Astronomie Erstes Bild vom Schwarzen Loch im Zentrum der Milchstraße: So sieht Sagittarius A* aus

Ein internationales Team von Astronomen der Kooperation Event Horizon Telescope (EHT) hat das erste Bild des supermassiven Schwarzen Lochs Sagittarius A* präsentiert, um das sich unsere Milchstraße dreht. Es ist das zweite Foto eines solchen Objekts überhaupt.

Das erste Bild des schwarzen Lochs Sagittarius A*: Ein orangener Ring mit hellen gelben Stellen und dem schwarzen Schatten des Lochs in der Mitte vor dunklem Himmel.
Das erste Bild von Sagittarius A*, dem schwarzen Loch im Zentrum unserer Galaxie. Bildrechte: EHT Collaboration

Es ist rund 27.000 Lichtjahre von uns entfernt und liegt im Sternbild Schütze: Das Zentrum unserer Milchstraße, um das sich unsere Sonne und alle Sterne der Galaxie drehen. Weil es so weit entfernt ist und von vielen Schichten an Sternen und interstellarem Staub verdeckt wird, ist es Forschern erst vor wenigen Jahren gelungen, diese Region mit Infrarotteleskopen näher zu beobachten. Was sie sahen, war eine Gruppe von Sternen, die mit offenbar extremen Geschwindigkeiten einen Punkt umkreisten, der selbst scheinbar unauffällig und dunkel war. Aus den Beobachtungen schlossen die Forschenden, dass es sich um ein gewaltiges schwarzes Loch handeln muss: Sagittarius A*, dessen Masse über vier Millionen Sonnen betragen muss, um die beobachteten Umlaufbahnen der Sterne in seinem Umfeld erklären zu können. Heute, am 12. Mai, hat nun ein internationales Forscherteam zum ersten Mal ein Bild dieses nahezu unvorstellbaren Objekts präsentiert.

Event Horizon Telescope: Ein virtuelles Teleskop mit der Größe der Erde

Die Forschungsgemeinschaft "Event Horizon Telescope" hatte bereits 2019 das erste Bild eines Schwarzen Lochs überhaupt präsentiert. Damals zeigten die über 350 beteiligten Forscherinnen und Forscher M87*, das aktive Zentrum der Galaxie M87. Bei der Aufnahme handelte es sich wie bei dem heutigen Bild um eine Rekonstruktion. Denn Schwarze Löcher verschlucken Licht, sind daher naturgemäß dunkle Objekte. Allerdings wird die Materie, die mit extremer Geschwindigkeit um den sogenannten Ereignishorizont kreist, aufgeheizt und gibt dabei Strahlung ab.

Größeneinordnung der astronomischen Dimensionen der Schwarzen Löcher: M87* Zentrum ist größer als das Sonnensystem innerhalb der Umlaufbahn von Pluto. Die aus dem Sonnensystem herausrasende Voyager-Sonder hätte bisher nicht einmal die Mitte der Akkretionsscheibe erreicht. Die Scheibe von Sagitarrius A* hingegen passt in die Umlaufbahn des Merkus, des sonnennächsten Planeten.
Vergleich der beiden Bilder der Schwarzen Löcher M87* links und Sagittarius A* rechts. M87* hat die ungefähr 1.000-fache Masse des bereits 4,2 Millionen Sonnenmassen umfassenden Sagittarius A*. Während Sagitarrius A* noch locker in die Umlaufbahn des Merkur passt, ist M87* deutliche größer als das gesamte Sonnensystem. Bildrechte: EHT collaboration (acknowledgment: Lia Medeiros, xkcd)

Diese Strahlung lässt sich beobachten, allerdings nur mit extrem aufwendigen Methoden. Das "Event Horizon Telescope" (EHT) ist ein virtuelles Teleskop, also eine Zusammenschaltung von insgesamt acht Radioteleskop-Standorten auf der ganzen Welt. Diese acht Teleskope beobachten zuvor vereinbarte Objekte im Himmel zeitlich extrem genau abgestimmt. Dadurch entsteht ein virtuelles Radioteleskop das den Durchmesser der gesamten Erde hat. Die dahinter stehende Methode nennt sich "Very Long Baseline Interferometry (VLBI)" und macht es möglich, zigtausende Lichtjahre entfernte Objekte mit sehr kleinen Radiowellen im Bereich von 1,3 Millimetern zu beobachten und so extrem hohe Auflösungen zu schaffen.

