Das erste Bild eines schwarzen Lochs
Physik-News vom 10.04.2019
ESO, ALMA und APEX tragen zu revolutionären Beobachtungen des massereichen schwarzen Lochs im Herzen der Galaxie Messier 87 bei.
Das Ereignishorizontteleskop (EHT, Event Horizon Telescope) – eine erdumspannende Anordnung von acht bodengebundenen Radioteleskopen, durch internationale Zusammenarbeit entstanden – wurde entwickelt, um Bilder von schwarzen Löchern aufzunehmen. Heute zeigen die EHT-Forscher in koordinierten Pressekonferenzen auf der ganzen Welt, dass es ihnen gelungen ist. Sie präsentieren den ersten direkten visuellen Nachweis für ein supermassereiches schwarzes Loch und seinen Schatten.
Das Ereignishorizontteleskop (EHT, Event Horizon Telescope) – eine erdumspannende Anordnung von acht bodengebundenen Radioteleskopen, durch internationale Zusammenarbeit entstanden – wurde entwickelt, um Bilder von schwarzen Löchern aufzunehmen. Heute zeigen die EHT-Forscher in koordinierten Pressekonferenzen auf der ganzen Welt, dass es ihnen gelungen ist. Sie präsentieren den ersten direkten visuellen Nachweis für ein supermassereiches schwarzes Loch und seinen Schatten.
Dieser Durchbruch wurde heute in einer Reihe von sechs Artikeln angekündigt, die in einer Sonderausgabe von The Astrophysical Journal Letters veröffentlicht wurden. Das Bild zeigt das schwarze Loch im Zentrum von Messier 87 [1], einer massereichen Galaxie im nahegelegenen Virgo-Galaxienhaufen. Dieses schwarze Loch liegt 55 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt und hat eine Masse, die 6,5 Milliarden Mal größer ist als die der Sonne [2].
Publikation:
The Event Horizon Telescope Collaboration: Kazunori Akiyama, Antxon Alberdi, Walter Alef, Keiichi Asada, Rebecca Azulay, Anne-Kathrin Baczko, David Ball, Mislav Baloković, John Barrett et al.
First M87 Event Horizon Telescope Results. I. The Shadow of the Supermassive Black Hole
The Astrophysical Journal Letters, Volume 875, Number 1
Das EHT verbindet Teleskope rund um den Globus zu einem beispiellosen erdumspannenden virtuellen Teleskop [3]. Das EHT bietet Wissenschaftlern eine neue Möglichkeit, die extremsten Objekte im Universum zu untersuchen, die von Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie im Jubiläumsjahr des historischen Experiments vorhergesagt wurden, das die Theorie zuerst bestätigte [4].
„Wir haben das erste Bild eines schwarzen Lochs gemacht“, sagt EHT-Projektleiter Sheperd S. Doeleman vom Harvard & Smithsonian Center for Astrophysics. „Das ist eine außergewöhnliche wissenschaftliche Leistung, die von einem Team von mehr als 200 Forschern erbracht wurde.“
Schwarze Löcher sind außergewöhnliche kosmische Objekte mit enormen Massen bei vergleichsweise äußerst kompakten Abmessungen. Die Anwesenheit dieser Objekte beeinflusst ihre Umgebung in extremer Weise, verzerrt die Raumzeit und heizt alle umgebenden Materialien enorm auf.
The Event Horizon Telescope Collaboration et al. 2019 ApJL 875 L3,DOI: 10.3847/2041-8213/ab0c57
First M87 Event Horizon Telescope Results. IV. Imaging the Central Supermassive Black Hole
The Event Horizon Telescope Collaboration et al. 2019 ApJL 875 L4, DOI: 10.3847/2041-8213/ab0e85
First M87 Event Horizon Telescope Results. V. Physical Origin of the Asymmetric Ring
The Event Horizon Telescope Collaboration et al. 2019 ApJL 875 L5, DOI: 10.3847/2041-8213/ab0f43
First M87 Event Horizon Telescope Results. VI. The Shadow and Mass of the Central Black Hole
The Event Horizon Telescope Collaboration et al. 2019 ApJL 875 L6, DOI: 10.3847/2041-8213/ab1141
„Wenn wir in eine helle Region eintauchen, wie eine Scheibe aus glühendem Gas, erwarten wir, dass ein schwarzes Loch eine dunkle Region ähnlich einem Schatten erzeugt – etwas, das durch Einsteins allgemeine Relativitätstheorie vorhergesagt wird, aber wir noch nie zuvor gesehen haben“, erklärt der Vorsitzende des EHT-Wissenschaftsrates Heino Falcke von der Radboud University, Nijmegen, Niederlande. „Dieser Schatten, verursacht durch die Gravitationskrümmung und den Einfang von Licht durch den Ereignishorizont, offenbart viel über die Natur dieser faszinierenden Objekte. Er hat es uns ermöglicht, die enorme Masse des schwarzen Lochs von M87 zu messen.“
Mehrere Kalibrier- und Abbildungsmethoden haben eine ringförmige Struktur mit einem dunklen zentralen Bereich – dem Schatten des schwarzen Lochs – ergeben, die über mehrere unabhängige EHT-Beobachtungen hinweg Bestand hatte.
