Schütze A* enthüllt | Der UCSB-Strom

Doktorandin an der UC Santa Barbara und am Las Cumbres Observatory Josef Fara nahm heute Morgen an einer Pressekonferenz in Washington DC teil, bei der Astronomen das erste Bild des supermassiven Schwarzen Lochs im Zentrum unserer eigenen Milchstraßengalaxie enthüllten. Dieses Ergebnis liefert einen überwältigenden Beweis dafür, dass es sich bei dem Objekt tatsächlich um ein Schwarzes Loch handelt, und liefert wertvolle Hinweise auf die Funktionsweise solcher Riesen, von denen angenommen wird, dass sie sich im Zentrum der meisten Galaxien befinden. Das Bild wurde von einem globalen Forschungsteam namens the Event Horizon Telescope (EHT) Zusammenarbeitunter Verwendung von Beobachtungen aus einem weltweiten Netzwerk von Radioteleskopen.

Das Bild ist ein lang erwarteter Blick auf das massive Objekt, das sich im Zentrum unserer Galaxie befindet. Wissenschaftler hatten zuvor Sterne gesehen, die etwas Unsichtbares, Kompaktes und sehr Massives im Zentrum der Milchstraße umkreisten. Dies deutet stark darauf hin, dass dieses Objekt – bekannt als Sagittarius A* (Sgr A*, „ausgesprochen traurig-ay-Stern“) – ein Schwarzes Loch ist, und das heutige Bild liefert den ersten direkten visuellen Beweis dafür.

Obwohl wir das Schwarze Loch selbst nicht sehen können, weil es völlig dunkel ist, zeigt das leuchtende Gas um es herum eine verräterische Signatur: eine dunkle zentrale Region (als „Schatten“ bezeichnet), die von einer hellen ringförmigen Struktur umgeben ist. Die neue Ansicht fängt Licht ein, das durch die starke Schwerkraft des Schwarzen Lochs gebogen wird, das vier Millionen Mal so massereich ist wie unsere Sonne.

„Wir waren verblüfft, wie gut die Größe des Rings mit Vorhersagen aus Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie übereinstimmte“, sagte EHT-Projektwissenschaftler Geoffrey Bower vom Institut für Astronomie und Astrophysik, Academia Sinica, Taipeh. „Diese beispiellosen Beobachtungen haben unser Verständnis dessen, was im Zentrum unserer Galaxie passiert, erheblich verbessert und bieten neue Erkenntnisse darüber, wie diese riesigen Schwarzen Löcher mit ihrer Umgebung interagieren.“ Die Ergebnisse des EHT-Teams werden heute in veröffentlicht eine Sonderausgabe der Astrophysical Journal Letters.

Da das Schwarze Loch etwa 27.000 Lichtjahre von der Erde entfernt ist, erscheint es uns am Himmel etwa so groß wie ein Donut auf dem Mond. Um es abzubilden, schuf das Team das leistungsstarke EHT, das acht bestehende Radioobservatorien auf dem ganzen Planeten miteinander verband, um ein einziges „erdgroßes“ virtuelles Teleskop zu bilden [1]. Das EHT beobachtete Sgr A* in mehreren Nächten und sammelte viele Stunden hintereinander Daten, ähnlich wie bei einer langen Belichtungszeit mit einer Kamera.

Farah entwickelte eine neue Technik zur Erstellung einer dynamischen Filmdarstellung des Schwarzen Lochs Sgr A*. Er ist der Hauptautor des heute veröffentlichten Papiers, Selektive dynamische Bildgebung interferometrischer Datenin der Sonderausgabe von Die Briefe des astrophysikalischen Journals. Farah, die jetzt Mitglied im Labor des Astronomieprofessors Andy Howell der UCSB/LCO ist, führte als Studentin an der University of Massachusetts in Boston einen Großteil der Arbeit für dieses Projekt durch.

Der Durchbruch folgt auf die Veröffentlichung des ersten Bildes eines Schwarzen Lochs namens M87* durch die EHT-Kollaboration im Jahr 2019 im Zentrum der weiter entfernten Galaxie Messier 87.