EHT: Event Horizon Telescope

Die Standorte der beteiligten Radioteleskope.

In nächtliche Dunkelheit getauchte Weltkarte mit den Standorten der acht am Event Horizon Telescope beteiligten Teleskope.
Standorte der acht am Event Horizon Telescope beteiligten Radioteleskope. Bildrechte: EHT collaboration (acknowledgment: Lia Medeiros, xkcd)
In nächtliche Dunkelheit getauchte Weltkarte mit den Standorten der acht am Event Horizon Telescope beteiligten Teleskope.
Standorte der acht am Event Horizon Telescope beteiligten Radioteleskope. Bildrechte: EHT collaboration (acknowledgment: Lia Medeiros, xkcd)
Grafik, die die virtuelle Grundfläche des Event Horizon Telescope zeigt, die dem Erddurchmesser entspricht.
Zusammengeschaltet können die acht Radioteleskope eine virtuelle Grundfläche des gesamten Erddurchmessers abbilden. Bildrechte: ESO/L. Calçada
Alle (2) Bilder anzeigen

Sagittarius A* : vergleichsweise klein mit wenig strahlendem Material im Orbit

Aas ALMA Radioteleskop in Chile. Im Himmel darüber ist das Zentrum der Milchstrasse zu sehen.
Das ALMA-Radioteleskop in Chile unter dem Nachhimmel mit dem Zentrum der Milchstraße. Bildrechte: ESO/B. Tafreshi (twanight.org)

Die Daten werden gesammelt und schließlich in zwei Rechenzentren mit Supercomputern zusammengeführt. Eines davon liegt beim Massachusetts Institute of Technology in Boston, USA, das andere beim Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn. Für das nun veröffentlichte Bild von Sagitarrius A* sammelten die beteiligten Teleskope in fünf Beobachtungsläufen über 6.000 Terrabyte an Daten.

Bei einer Pressekonferenz am Donnerstag nannten die beteiligten Forschenden die größte Herausforderung, dass Sagittarius A* über 1.000 Mal leichter ist als das Schwarze Loch im Zentrum von M87. Zudem befinde sich weit weniger Material in einem Orbit um das Schwarze Loch. Das wenige Gas rase in wenigen Minuten mit nahezu Lichtgeschwindigkeit um das Schwerkraftzentrum und sei damit extrem schwer zu erfassen. Auch das ist ganz anders als bei M87, wo das Gas Tage bis Wochen benötigt, um das Schwarze Loch zu umkreisen. Es ist "ein bisschen so, als würde man versuchen, ein scharfes Bild von einem Welpen aufzunehmen, der unentwegt mit seinem Schwanz vor der Kamera wedelt", beschrieb EHT-Wissenschaftler Chi-kwan Chan vom Steward Observatory (USA) die Herausforderung.

Interview mit Heino Falcke 12 min
Bildrechte: MDR/Boris Breuer
Interview mit Heino Falcke 12 min
Bildrechte: MDR/Boris Breuer

Bild von Sagittarius A* ist aus hunderten Bildern zusammengesetzt

Das erste Bild des schwazren Lochs Sagittarius A* wurde aus verschiedenen Bildern zusammengesetzt. Hier ist oben das veröffentlichte Bild mit dem orange-gelben Ring um das Schwarze Loch zu sehen, unten sind drei ähnliche Bilder, die als Ausgangsbasis für das obere Bild dienten.
Das aktuelle Bild von Sagittarius A* wurde aus verschiedenen Bildern zusammengesetzt. Bildrechte: EHT Collaboration

Die jetzt veröffentlichte Aufnahme ist die Zusammenführung von hunderten Bildern, die durch die Beobachtungskampagne entstanden sind. Die wichtigsten davon zeigen den Ring des Gases, das das schwarze Loch in der Mitte umkreist. Nur die hellen Stellen auf diesen Ringen liegen an jeweils etwas anderen Stellen, was durch minimale Unterschiede bei der Datenauswahl und Analyse entstanden sei, hieß es bei der Pressekonferenz.

In weiteren Analysen soll nun erforscht werden, welche Magnetfelder im Umfeld des Schwarzen Lochs wirken und ob es sogenannte Jets gibt, also Ströme, in denen Materie aus dem Umfeld des Lochs in die Tiefen des Alls geschleudert wird. Zudem erhoffen sich die Forschenden Hinweise auf die Grenzen der Einsteinschen Relativitätstheorie, die die Existenz der Schwarzen Löcher und ihre physikalischen Eigenschaften vorausgesagt hat. Bislang sieht es allerdings so aus, als habe Einstein praktisch keinerlei Fehler gemacht. Bereits bei M87* stellten die Forschenden fest, dass Einsteins Voraussagen zu 100 Prozent eingetroffen waren.

