The Black Hole Files with Camille Carlisle

Unter Verwendung einer weltweiten Reihe von Teleskopen hat uns das Team des Event Horizon Telescope unseren ersten Blick auf Sagittarius A* ermöglicht.

Heute enthüllten Wissenschaftler des Event Horizon Telescope-Projekts auf mehreren Pressekonferenzen, die gleichzeitig auf der ganzen Welt abgehalten wurden, das erste Bild des Schwarzen Lochs im Herzen unserer Galaxie.

Dieses Schwarze Loch, Sagittarius A*, packt die Masse von 4 Millionen Sonnen in eine Region, die kleiner ist als die Umlaufbahn von Merkur um unseren Stern. Sgr A* ist ein „sanfter Riese“ unter den Schwarzen Löchern, der auf einem dünnen Rinnsal aus Gas weidet, das ihn von den Winden der Sterne erreicht, die sich im galaktischen Zentrum sammeln. Das einfallende Gas gibt nur ein paar hundert Mal so viel Energie ab wie unsere Sonne, daher ist Sgr A* in 26.000 Lichtjahren Entfernung alles andere als hell.

Aber es ist auch das der Erde am nächsten gelegene supermassereiche Schwarze Loch und das dunkle Herz unserer Galaxie, was es zu einem unwiderstehlichen Ziel macht. Astronomen haben Jahrzehnte damit verbracht, sich dem Ereignishorizont des Schwarzen Lochs anzunähern, diesem berüchtigten Punkt ohne Wiederkehr. Sie haben beobachtet, wie Sterne auf Umlaufbahnen herumsausten, die die Masse des unsichtbaren Objekts offenbarten, und Fackeln einfingen, als das Rinnsal des Gases aufleuchtete.

Heute können wir jedoch zum ersten Mal das Schwarze Loch – oder besser gesagt seine Silhouette – sehen. Genau wie das ikonische Bild des Schwarzen Lochs im Zentrum der elliptischen Galaxie M87 aus dem Jahr 2019 zeigt das Bild von Sgr A* einen verschwommenen Lichtring, der ein dunkles Zentrum umgibt. Das Licht ist Radioemission und stammt von Elektronen im Gas, das um das Schwarze Loch wirbelt; im dunklen Zentrum kommt das Licht Sgr A* zu nahe und taucht am Ereignishorizont vorbei, erreicht uns nie und hinterlässt dort, wo sich das Schwarze Loch befindet, einen „Schatten“.

Als der EHT-Astrophysiker Feryal Özel (University of Arizona) das Bild von Sgr A* in DC enthüllte, brach der Raum in Applaus aus. Das war der Moment, auf den so viele von uns gewartet haben: Endlich sind wir unserem Schwarzen Loch von Angesicht zu Angesicht begegnet.

Dies ist das erste Bild von Sgr A*, dem supermassiven Schwarzen Loch im Zentrum unserer Galaxie. Es ist der erste direkte sichtbare Beweis für die Anwesenheit dieses Schwarzen Lochs. Wissenschaftler des Event Horizon Telescope (EHT) erstellten das Bild, indem sie Daten von acht Radioobservatorien auf der ganzen Welt kombinierten, um ein einziges „erdgroßes“ virtuelles Teleskop zu bilden. EHT-Zusammenarbeit

Wie man das „Foto“ eines Schwarzen Lochs macht

Mehr als 300 Menschen, die an 80 Institutionen in verschiedenen Ländern arbeiten, haben dazu beigetragen, dieses Image Wirklichkeit werden zu lassen. Astronomen beobachteten Sgr A* im April 2017 in fünf Nächten während desselben Beobachtungslaufs, der uns das M87*-Bild brachte. Sie verwendeten acht Radioteleskope an sechs Standorten, die sich von Arizona bis zum Südpol und von Hawaii bis Spanien erstreckten, um ein virtuelles Teleskop in Planetengröße zu erstellen. Diese als Interferometrie mit sehr langer Basislinie (VLBI) bezeichnete Technik kombiniert die Daten von Teleskoppaaren, um die Auflösung zu erreichen, die möglich wäre, wenn wir eine Funkschüssel hätten, die so groß ist wie der Abstand zwischen ihnen.

Der Schlüssel zu VLBI liegt jedoch nicht darin, nur ein einziges großes virtuelles Gericht zu haben. Der Abstand oder die Basislinie jedes Paares untersucht eine andere Skala: Lange Basislinien sagen uns etwas über die feine Struktur des beobachteten Objekts, während kurze Basislinien uns etwas über die großen Merkmale sagen. Um das Bild, das wir zu sehen versuchen, überhaupt auszufüllen, brauchen wir eine Vielzahl von Grundlinien, und mehr ist definitiv besser.

