Erstmals Schatten eines gigantischen Schwarzen Lochs fotografisch "eingefangen"

josef

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Forscher präsentieren erstmals den "Schatten" eines Schwarzen Lochs

Astrophysiker stellen bahnbrechende Entdeckung mit dem Event Horizon Telescope vor



foto: reuters/event horizon telescope (eht)/national science foundation
Ein Schwarzes Loch wirft seinen Schatten.
Wenn genug Materie auf kleinem Raum verdichtet wird, kommt etwas heraus, das sich mit dem menschlichen Verstand nur schwer fassen lässt: ein Schwarzes Loch. Ein solches astronomisches Objekt entwickelt unfassbare Gravitationskräfte. Nichts im Universum – weder Atome noch Lichtteilchen – kann seinem Einflussbereich entrinnen, sobald es den sogenannten Ereignishorizont, gleichsam seine "Oberfläche", erreicht hat. Mit anderen Worten: Ein Schwarzes Loch entzieht sich prinzipiell einer direkten Beobachtung. Anders verhält es sich dagegen mit Photonen und Materiepartikeln, die kurz davor stehen, von einem solchen Schwerkraftmonster verschluckt zu werden – den Schatten eines gigantischen Schwarzen Lochs vor dem Hintergrund dieser Strahlung hat nun ein internationales Team von Astrophysikern erstmals fotografisch eingefangen.

Das Konzept von Schwarzen Löchern ist älter, als man vielleicht annehmen mag: Bereits im ausgehenden 18. Jahrhundert spekulierte der britische Astronom John Michell über hypothetische astronomische Objekte, deren Fluchtgeschwindigkeit gleich der Lichtgeschwindigkeit ist, und die somit Licht nicht entkommen lassen. Ihre moderne Basis erhält diese Hypothese mit Albert Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie, der zufolge kompakte Massen die Raumzeit so stark krümmen können, dass ihre Anziehung alles verschluckt, was den Ereignishorizont eines solchen Objektes passiert hat. Etabliert wurde der Begriff "Schwarzes Loch" jedoch erst 1967 von dem US-amerikanischen Physiker John Archibald Wheeler.

Das Ende eines Sternenlebens
Während lange Zeit unklar war, ob derartige Objekte nicht nur theoretische Überlegungen sind, gehen Astrophysiker mittlerweile mit ziemlicher Sicherheit davon aus, dass Schwarze Löcher reale Objekte sind, die den Schlusspunkt im Leben von massereichen Sternen bilden. Diese stellaren Schwarzen Löcher entstehen, wenn Sterne von mehr als 25 Sonnenmassen ihren Brennstoff verbraucht haben und in einer Supernova explodieren. Verlieren sie dabei nicht zu viel Materie, bleibt genug Masse über, die schließlich zu einem Schwarzen Loch kollabiert.


foto: getty images / chip somodevilla
Sheperd Doeleman, Direktor des Projekts Event Horizon Telescope, präsentiert bei einer Pressekonferenz in Washington den ersten visuellen Beweis für die Existenz von Schwarzen Löchern.

Was bedeutet das konkret? Sobald eine entgegenwirkende Kraft, etwa der thermodynamische Druck oder die Abstoßung zwischen den Atomen, geringer ist als die Gravitationskraft, kommt es in einem solchen Fall zu einem beschleunigten Prozess, bei dem die noch vorhandene Masse auf ein verschwindend geringes Volumen zusammenfällt. Die Folge ist, dass die Gravitation den Raum dramatisch verzerrt und den Ablauf der Zeit manipuliert – und zwar in einer Weise, die sich allenfalls mathematisch beschreiben lässt: Von außen betrachtet verlangsamt sich der Kollaps dabei immer mehr, und es scheint, als würde sich das Volumen nie auf einen Punkt zusammenziehen. Tatsächlich aber entsteht unterhalb des Ereignishorizonts so etwas wie ein Loch im Raum-Zeit-Gefüge, eine Singularität. Der Abstand zwischen diesem singulären Punkt und dem Ereignishorizont wird als Schwarzschildradius bezeichnet.

Aufgrund ihrer vielzitierten enormen Anziehungskraft könnte man sich Schwarze Löcher als große Objekte vorstellen. In Wahrheit sind sie überraschend klein: Würde man unsere Sonne bis zu ihrem Ereignishorizont komprimieren, hätte sie einen Durchmesser von gerade einmal sechs Kilometern, die Erde wäre überhaupt nur so groß wie eine Kirsche. Selbst jene gigantischen Schwarzen Löcher in den Zentren von Galaxien haben Durchmesser von nur wenigen Dutzend Milliarden Kilometern.