Die beiden Schwarzen Löcher sehen sich bemerkenswert ähnlich, obwohl das Schwarze Loch unserer Galaxie mehr als tausendmal kleiner und weniger massereich ist als M87* [2]. „Wir haben zwei völlig unterschiedliche Arten von Galaxien und zwei sehr unterschiedliche Massen von Schwarzen Löchern, aber am Rand dieser Schwarzen Löcher sehen sie sich erstaunlich ähnlich“, sagt Sera Markoff, Co-Vorsitzende des EHT Science Council und Professorin für Theoretische Astrophysik an der Universität von Amsterdam, Niederlande. „Dies sagt uns, dass die Allgemeine Relativitätstheorie diese Objekte aus nächster Nähe regiert, und alle Unterschiede, die wir weiter entfernt sehen, müssen auf Unterschiede im Material zurückzuführen sein, das die Schwarzen Löcher umgibt.“

Diese Leistung war erheblich schwieriger als für M87*, obwohl Sgr A* uns viel näher steht. EHT-Wissenschaftler Chi-kwan („CK“) Chan vom Steward Observatory and Department of Astronomy und dem Data Science Institute der University of Arizona erklärt: „Das Gas in der Nähe der Schwarzen Löcher bewegt sich mit der gleichen Geschwindigkeit – fast wie schnell wie das Licht – um Sgr A* und M87* herum. Aber wo Gas Tage bis Wochen braucht, um die größere M87* zu umkreisen, absolviert es in der viel kleineren Sgr A* eine Umlaufbahn in nur wenigen Minuten. Das bedeutet, dass sich die Helligkeit und das Muster des Gases um Sgr A* schnell veränderten, als die EHT-Kollaboration es beobachtete – ein bisschen wie der Versuch, ein klares Bild von einem Welpen zu machen, der schnell seinem Schwanz nachjagt.“

Die Forscher mussten ausgeklügelte neue Werkzeuge entwickeln, die der Gasbewegung um Sgr A* Rechnung tragen. Während M87* ein einfacheres, stabileres Ziel war, da 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 enthüllt schließlich zum ersten Mal den Riesen, der im Zentrum unserer Galaxie lauert.

Die Bemühungen wurden durch den Einfallsreichtum von mehr als 300 Forschern aus 80 Instituten auf der ganzen Welt ermöglicht, die zusammen die EHT-Kollaboration bilden. Neben der Entwicklung komplexer Werkzeuge zur Bewältigung der Herausforderungen bei der Bildgebung von Sgr A* arbeitete das Team fünf Jahre lang rigoros daran, Supercomputer zu verwenden, um ihre Daten zu kombinieren und zu analysieren, während sie gleichzeitig eine beispiellose Bibliothek simulierter Schwarzer Löcher zusammenstellten, um sie mit den Beobachtungen zu vergleichen. Mr. Farah war Teil des Teams, das das Bild des Schwarzen Lochs M87* produzierte, und er wandte sein Wissen aus dieser Arbeit an, um die Werkzeuge zu entwickeln, um dynamische Bilder von Sgr A* zu erzeugen.

Wissenschaftler sind besonders aufgeregt, endlich Bilder von zwei Schwarzen Löchern sehr unterschiedlicher Größe zu haben, was die Möglichkeit bietet, zu verstehen, wie sie sich vergleichen und kontrastieren. Sie haben auch damit begonnen, die neuen Daten zu verwenden, um Theorien und Modelle darüber zu testen, wie sich Gas um supermassereiche Schwarze Löcher verhält. Dieser Prozess ist noch nicht vollständig verstanden, es wird jedoch angenommen, dass er eine Schlüsselrolle bei der Gestaltung der Entstehung und Entwicklung von Galaxien spielt.

„Jetzt können wir die Unterschiede zwischen diesen beiden supermassiven Schwarzen Löchern untersuchen, um wertvolle neue Hinweise darauf zu gewinnen, wie dieser wichtige Prozess funktioniert“, sagte EHT-Wissenschaftler Keiichi Asada vom Institut für Astronomie und Astrophysik der Academia Sinica, Taipei. „Wir haben Bilder von zwei Schwarzen Löchern – eines am großen Ende und eines am kleinen Ende von supermassereichen Schwarzen Löchern im Universum – sodass wir beim Testen, wie sich die Schwerkraft in diesen extremen Umgebungen verhält, viel weiter gehen können als je zuvor.“

Die Fortschritte beim EHT gehen weiter: Eine große Beobachtungskampagne im März 2022 umfasste mehr Teleskope als je zuvor. Die laufende Erweiterung des EHT-Netzwerks und bedeutende technologische Upgrades werden es Wissenschaftlern ermöglichen, in naher Zukunft noch beeindruckendere Bilder sowie Filme von Schwarzen Löchern zu teilen.

Farah freut sich über den Erfolg dieses Unterfangens: „Ich kann nicht glauben, wie schnell sich das Projekt von der Analyse der aufregenden, aber vorläufigen ersten Datensätze zu der wunderschönen Rekonstruktion des Schattens vor unseren Augen entwickelt hat. Es ist das Einzige, was sich schneller zu entwickeln scheint als Sgr A*! Was für ein Privileg, Teil dieses wunderbaren Projekts mit all unseren wunderbaren Mitarbeitern zu sein.“ Er dankt der National Science Foundation für die Unterstützung seiner Arbeit durch ein Forschungsstipendium für Graduierte.