Für die Beobachtungen des Event Horizon Telescope 2017 wurden acht Radioteleskope an sechs Standorten auf der ganzen Welt verwendet. Wenn sich der Planet dreht, ändert sich die Sicht jedes Teleskops auf das galaktische Zentrum, und auch die scheinbaren Trennungen der Schalen aus der Perspektive des Schwarzen Lochs ändern sich. Diese Änderungen tragen dazu bei, die virtuelle Schüssel auszufüllen, die das Schwarze Loch beobachtet. Weitere Informationen finden Sie in unserer VLBI-Grundierung. The Event Horizon Telescope Collaboration / Astrophysical Journal Letters 930:L12, 10. Mai 2022

Die Rekonstruktion des Bildes des Schattens erforderte das Sammeln unglaublicher Datenmengen – in diesem Fall 3½ Petabyte, das Äquivalent von 100 Millionen TikTok-Videos, witzelte Vincent Fish (MIT Haystack Observatory) während der Pressekonferenz. Diese Daten können nicht einfach per E-Mail versendet werden (stellen Sie sich diese Fehlermeldung vor!). Stattdessen speichern Beobachter die Informationen auf Festplatten und fliegen sie physisch zu Orten in Deutschland und Massachusetts, wo die Daten korreliert und innerhalb von Billionstelsekunden perfekt synchronisiert werden.

Gas peitscht in nur wenigen Minuten um Sgr A* herum, verglichen mit den Tagen, die Gas für den rund 1.500-mal größeren Kreislauf M87* benötigt. Das bedeutet, dass Sgr A* nicht geduldig für sein Porträt sitzt: Sein Bild ändert sich ständig, der dünne, turbulente Gasstrom blubbert und gurgelt, sagte Özel. Außerdem blicken wir durch die staubige Ebene der Milchstraße auf Sgr A*, was das Bild verwischt, als würden wir durch Milchglas blicken. All dies erschwert eine stundenlange Exposition.

Das Team verwendete einige der raffiniertesten Computeralgorithmen, die je geschrieben wurden, um das Bild zu rekonstruieren. Trotzdem erwies sich Sgr A* als entmutigend. Wie bei M87* teilten sich die Mitglieder in mehrere Teams auf, von denen jedes seine eigenen Methoden verwendete, um ein Bild aus den Daten zu rekonstruieren. Beim letzten Mal hatten alle Teams ziemlich schnell ein Bild, und alle stimmten bemerkenswert gut überein. Diesmal waren die Teams ratlos – viele Bilder zeigten einen Ring, aber nicht alle. Es war so unklar, was vor sich ging, dass die Leute ihre Bilder nicht einmal zeigen wollten, sagte die Computerwissenschaftlerin Katie Bouman (Caltech), die die Bildgebung mitleitete. „Das ist es wirklich, was wir jahrelang herauszufinden versucht haben“, erklärte sie.

Um das Rätsel zu lösen, simulierten die Wissenschaftler verschiedene Bilder und ließen ihre Algorithmen auf die Scheindaten los, um zu erfahren, wie ihre Methoden auf verschiedene Situationen reagierten. Schließlich waren sie sich sicher, dass sie tatsächlich einen Ring entdecken, und zwar immer von derselben Größe: etwa 50 Mikrobogensekunden breit, genau wie es Einsteins Gravitationstheorie vorhersagt.

Worin die rekonstruierten Bilder nicht übereinstimmen, sind die hellen Knoten, die den Ring punktieren. Knoten sind natürlich, aufgrund der verworrenen Magnetfelder, die das Tutu eines Schwarzen Lochs aus heißem Gas durchziehen. Aber die Knoten in den Sgr A*-Bildern bewegen sich je nachdem, welche Rekonstruktion Sie verwenden, und neigen dazu, sich mit mehr Teleskopen entlang der Richtungen auszurichten, warnte Özel. „Wir trauen den Knoten nicht so sehr“, sagte sie.

Mehrere Ansichten von Sgr A*Die Event Horizon Telescope (EHT) Collaboration hat ein einzelnes Bild (oberes Bild) des supermassereichen Schwarzen Lochs im Zentrum unserer Galaxie mit dem Namen Sagittarius A* oder kurz Sgr A* erstellt. Dieses Hauptbild wurde durch Mittelung von Tausenden von Bildern erstellt, die mit verschiedenen Berechnungsmethoden erstellt wurden – die alle genau zu den EHT-Daten passen. Dieses gemittelte Bild behält Merkmale bei, die häufiger in den verschiedenen Bildern zu sehen sind, und unterdrückt Merkmale, die selten erscheinen. Die Tausenden von Bildern gruppieren sich in vier Gruppen mit ähnlichen Merkmalen. Ein gemitteltes, repräsentatives Bild für jeden der vier Cluster ist in der unteren Reihe gezeigt. Drei der Cluster zeigen eine Ringstruktur mit hellen Flecken an verschiedenen Stellen. Der vierte Cluster enthält Bilder, die ebenfalls zu den Daten passen, aber nicht ringförmig erscheinen. Die Balkendiagramme zeigen die relative Anzahl der Bilder, die zu jedem Cluster gehören; Wie Sie sehen können, war die ringlose Option selten. EHT-Zusammenarbeit

Gespenstisch ruhig

Als ich dasaß und den Ergebnissen zuhörte, auf die ich mehr als ein Jahrzehnt gewartet hatte, erregte etwas meine Aufmerksamkeit: Sgr A* erwies sich als weniger variabel als erwartet. EHT-Wissenschaftler hatten eine Bibliothek mit mehr als 5 Millionen simulierten Bildern erstellt, um sie mit den Ergebnissen zu vergleichen, und kombinierten mögliche Szenarien mit früheren Beobachtungen, wie z. B. der schwachen Geschwindigkeit, mit der das Schwarze Loch Gas schlürft.

