Das Erste Bild Eines Schwarzen Lochs Ist Jetzt Ein Film

2023 Autor: Peter Bradberry | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2023-05-21 22:30

Bilder, die aus alten Beobachtungen entstanden sind, zeigen die stürmische Entwicklung der Leere im letzten Jahrzehnt.

Das historische erste Bild eines Schwarzen Lochs, das letztes Jahr enthüllt wurde, wurde nun in einen Film verwandelt. Die kurze Folge von Bildern zeigt, wie sich das Erscheinungsbild der Umgebung des Schwarzen Lochs im Laufe der Jahre ändert, wenn seine Schwerkraft das Material um es herum in einen konstanten Strudel versetzt.

Die Bilder zeigen einen einseitigen Lichtfleck, der um das supermassereiche Schwarze Loch im Zentrum der Galaxie M87 wirbelt. Um sie zu erstellen, hat die Zusammenarbeit mit dem Event Horizon Telescope (EHT), die ein weltweites Netzwerk von Observatorien nutzt, alte Daten über das Schwarze Loch exhumiert und diese mit einem mathematischen Modell kombiniert, das auf dem im April 2019 veröffentlichten Bild basiert, um zu zeigen, wie das Umgebung hat sich über acht Jahre entwickelt. Obwohl es teilweise auf Vermutungen beruht, gibt das Ergebnis den Astronomen reichhaltige Einblicke in das Verhalten von Schwarzen Löchern, deren intensive Schwerkraft Materie und Licht um sie herum ansaugt.

„Da der Materiefluss, der auf ein Schwarzes Loch fällt, turbulent ist, können wir sehen, dass der Ring mit der Zeit wackelt“, sagt der Hauptautor Maciek Wielgus, ein Radioastronom an der Harvard University in Cambridge, Massachusetts.

Die Arbeit, die am 23. September im Astrophysical Journal erschien, bietet einen Vorgeschmack darauf, was das Team in naher Zukunft tun könnte, wenn sich seine Techniken verbessern. "In ein paar Jahren könnte es wirklich wie ein Film aussehen", sagt Wielgus.

Wackelring

Das Schwarzlochbild, das die EHT-Zusammenarbeit im vergangenen Jahr enthüllte, machte die Titelseiten von Zeitungen auf der ganzen Welt. Es zeigte M87 *, das supermassereiche Schwarze Loch im Zentrum der M87-Galaxie, etwa 17 Megaparsec (55 Millionen Lichtjahre) entfernt. Die Forscher konstruierten das Bild, indem sie Hochfrequenzsignale kombinierten, die sie im April 2017 über zwei Nächte von Observatorien auf der Erde gesammelt hatten. Ihre Leistung wurde mit der Auflösung der Form eines Donuts auf der Mondoberfläche von der Erde verglichen.

Obwohl verschwommen, stimmte das Bild mit den Vorhersagen von Albert Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie überein, wie die unmittelbare Nachbarschaft eines Schwarzen Lochs aussehen sollte. Insbesondere gab es den Forschern den ersten direkten Beweis für den Schatten eines Ereignishorizonts, der Oberfläche von „no return“, die ein Schwarzes Loch von seiner Umgebung trennt. Diese dunklere Scheibe wurde gegen einen Lichtring gestellt, der von überhitzter Materie direkt außerhalb des Ereignishorizonts emittiert wurde.

Auffallenderweise erschien eine Seite des Rings heller. Dies wurde aufgrund einer Kombination von Effekten in der komplexen Dynamik um ein Schwarzes Loch erwartet. Insbesondere Materie, die in die Leere fällt, sollte sich mit hoher Geschwindigkeit außerhalb des Äquators des Schwarzen Lochs drehen und das bilden, was Astrophysiker die Akkretionsscheibe nennen. Das einseitige Aussehen hat teilweise mit dem Doppler-Effekt zu tun: Auf der Seite der Scheibe, die sich zum Betrachter dreht, verstärkt die Bewegung der Materie die Strahlung und lässt sie heller aussehen; Das Gegenteil passiert auf der zurückgehenden Seite.

