der im Zentrum unserer Galaxie lauert.

Dieser Erfolg wurde durch den Einfallsreichtum von mehr als 300 Forschenden aus 80 Instituten auf der ganzen Welt ermöglicht, die zusammen die EHT Collaboration bilden. Neben der Entwicklung komplexer Werkzeuge zur Bewältigung der Herausforderungen bei der Abbildung von Sgr A* hat das Team fünf Jahre lang sorgfältig gearbeitet und Supercomputer zur Kombination und Analyse ihrer Daten eingesetzt. Gleichzeitig hat es eine noch nie dagewesene Bibliothek simulierter schwarzer Löcher zum Vergleich mit den Beobachtungen zusammengestellt.

Die Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen freuen sich besonders darüber, dass sie nun endlich Bilder von zwei schwarzen Löchern sehr unterschiedlicher Größe haben, was ihnen die Möglichkeit gibt, zu verstehen, worin sie sich ähneln und unterscheiden. Sie haben auch begonnen, die neuen Daten zu nutzen, um Theorien und Modelle darüber zu testen, wie sich Gas in der Umgebung supermassereicher schwarzer Löcher verhält. Dieser Prozess ist noch nicht vollständig verstanden, aber es wird angenommen, dass er eine Schlüsselrolle bei der Entstehung und Entwicklung von Galaxien spielt.

Jetzt können wir die Unterschiede zwischen diesen beiden supermassereichen schwarzen Löchern untersuchen, um wertvolle neue Erkenntnisse darüber zu gewinnen, wie dieser wichtige Prozess funktioniert", sagte EHT-Wissenschaftler Keiichi Asada vom Institut für Astronomie und Astrophysik der Academia Sinica in Taipeh. „Wir haben Bilder von zwei schwarzen Löchern – eines am oberen und eines am unteren Ende der supermassereichen schwarzen Löcher im Universum – so dass wir bei der Untersuchung des Verhaltens der Schwerkraft in diesen extremen Umgebungen viel weiter vorankommen können als jemals zuvor."

Die Fortschritte beim EHT gehen weiter: Eine große Beobachtungskampagne im März 2022 umfasste mehr Teleskope als je zuvor. Der kontinuierliche Ausbau des EHT-Netzwerks und bedeutende technologische Modernisierungen werden es den Wissenschaftlern und Wissenschaftlerinnen ermöglichen, in naher Zukunft noch weitere beeindruckende Bilder und Filme von schwarzen Löchern zu präsentieren.

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