Virtuelles Riesenteleskop

Umso beeindruckender ist daher die Leistung der internationalen Kollaboration von Astrophysikern, die am Mittwoch das erste Schattenbild eines Schwarzen Lochs im Rahmen von gleich sechs Pressekonferenzen präsentiert hat. Gelungen ist die Aufnahme mithilfe des Event Horizon Telescope (EHT), eines Netzwerks aus acht Beobachtungsinstrumenten, die rund um den Erdball am Südpol, in Chile, Mexiko, Hawaii, Arizona, Frankreich, Grönland und Spanien positioniert sind. Gemeinsam ergeben sie ein virtuelles Radioteleskop von Erdgröße, das zunächst zwei potenzielle supermassive Schwarze Löcher ins Visier genommen hatte: Das eine trägt den Namen Sagittarius A*, sitzt im Zentrum unserer Milchstraße in 26.500 Lichtjahren Entfernung und dürfte eine Masse von rund 4,1 Millionen Sonnenmassen haben.

Tatsächlich abgebildet wurde schließlich Kandidat Nummer zwei im Inneren der aktiven Riesengalaxie Messier 87 im Sternbild Jungfrau. Dieses Objekt liegt zwar mit 55 Millionen Lichtjahren bedeutend weiter von der Erde entfernt, ist allerdings mit bis zu 6,6 Milliarden Sonnenmassen um einiges schwerer als "unser" supermassives Schwarzes Loch. Sein Durchmesser beträgt rund 40 Milliarden Kilometer.

Rotes Leuchten

"Die Ergebnisse geben uns zum ersten Mal einen klaren Blick auf ein supermassives Schwarzes Loch", betonte Anton Zensus, Direktor am Bonner Max-Planck-Institut für Radioastronomie, wo die Daten der beteiligten Radioteleskope mit enormem Rechenaufwand kombiniert worden sind. Zu sehen ist freilich nicht das Schwarze Loch selbst, sondern die Materie in seiner unmittelbaren Umgebung, die extrem aufgeheizt wird, ehe sie als Plasma hinter dem Ereignishorizont verschwindet. Die dabei freiwerdende charakteristische Strahlung ist als rotes Leuchten in der jetzt vorgelegten Aufnahme zu erkennen.

Letztlich fotografierten die Teleskope das Schwarze Loch im Radiolicht bei 1,3 Millimeter Wellenlänge vor dieser sogenannten Akkretionsscheibe, gleichsam "wie eine schwarze Katze auf einem weißen Sofa", erläuterte Zensus. Mit den Beobachtungen, die auch im Fachblatt "Astrophysical Journal" in insgesamt sechs Studien vorgestellt werden, hoffen die Forscher zahlreiche grundlegende Fragen zu beantworten, darunter: Sehen Schwarze Löcher so aus wie von der Theorie erwartet? Dem scheint tatsächlich so zu sein: "Wir waren, ehrlich gesagt, überrascht, wie gut der beobachtete dunkle Fleck mit der aus unseren Computersimulationen vorhergesagten Struktur übereinstimmt", sagt Zensus.

veritasium Video:
Was man auf dem Bild tatsächlich sieht.

An der Grenze zum technisch Möglichen
Mit der angewendeten Methode – die Technik heißt Very-Long-Baseline-Interferometrie (VLBI) – bewegten sich die Wissenschafter an der Grenze des technisch Machbaren. Alle acht beteiligten Radioteleskope mussten zum selben Zeitpunkt auf dieselbe Quelle ausgerichtet werden. Synchronisiert wurden sie dabei mithilfe von hochpräzisen Atomuhren, und zwar auf die Nanosekunde genau. Dabei ergibt sich eine extreme Winkelauflösung von weniger als 20 Mikro-Bogensekunden – ohne diese wäre die Aufnahme des Schwarzen Lochs nicht möglich gewesen. Das nun präsentierte Bild ist das Resultat der Zusammenführung der gesammelten Radiodaten, die in zwei Zentren, in Haystack, USA, und eben im Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn vollzogen wurde.

Zäsur in der astronomischen Forschung
Den wissenschaftlichen Erfolg dieses Projektes würdigte auch EU-Forschungskommissar Carlos Moedas als "gewaltigen Durchbruch für die Menschheit", der auch Politikern eine Lektion erteilen würde: Es zeige nicht zuletzt, was internationale Kooperation zu leisten imstande sei. Michael Kramer, Direktor am Max-Planck-Institut für Radioastronomie, ergänzt: "Über viele Jahrzehnte konnten wir Schwarze Löcher nur indirekt nachweisen." Dann aber hätten Detektoren vor ein paar Jahren erstmals Gravitationswellen gemessen und die Auswirkungen von Schwarzen Löchern auf die Raumzeit bei deren Verschmelzung praktisch hörbar gemacht. "Nun können wir sie endlich auch sehen und haben die Möglichkeit, diese exotischen Objekte und deren extreme Raumzeitkrümmung mit all ihrer Faszination auf einzigartige Weise zu untersuchen."

Und Anton Zensus geht sogar noch einen Schritt weiter: "In Zukunft werden sich Forscher weit über unser Arbeitsgebiet hinaus klar an eine Zeit vor und nach dieser Entdeckung erinnern", meint der Max-Planck-Direktor.