Keiner von ihnen entsprach dem Verhalten von Sgr A*.

Während der fünf Tage, die das EHT beobachtete, war der Gasfluss überraschend ruhig. „Meiner Meinung nach ist das eines der interessantesten Dinge, die wir gelernt haben“, sagte mir der Theoretiker Dimitrios Psaltis (University of Arizona) nach der Pressekonferenz.

Denken Sie daran, Wellen am Strand zu beobachten, erklärt er. Wellen kommen dank planetarer Gravitationsfluten mit der gleichen Geschwindigkeit herein, aber wie groß die Wellen sind, hängt von Dingen wie den Wind- und Meeresbedingungen an diesem Tag ab. EHT-Astronomen erwarteten große Wellen für Sgr A* – vielleicht so groß, dass sie keine anständige Langzeitbelichtung machen könnten. „Wir haben den Sturm vorhergesagt und einen wunderschönen sonnigen Tag erwischt“, sagt er.

Was das bedeutet, weiß das Team noch nicht. Möglicherweise sind Magnetfelder im Gas nicht so verknäult wie erwartet oder mischen sich sanfter als vorhergesagt mit den Elektronen, die die Radiowellen aussenden. Wir wissen noch nicht, ob dies ein dauerhafter oder vorübergehender Zustand ist. Zukünftige Beobachtungen und Analysen können zeigen, was die Magnetfelder tun.

Ein zweites bemerkenswertes Ergebnis ist, dass Sgr A* auf der Seite liegt. Obwohl das Team nicht festgestellt hat, wie schnell sich das Schwarze Loch dreht, können sie sagen, dass es sich dreht und dass wir im Wesentlichen auf den Kopf von Sgr A* herabblicken – der Winkel zwischen unserer Sichtlinie und der Rotationsachse des Schwarzen Lochs ist weniger als 30°. Frühere Beobachtungen von Hotspots um Sgr A* mit dem GRAVITY-Instrument am Very Large Telescope Interferometer in Chile deuteten ebenfalls auf diese Anordnung hin.

Das ist nicht so überraschend, wie Sie vielleicht denken. Instinktiv könnten wir erwarten, dass die Rotationsachse des Schwarzen Lochs im Herzen einer Spiralgalaxie mit der der Galaxie ausgerichtet ist. Aber die Ausrichtung eines Schwarzen Lochs hängt davon ab, wie das Schwarze Loch gewachsen ist. Verschmelzungen mit anderen Schwarzen Löchern könnten ein Durcheinander von Spinneigungen verursachen, und für weniger aktive Schwarze Löcher wie Sgr A* gibt es keinen kräftigen Gasstrom, um das Schwarze Loch in eine bestimmte Ausrichtung zu zwingen. Beobachtungen von schwach akkretierenden Schwarzen Löchern in entfernten Spiralgalaxien haben auch eine Reihe von Orientierungen offenbart, sagte Geoff Bower (Institut für Astronomie und Astrophysik, Academia Sinica, Taipei).

Die nächste Phase

Für die EHT ist dies erst der Anfang. Das Team muss noch Daten aus nachfolgenden Beobachtungskampagnen analysieren, nachdem es seine ganze Zeit damit verbracht hat, die Komplexität der Daten von 2017 zu knacken. Sie rüsten auch für das Event Horizon Telescope (ngEHT) der nächsten Generation auf, für das sie hoffen, bis 2030 10 weitere Gerichte hinzuzufügen, die über den ganzen Planeten verstreut sind, um die Anzahl der Basislinien zu erhöhen.

Sie erweitern auch über 230 GHz – die Funkfrequenz dieser Bilder – auf 345 GHz, was die Bildauflösung um 50 % verbessern wird. Und vielleicht am eindrucksvollsten ist, dass sie Filme drehen werden, die zeigen, wie sich die Silhouetten der Schwarzen Löcher im Laufe der Zeit verändern. Das Debüt von M87* steht an erster Stelle, da es ruhiger sitzt als Sgr A*. Aber in einem Jahrzehnt sehen wir vielleicht Videos von Gas, das um das Schwarze Loch im Herzen unserer Galaxie wirbelt.

Und wenn wir das tun, welches Gesicht wird Sgr A* uns gegenüber machen?


Lesen Sie die sechs Artikel des Teams in den Astrophysical Journal Letters. Sie können auch unseren ausführlichen Einblick in die Ergebnisse von M87 in unserer Ausgabe vom September 2019 lesen.

Schreibe einen Kommentar

Deine E-Mail-Adresse wird nicht veröffentlicht.

Schaltfläche "Zurück zum Anfang"