„Sobald wir sicher waren, dass wir den Schatten aufgenommen hatten, konnten wir unsere Beobachtungen mit umfangreichen Computermodellen vergleichen, die die Physik des verzerrten Raums, von heißer Materie und starken Magnetfeldern beinhalten. Viele der Merkmale des beobachteten Bildes entsprechen unserem theoretischen Verständnis überraschend gut“, bemerkt Paul T. P. Ho, EHT-Vorstandsmitglied und Direktor des East Asian Observatory [5]. „Das macht uns zuversichtlich für die Interpretation unserer Beobachtungen, einschließlich unserer Abschätzung der Masse des Schwarzen Lochs.“
„Die Konfrontation von Theorie und Beobachtung ist für einen Theoretiker immer ein dramatischer Moment. Es freut uns und macht uns stolz zu erkennen, dass die Beobachtungen unseren Vorhersagen so gut entsprechen“, erklärt EHT-Vorstandsmitglied Luciano Rezzolla von der Goethe-Universität, Frankfurt am Main, Deutschland.
Der Zusammenschluss des EHT war eine gewaltige Herausforderung, die den Ausbau und die Verbindung eines weltweiten Netzwerks von acht bereits existierenden Teleskopen erforderte, die an einer Vielzahl von anspruchsvollen hochgelegenen Standorten zum Einsatz kamen. Zu diesen Orten gehörten Vulkane in Hawaii und Mexiko, Berge in Arizona und der spanischen Sierra Nevada, die chilenische Atacama-Wüste und die Antarktis.
Die EHT-Beobachtungen verwenden eine Technik, die als „Interferometrie mit sehr langen Basistrecken“ (VLBI) bezeichnet wird, die Teleskopanlagen auf der ganzen Welt synchronisiert und die Rotation unseres Planeten ausnutzt, um ein riesiges, erdumspannendes Teleskop zu bilden, das bei einer Wellenlänge von 1,3 mm beobachtet. VLBI ermöglicht dem EHT eine Winkelauflösung von 20 Mikro-Bogensekunden – genug, um eine Zeitung in New York aus einem Café in Paris zu lesen [6].
Zu diesem Ergebnis trugen ALMA, APEX, das IRAM 30-Meter-Teleskop, das James Clerk Maxwell Telescope, das Large Millimeter Telescope Alfonso Serrano, das Submillimeter Array, das Submillimeter Telescope und das South Pole Telescope [7] bei. Petabytes von Rohdaten von den Teleskopen wurden von hochspezialisierten Supercomputern kombiniert, die vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie und dem MIT Haystack Observatorium betrieben wurden.
Europäische Einrichtungen und Finanzmittel spielten bei diesen weltweiten Bemühungen eine entscheidende Rolle, wobei die Beteiligung fortschrittlicher europäischer Teleskope und die Unterstützung des Europäischen Forschungsrates – insbesondere ein Zuschuss von 14 Mio. € für das BlackHoleCam-Projekt [8] – eine wichtige Rolle spielten. Die Unterstützung durch ESO, IRAM und die Max-Planck-Gesellschaft war ebenfalls von zentraler Bedeutung. „Dieses Ergebnis baut auf jahrzehntelanger europäischer Expertise in der Millimeterastronomie auf“, kommentiert Karl Schuster, Direktor des IRAM und Mitglied des EHT-Vorstands.
Mit der Errichtung des EHT und den heute angekündigten Beobachtungen ist der Höhepunkt jahrzehntelanger Beobachtungsarbeit in technischer und theoretischer Hinsicht erreicht. Dieses Beispiel für globale Teamarbeit erforderte eine enge Zusammenarbeit von Forschern aus der ganzen Welt. Dreizehn Partnerinstitutionen arbeiteten bei der Schaffung des EHT zusammen und nutzten dabei sowohl die bereits vorhandene Infrastruktur als auch die Unterstützung durch eine Vielzahl von Behörden. Die wichtigsten Mittel wurden von der US National Science Foundation (NSF), dem Europäischen Forschungsrat (ERC) der EU und Fördereinrichtungen in Ostasien bereitgestellt.
„Die ESO ist erfreut, durch ihre europäische Führung und Schlüsselrolle bei zwei der in Chile ansässigen Teilteleskope ALMA und APEX wesentlich zu diesem Ergebnis beigetragen zu haben“, kommentiert ESO-Generaldirektor Xavier Barcons. „ALMA ist die empfindlichste Anlage des EHT, und seine 66 hochpräzisen Antennen waren entscheidend für den Erfolg des EHT.“
[1] Mit dem Schatten eines schwarzen Lochs kommen wir einem Bild des schwarzen Lochs selbst am nächsten, einem völlig dunklen Objekt, aus dem das Licht nicht entweichen kann. Die Grenze des schwarzen Lochs – der Ereignishorizont, von dem das EHT seinen Namen hat – ist etwa 2,5 mal kleiner als der knapp 40 Milliarden Kilometer große Schatten, den es wirft.