Daten erneut aufrufen

Auf der Grundlage dieser Ergebnisse wollte Wielgus noch einmal die älteren Daten von EHT-Teleskopen untersuchen, um festzustellen, ob er sie neu interpretieren kann, wobei er das Bild von 2017 als Leitfaden verwendete. Das EHT hatte M87 * seit 2009 beobachtet und zunächst an nur drei Standorten Teleskope eingesetzt. Da das Team dem EHT-Netzwerk weitere Observatorien hinzufügte, verbesserte sich die Qualität der Beobachtungen. Im Jahr 2017 umfasste die Zusammenarbeit acht Observatorien, die sich über den Globus von Hawaii und Chile bis nach Europa erstreckten und zum ersten Mal das Niveau erreichten, auf dem die EHT ein tatsächliches Bild erzeugen konnte.

Die älteren Daten bestanden aus vier Chargen, die in den Jahren 2009, 2011, 2012 und 2013 gesammelt wurden, von denen zwei unveröffentlicht geblieben waren. „Bis zu einem gewissen Grad wurden sie vergessen, weil alle von den Daten für 2017 begeistert waren“, sagt Wielgus. Mit einer Gruppe anderer EHT-Forscher analysierte er die Daten erneut und stellte fest, dass sie mit den Ergebnissen der Kampagne 2017 übereinstimmen, einschließlich des Vorhandenseins einer dunklen Scheibe und eines hellen Rings. Und obwohl die Datenstapel 2009–13 für sich genommen keine ausreichende Auflösung hatten, um Bilder zu erzeugen, konnte das Team synthetische Bilder für jedes der Jahre erzeugen, indem die begrenzten verfügbaren Daten mit einem mathematischen Modell des Schwarzen Lochs kombiniert wurden, aus dem gebaut wurde die 2017 Daten.

Es stellte sich heraus, dass die Ergebnisse mehr Informationen enthielten, als Wielgus erwartet hatte. Wie auf dem Bild von 2017 zeigten sie, dass eine Seite des Rings heller als die andere war - aber der helle Fleck bewegte sich. Dies könnte daran liegen, dass verschiedene Bereiche der Akkretionsscheibe heller oder dunkler wurden, was die Doppler-Aufhellung verbessern oder manchmal sogar aufheben könnte.

Dynamische Festplatte

Dies sei nicht unerwartet gewesen, sagen die Autoren: Obwohl sich das Schwarze Loch M87 * selbst nicht von Jahr zu Jahr ändert, ändert sich die Umgebung. Auf einer Skala von mehreren Wochen sollten starke Magnetfelder die Akkretionsscheibe rühren und heißere Flecken erzeugen, die dann das Schwarze Loch umkreisen. Im Jahr 2018 berichtete ein separates Team über einen Zeitraum von etwa 1 Stunde von einem Heißgasklumpen, der Schütze A *, das zentrale Schwarze Loch der Milchstraße, umkreiste. Da M87 * mit der 6,5-Milliarden-fachen Sonnenmasse mehr als das 1000-fache der Größe von Schütze A * beträgt, dauert es länger, bis sich die Dynamik um M87 * entfaltet.

Die EHT-Zusammenarbeit versucht jedes Jahr, Ende März oder Anfang April, M87 * und Schütze A * zu beobachten. Dann ist es am wahrscheinlichsten, dass die Wetterbedingungen gleichzeitig an den vielen Standorten in seinem Netzwerk gut sind. Die Kampagne 2020 musste wegen Einschränkungen aufgrund der COVID-19-Pandemie gestrichen werden, aber das Team hofft, 2021 eine weitere Chance zu haben. Wenn alles gut geht, werden sich weitere Observatorien - darunter eine in Grönland und eine in Frankreich - den Bemühungen anschließen.

Das Team hofft auch, dass die Kampagne im nächsten Jahr seine ersten globalen Beobachtungen mit Strahlung mit kürzerer Wellenlänge beinhalten wird. Obwohl es schwieriger ist, durch die Erdatmosphäre zu sehen, würde dies die Auflösung der EHT-Bilder verbessern. „Wir würden diesem Schatten des Schwarzen Lochs noch näher kommen und schärfere Bilder erhalten“, sagt EHT-Mitglied Sara Issaoun, Radioastronomin an der Radboud-Universität in Nimwegen, Niederlande.