„Wohin wir auch schauen, sollten wir Donuts sehen“

Schwarzloch-Wissenschaftler: „Wohin wir auch schauen, sollten wir Donuts sehen“

Die EHT-Kollaboration erstellte eine Flut von Bildern von Sagittarius A* mit Raytracing, einer Technik, die die Eigenschaften des Schwarzen Lochs auf der Grundlage von Daten visualisiert, die mit dem Radioteleskop-Array gesammelt wurden, und Vorhersagen von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie. Bildnachweis: Chi-kwan Chan von UArizona Ben Prather/EHT Theory Working Group/Chi-Kwan Chan

Etwas zum zweiten Mal zu entdecken, lässt Wissenschaftler normalerweise nicht vor Begeisterung aus ihren Sitzen springen. Aber genau das geschah im Fall von Sgr A* (ausgesprochen „sadge-ay-star“), dem zweiten abgebildeten Schwarzen Loch.

2019 wurde das Bild von M87*, a supermassives Schwarzes Loch in einer Galaxie mehr als 50 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt, zierte die Titelseiten praktisch aller Nachrichtenagenturen auf der ganzen Welt. Es war das erste Mal, dass jemals ein Bild eines Schwarzen Lochs aufgenommen wurde. Am Donnerstag präsentierte die Event Horizon Telescope Collaboration das zweite Bild eines solchen Objekts – diesmal eines Schwarzen Lochs im Zentrum unserer eigenen Milchstraße.

Für den zufälligen Betrachter wirken die beiden Bilder eines orange leuchtenden Rings, der einen schwarzen Schatten umgibt, fast nicht zu unterscheiden. Doch genau diese Tatsache lässt Astrophysiker staunen.

„Ich wünschte, ich könnte sagen, dass es nicht besser geworden ist, als wir vor drei Jahren das erste Bild eines Schwarzen Lochs gemacht haben, aber das hier ist eigentlich besser“, sagte Feryal Özel, Mitglied des EHT-Wissenschaftsrates, Professor für Astronomie und Physik und stellvertretender Dekan für Forschung am Steward Observatory des Arizona College of Science. „Wir sehen einen hellen Ring, der völlige Dunkelheit umgibt, das verräterische Zeichen eines schwarzen Lochs. Jetzt können wir bestätigen, dass wir direkt auf den Punkt schauen, an dem es kein Zurück mehr gibt.“

Eine Liebesaffäre mit schwarzen Löchern

Özel sagte, sie habe sich vor 20 Jahren in Sgr A* „verliebt“. Sie war damals Doktorandin und arbeitete an ihrer Dissertation an der Harvard University, als sie beschloss, sich einer Herausforderung zu stellen, die nur wenige für möglich hielten: Was würde es brauchen, fragte sie sich, um ein Schwarzes Loch tatsächlich direkt zu betrachten? Was würden wir sehen? Würden wir etwas sehen?

Ihre Forschung gipfelte in einer bahnbrechenden Arbeit, die sie im Jahr 2000 zusammen mit Dimitrios Psaltis, einem Professor für Astronomie und Physik aus Arizona und Hauptforscher der Internationalen, veröffentlichte Schwarzes Loch PIRE-Projekt. In dieser Arbeit und einer 2001 veröffentlichten Folgearbeit identifizierte sie M87*, das erste Schwarze Loch, das jemals abgebildet wurde, und Sgr A* als die beiden idealen Schwarzen Löcher, die auch nur eine entfernte Chance boten, von ihnen fotografiert zu werden. Dies trug zu den Grundlagen für ein erdgroßes Observatorium bei, das heute das Event Horizon Telescope ist.

Da M87* 1.500-mal massereicher, aber 2.000-mal weiter entfernt ist als Sgr A*, erscheinen die beiden am Himmel ungefähr gleich groß. Aber trotz der Tatsache, dass sie fast identisch aussehen, sind sie völlig unterschiedliche Bestien.

M87* hat eine Masse von 6 Milliarden Sonnen und ist von gigantischer Größe. Unser gesamtes Sonnensystem würde in seinen Ereignishorizont passen, der auch als Punkt ohne Wiederkehr eines Schwarzen Lochs bekannt ist. Im Vergleich dazu ist Sgr A* nur 25.000 Lichtjahre von der Erde entfernt. Mit „nur“ 4 Millionen Sonnenmassen ist er klein genug, um in die Umlaufbahn des sonnennächsten Planeten Merkur zu passen. Wenn die beiden Schwarzen Löcher für einen Fototermin aufgereiht würden, würde M87* das Bild ausfüllen, während Sgr A* vollständig verschwinden würde. Und während M87* unersättlich umgebende Materie verschlingt, vielleicht ganze Sterne, und einen Strahl aus energiereichen Teilchen abfeuert, der über seine Galaxie brennt, ist der Appetit von Sgr A* im Vergleich minimal; Wenn es ein Mensch wäre, würde er laut den Forschern alle eine Million Jahre das Äquivalent eines Reiskorns verbrauchen.

Eine der grundlegendsten Vorhersagen von Einsteins Gravitationstheorie, sagte Psaltis, ist, dass das Bild eines Schwarzen Lochs nur mit seiner Masse skaliert. Ein Schwarzes Loch, das 1.000 Mal kleiner ist als ein anderes, hat ein sehr ähnliches Bild, das nur 1.000 Mal kleiner ist. Dasselbe gilt nicht für andere Objekte, erklärte Psaltis.