Schwarze Löcher haben Pole und einen Äquator

Englischsprachige Infografik zum Aufbau eines Schwarzen Lochs.
Der Aufbau eines Schwarzen Lochs. Bildrechte: ESO

Schwarze Löcher sind nahezu unendlich dichte, gewaltige Ansammlungen von Materie. Ihre extreme Dichte führt zu einer extremen Schwerkraft. Dadurch entsteht ein sogenannter Ereignishorizont, also eine Art unsichtbare Grenze im Weltraum, die sich am besten vergleichen lässt mit der Kante eines Wasserfalls. Alle Energie und Materie, die hinter den Ereignishorizont fällt, kann dem Schwarzen Loch nie wieder entkommen. Die Beschleunigung beim Fall in Richtung Zentrum des Lochs wird größer als die Lichtgeschwindigkeit, weshalb auch Licht nicht mehr entkommen kann. Das sorgt für die namensgebende Schwärze des Lochs und dafür, dass die physikalischen Gesetze, die hinter dem Ereignishorizont gelten, praktisch unbekannt sind.

Allerdings können nach der von Albert Einstein aufgestellten Relativitätstheorie einige Eigenschaften des Schwarzen Lochs bestimmt werden, vor allem über die Wirkung auf seine Umgebung. So lässt sich einerseits seine Masse bestimmen und andererseits sein Drehimpuls, der sogenannte Spin. Wie Sterne und Planeten haben auch Schwarze Löcher senkrechte Achsen, um die sie sich drehen. Materie, die in den Schwerkraftbereich des Lochs gerät, sammelt sich in einer sogenannten Akkretionsscheibe, die oberhalb des Äquators kreist. Nicht alles umkreisende Material fällt schließlich auch hinein. Ein Teil wird durch die enormen Beschleunigungskräfte im Umfeld des Lochs schließlich wieder fortgeschleudert und zwar in sogenannten Jets, also gewaltigen Strömen von Materie, die über den Polen entstehen.

Einstein hatte schon wieder Recht

Bildmontage mit den großen Schüsselantennen des Alma Radioteleskops in der nächtlichen Atacama-Wüse in Chile, darüber der Nachhimmel mit der Mildchstraße und einem Ausschnitt mit dem ersten Bild des Schwarzen Lochs im Zentrum.
Bildmontage: Wo sich das Schwarze Loch im Zentrum der Milchstraße von uns aus gesehen befindet. Bildrechte: ESO/José Francisco Salgado, EHT Collaboration

Das nun veröffentlichte Bild habe die Forschenden selbst überrascht, teilte das vom niederländischen Anstronomen Huip van Lengeveld geleitete Team bei der Pressekonforenz mit. Denn Sagitarrius A* sehe dem bereits vor zwei Jahren veröffentlichten Bild von M87* extrem ähnlich, trotz der deutlich geringeren Größe. Die Forscher rätseln indes noch darüber, in welche Richtung das Schwarze Loch gegenüber der Erde orientiert ist. Die jetzt veröffentlichten Daten lassen einige Forschende vermuten, das Schwarze Loch könnte senkrecht zur Erde stehen, mit seinen Polen also in unsere Richtung schauen. Dann allerdings würde die umgebende Milchstraße nicht in einer Scheibe um den Äquator des Lochs kreisen. Hier sollen weitere Analysen der gesammelten Daten in den kommenden Jahren mehr Hinweise geben.

Ein weiterer Gegenstand der Forschung sind Magnetfelder, die im Umfeld von Sagitarrius A* wirken. Auch hier erhoffen sich die Forscher weitere Erkenntnisse von einer Auswertung der Daten. Klar ist aber schon jetzt: Auch das neue Bild beweist erneut die theoretischen Voraussagen von Albert Einstein. Damit ist es nach wie vor nicht gelungen, die Grenze des Geltungsbereichs von Einsteins Theoremen zu finden. Eine solche Grenze ist allerdings wahrscheinlich, denn anders sind die bisher beschriebenen Gesetze der Quantenphysik nicht mit den Relativitätstheorien vereinbar.

(ens)

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