[2] Supermassereiche schwarze Löcher sind relativ kleine astronomische Objekte – was sie bisher einer direkten Beobachtung entzogen hat. Da die Größe des Ereignishorizonts eines schwarzen Lochs proportional zu seiner Masse ist, gilt: Je massereicher ein schwarzes Loch, desto größer der Schatten. Dank seiner enormen Masse und relativen Nähe wurde das schwarze Loch von M87 als eines der größten von der Erde aus sichtbaren Löcher vorhergesagt – was es zu einem perfekten Ziel für das EHT macht.
[3] Obwohl die Teleskope nicht physikalisch verbunden sind, sind sie in der Lage, ihre aufgezeichneten Daten mit Atomuhren – Wasserstoffmastern – zu synchronisieren, die ihre Beobachtungen genau zeitlich steuern. Diese Beobachtungen wurden bei einer Wellenlänge von 1,3 mm während einer weltweiten Kampagne 2017 gesammelt. Jedes Teleskop des EHT produzierte enorme Datenmengen – etwa 350 Terabyte pro Tag -, die auf leistungsstarken, mit Helium gefüllten Festplatten gespeichert wurden. Diese Daten wurden zu hochspezialisierten Supercomputern – den so genannten Korrelatoren – am Max-Planck-Institut für Radioastronomie und am MIT Haystack Observatorium geflogen und dort kombiniert. Sie wurden dann mit Hilfe neuartiger, in der Kooperation entwickelter Rechenwerkzeuge mühsam in ein Bild umgewandelt.
[4] Vor 100 Jahren starteten zwei Expeditionen auf die Insel Principe vor der Küste Afrikas und nach Sobral in Brasilien, um die Sonnenfinsternis von 1919 zu beobachten. Ziel war es, die allgemeine Relativitätstheorie zu testen, indem man prüfte, ob Sternenlicht um den Sonnenrand gebogen würde, wie von Einstein vorhergesagt. In Anlehnung an diese Beobachtungen hat das EHT Teammitglieder zu einigen der höchsten und isoliertesten Radioteleskope der Welt geschickt, um unser Verständnis der Gravitation erneut zu testen.
[5] Der Partner des East Asian Observatory (EAO) im Rahmen des EHT-Projekts repräsentiert die Beteiligung vieler Regionen in Asien, darunter China, Japan, Korea, Taiwan, Vietnam, Thailand, Malaysia, Indien und Indonesien.
[6] Zukünftige EHT-Beobachtungen werden unter Beteiligung des IRAM NOEMA Observatoriums, des Grönland-Teleskops und des Kitt Peak-Teleskops zu einer wesentlich höheren Empfindlichkeit führen.
[7] ALMA ist eine Partnerschaft der Europäischen Südsternwarte (ESO; Europa, das seine Mitgliedstaaten vertritt), der National Science Foundation (NSF) der USA und der National Institutes of Natural Sciences (NINS) Japans, zusammen mit dem National Research Council (Kanada), dem Ministry of Science and Technology (MOST; Taiwan), dem Academia Sinica Institute of Astronomy and Astrophysics (ASIAA; Taiwan) und dem Korea Astronomy and Space Science Institute (KASI; Republic of Korea) in Zusammenarbeit mit der Republik Chile. APEX wird von der ESO betrieben, das 30-Meter-Teleskop wird von IRAM (die IRAM-Partnerorganisationen sind MPG (Deutschland), CNRS (Frankreich) und IGN (Spanien)), das James Clerk Maxwell-Teleskop wird von der EAO betrieben, das Large Millimeter Telescope Alfonso Serrano von INAOE und UMass, das Submillimeter Array von SAO und ASIAA und das Submillimeter-Teleskop vom Arizona Radio Observatorium (ARO). Das South Pole Telescope wird von der University of Chicago betrieben, wobei die University of Arizona spezielle EHT-Instrumente zur Verfügung stellt.
[8] BlackHoleCam ist ein von der EU finanziertes Projekt zur Darstellung, Messung und zum Verständnis astrophysikalischer schwarzer Löcher. Das Hauptziel von BlackHoleCam und dem Event Horizon Telescope (EHT) ist es, die ersten Bilder des Milliarden Sonnenmassen schweren schwarzen Lochs in der nahen Galaxie M87 und seines kleineren Cousins, Sagittarius A**, des supermassereichen schwarzen Lochs im Zentrum unserer Milchstraße, zu erstellen. Dies ermöglicht die Bestimmung der Verformung der Raumzeit durch ein schwarzes Loch mit höchster Präzision.
Diese Newsmeldung wurde via Informationsdienst Wissenschaft erstellt.