„Im Allgemeinen sehen kleine Dinge normalerweise ganz anders aus als große Dinge, und das ist kein Zufall“, sagte er. „Es gibt einen guten Grund, warum eine Ameise und ein Elefant sehr unterschiedlich aussehen, da einer viel mehr Masse zu tragen hat als der andere.“

Mit anderen Worten, die Größengesetze der Natur diktieren, dass zwei Objekte, die sehr unterschiedliche Größen haben, normalerweise unterschiedlich aussehen. Schwarze Löcher hingegen skalieren, ohne ihr Aussehen zu verändern. Wenn sie Elefanten wären, würden sie alle wie Elefanten aussehen, egal ob sie so groß wie ein typischer Elefant oder so klein wie eine Ameise wären.

Ihre schroffe Einfachheit macht die beiden Bilder von Schwarzen Löchern so wichtig, erklärte Psaltis, weil sie bestätigen, was bisher nur von der Theorie vorhergesagt wurde: Sie scheinen die einzigen existierenden Objekte zu sein, die nur einem Naturgesetz unterliegen – der Schwerkraft.

„Die Tatsache, dass das Licht wie ein Ring mit dem schwarzen Schatten darin erscheint, sagt Ihnen, dass es sich um reine Schwerkraft handelt“, sagte Psaltis. “Das alles wird von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie vorhergesagt, der einzigen Theorie im Kosmos, die sich nicht um den Maßstab kümmert.”

Wenn Wissenschaftler ein Bild von einem wirklich kleinen Schwarzen Loch von etwa 10 Sonnenmassen machen könnten – was nicht möglich ist, weil selbst das erdgroße EHT nicht das notwendige Auflösungsvermögen hat – und es mit M87* vergleichen könnten, das 6 Milliarden Mal hat der Masse der Sonne würden die beiden laut Psaltis sehr ähnlich aussehen.

„Wohin wir auch schauen, sollten wir Donuts sehen, und sie sollten alle mehr oder weniger gleich aussehen“, sagte er, „und der Grund, warum das wichtig ist – abgesehen von der Tatsache, dass es unsere Vorhersage bestätigt – ist, dass es niemandem gefällt.“ In der Physik , neigen wir dazu, eine Welt nicht zu mögen, in der die Dinge keinen Ankerpunkt, keine definierte Skala haben.”

Die “Schwarzen Löcher der Goldlöckchen”

Schwarze Löcher sind so fremde Objekte, dass selbst Albert Einstein darum kämpfte, ihre Existenz in Einklang zu bringen. Ihr Anziehungskraft ist so stark, dass nicht einmal Licht entweichen kann, was es per Definition unmöglich macht, sie zu sehen. Der einzige Grund, warum Astronomen diese Bilder machen konnten, ist, dass sie Radioteleskope verwendeten, die elektromagnetische Wellen detektieren, die von Gas emittiert werden, das um das Schwarze Loch wirbelt.

„Wenn Sie im Weltraum auf das Schwarze Loch schauen würden, würden Sie absolut nichts sehen“, sagte Özel. “Das Leuchten liegt in Wellenlängen, die das Auge nicht sehen kann.”

Aus diesem Grund wurden M87* und Sgr A* in der vor mehr als 20 Jahren von Özel und Psaltis verfassten Veröffentlichung als die einzigen realisierbaren Ziele für das Event Horizon Telescope identifiziert.

“Man könnte sagen, beide sind ‘Goldlöckchen der Schwarzen Löcher'”, sagte Özel. “Ihre Umgebungen sind genau richtig, und deshalb können wir sie sehen.”

Für Astrophysiker wie Özel und Psaltis sind Schwarze Löcher natürliche Laboratorien, die es ihnen ermöglichen, die allgemeine Relativitätstheorie zu testen, und sie vielleicht sogar einer Theorie näher bringen, die die Gravitation mit der Quantenmechanik vereint, die bisher schwer fassbar war.

„Der Weg zum Bild war nicht einfach“, sagte Özel, der seit seiner Gründung Mitglied des EHT Science Council ist und die Modellierungs- und Analysegruppe leitet. Es bedurfte einer weltumspannenden Zusammenarbeit, mehrerer Jahre, Petabytes an Daten und komplizierterer Algorithmen, als zuvor für die meisten wissenschaftlichen Bemühungen aufgewendet worden waren, um das endgültige Bild von Sgr A* zu analysieren und zu bestätigen.

Für die Zukunft interessiert die EHT-Kollaboration besonders das Wie Schwarze Löcher sich im Laufe der Zeit ändern, sagte Özel.

„Wenn Sie die Quelle von einem Tag zum nächsten oder von einem Jahr zum nächsten Jahr betrachten würden, wie würde sich das ändern und wie viel Licht würde sie in verschiedenen Wellenlängen aussenden?“ Sie sagte. „Was könnten wir darüber vorhersagen? Und wie könnten wir unsere Beobachtungen nutzen, um die Umgebung dieses Schwarzen Lochs zu verstehen?

„Einer der wichtigsten Punkte dieser Zusammenarbeit“, sagte Özel, „ist das Testen generelle Relativität und finde heraus, wo seine Grenze ist, falls es eine gibt.”


Einsteins Beschreibung der Schwerkraft ist gerade viel schwerer zu übertreffen


Zur Verfügung gestellt von
Universität von Arizona


Zitieren: Black-Hole-Wissenschaftler: „Wohin wir schauen, sollten wir Donuts sehen“ (2022, 13. Mai), abgerufen am 14. Mai 2022 von https://phys.org/news/2022-05-black-hole-scientist-donuts.html

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