Bildnachweis: EVENT HORIZON TELESCOPE ZUSAMMENARBEIT

Making of des Bildes des Schwarzen Lochs im Zentrum der Milchstraße
Die Event Horizon Telescope (EHT) Collaboration hat ein einzelnes Bild (oberes Bild) des supermassereichen Schwarzen Lochs im Zentrum unserer Galaxie namens Sagittarius A* (oder kurz Sgr A*) erstellt, indem Bilder kombiniert wurden, die aus den EHT-Beobachtungen extrahiert wurden .

Das Hauptbild wurde durch Mittelung von Tausenden von Bildern erzeugt, 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 Bilder können auch basierend auf ähnlichen Merkmalen in vier Gruppen gruppiert werden. Ein gemitteltes, repräsentatives Bild für jeden der vier Cluster ist in der unteren Reihe gezeigt. Drei der Cluster zeigen eine Ringstruktur, jedoch mit unterschiedlich verteilter Helligkeit um den Ring herum. 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. Tausende von Bildern fielen in jeden der ersten drei Cluster, während der vierte und kleinste Cluster nur Hunderte von Bildern enthält. Die Höhen der Balken geben die relativen “Gewichte” oder Beiträge jedes Clusters zum gemittelten Bild oben an.

Bewertungen

[1] Die einzelnen Teleskope, die am EHT im April 2017 beteiligt waren, als die Beobachtungen durchgeführt wurden, waren: das Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), das Atacama Pathfinder Experiment (APEX), das IRAM 30-Meter-Teleskop, das James Clerk Maxwell Telescope (JCMT), das Large Millimeter Telescope Alfonso Serrano (LMT), das Submillimeter Array (SMA), das UArizona Submillimeter Telescope (SMT), das South Pole Telescope (SPT). Seitdem hat das EHT sein Netzwerk um das Greenland Telescope (GLT), das Northern Extended Millimeter Array (NOEMA) und das UArizona 12-Meter Telescope auf dem Kitt Peak erweitert.

ALMA ist eine Partnerschaft der Europäischen Südsternwarte (ESO; Europa, repräsentiert seine Mitgliedsstaaten), der US National Science Foundation (NSF) und der National Institutes of Natural Sciences (NINS) von Japan, zusammen mit dem National Research Council (Kanada) , das Ministerium für Wissenschaft und Technologie (MOST; Taiwan), das Academia Sinica Institute of Astronomy and Astrophysics (ASIAA; Taiwan) und das Korea Astronomy and Space Science Institute (KASI; Republik Korea) in Zusammenarbeit mit der Republik Chile. Das Joint ALMA Observatory wird von der ESO, den Associated Universities, Inc./National Radio Astronomy Observatory (AUI/NRAO) und dem National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ) betrieben. APEX, eine Kooperation zwischen dem Max-Planck-Institut für Radioastronomie (Deutschland), dem Onsala Space Observatory (Schweden) und der ESO, wird von der ESO betrieben. Tee 30-Meter-Teleskop wird von IRAM betrieben (die IRAM-Partnerorganisationen sind MPG (Deutschland), CNRS (Frankreich) und IGN (Spanien)). Tee JCMT wird vom East Asian Observatory im Auftrag des Centre for Astronomical Mega-Science of the Chinese Academy of Sciences, NAOJ, ASIAA, KASI, dem National Astronomical Research Institute of Thailand und Organisationen in Großbritannien und Kanada betrieben. Tee LMT wird von INAOE und UMass betrieben, die ADM wird vom Zentrum für Astrophysik | betrieben Harvard & Smithsonian und ASIAA und die UArizona SMT wird von der University of Arizona betrieben. Tee SPT wird von der University of Chicago mit spezialisierter EHT-Instrumentierung betrieben, die von der University of Arizona bereitgestellt wird.

Das Grönland-Teleskop (GLT) wird von ASIAA und dem Smithsonian Astrophysical Observatory (SAO) betrieben. Das GLT ist Teil des ALMA-Taiwan-Projekts und wird teilweise von der Academia Sinica (AS) und MOST unterstützt. NOEMA wird von IRAM betrieben und die UArizona 12-Meter-Teleskop am Kitt Peak wird von der University of Arizona betrieben.

[2] Schwarze Löcher sind die einzigen uns bekannten Objekte, bei denen die Masse mit der Größe skaliert. Ein Schwarzes Loch, das tausendmal kleiner ist als ein anderes, ist auch tausendmal weniger massereich.

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