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(tberg, red, 10.4.2019)
Forscher präsentieren erstmals den "Schatten" eines Schwarzen Lochs - derStandard.at
 

josef

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Was es über Schwarze Löcher zu wissen gibt

Erstmals haben Astrophysiker ein Schwarzes Loch fotografisch eingefangen. Aber was sind diese extremen Objekte überhaupt?


illustr.: reuters/courtesy robin dienel/carnegie institution for science
Wie entstehen eigentlich Schwarze Löcher?
Herkömmlicherweise ist ein stellares Schwarzes Loch das Lebensende eines großen Sternes. Dafür muss dieser Stern relativ massereich gewesen sein. Hatte er vor dem Verbrauch seines Brennstoffes die 25-fache bis 40-fache Masse unserer Sonne, bleibt nach der finalen Supernova-Explosion genug Masse übrig, um ein Schwarzes Loch zu erzeugen.

Gibt es noch andere Arten von Schwarzen Löchern?
Neben den oben erwähnten stellaren Schwarzen Löchern existieren möglicherweise noch mittelschwere Schwarze Löcher mit Massen von einigen hundert bis wenigen tausend Sonnenmassen. Astrophysiker vermuten, dass sie das Ergebnis von Verschmelzungen sehr massereicher Sterne sind. Vorläufig sind diese mittelschweren Schwarzen Löcher aber noch weitgehend theoretischer Natur. Darüber hinaus halten es Astrophysiker für möglich, dass es sogenannte primordiale Schwarze Löcher geben könnte, die bereits beim Urknall entstanden sind.

Wie groß kann ein Schwarzes Loch werden?
Wissenschaftlich abgesichert ist die Existenz von supermassiven Schwarze Löchern, die im Zentrum von Galaxien sitzen. Ihre angenommenen Massen bewegen sich zwischen einigen Millionen bis mehreren Milliarden Sonnenmassen. Ob letztlich alle Galaxien solche Schwerkraftmonster beherbergen, ist nach wie vor unklar. Vieles spricht jedoch dafür, dass sich auch im Zentrum unserer Milchstraße ein solches supermassives Schwarzes Loch befindet, Astronomen bezeichnen es als Sagittarius A*. Bisherige Messungen lassen darauf schließen, dass es über 4 Millionen Sonnenmassen schwer ist – und doch eher klein im Vergleich zu anderen supermassiven Schwarzen Löchern.

Das nun vom Event Horizon Telescope (EHT) abgebildete galaktische Schwarze Loch

foto: reuters/event horizon telescope (eht)/national science foundation
im Zentrum der aktiven Riesengalaxie Messier 87 (rund 55 Millionen Lichtjahren entfernt) besitzt eine Masse von 6,5 Milliarden Sonnenmassen und hat einen Durchmesser von etwa 40 Milliarden Kilometer. Zum Vergleich: Der Durchmesser der Plutoumlaufbahn beträgt rund 12 Milliarden Kilometer.

Seit wann weiß man von Schwarzen Löchern?
Die Vorstellung von Schwarzen Löchern ist keineswegs neu: Bereits Ende des 18. Jahrhunderts spekulierte der britische Astronom John Michell über astronomische Objekte, deren Fluchtgeschwindigkeit gleich der Lichtgeschwindigkeit ist, und die somit Licht nicht entkommen lassen. Ihre moderne Basis erhält diese Hypothese mit Albert Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie, der zufolge kompakte Massen die Raumzeit so stark krümmen können, dass ihre Anziehung alles verschluckt, was den Ereignishorizont eines solchen Objektes passiert hat. Doch auch Einstein konnte sich nicht wirklich mit dieser Idee anfreunden. 1939 veröffentlichte er einen Artikel, in dem er beweisen wollte, dass Schwarze Löcher – damals noch nicht so bezeichnet – unmöglich seien. Den Begriff "Black Hole", also "Schwarzes Loch", etablierte erst der US-Physiker John Archibald Wheeler im Jahr 1967.

Im Zusammenhang mit Schwarzen Löchern ist vom Schwarzschild-Radius die Rede. Was hat es damit auf sich?
Die Bezeichnung geht auf den deutschen Astronomen Karl Schwarzschild zurück, der auch kurz an der Wiener Kuffner Sternwarte arbeitete. Schwarzschild nahm sich Einsteins Ideen während des Ersten Weltkrieges nochmal an und errechnete, wie groß der Radius eines Objektes sein müsste, wenn es so massereich ist, dass selbst Licht seiner Gravitationskraft nicht mehr entrinnt. Der Schwarzschild-Radius bezeichnet bei sogenannten statischen Schwarzen Löchern den Ereignishorizont. Alles, was sich dahinter befindet, ist für Beobachter prinzipiell nicht mehr sichtbar.

Was geschieht im Inneren eines Schwarzen Lochs?
Da niemand hinter den Ereignishorizont blicken kann, lässt sich das allenfalls theoretisch beschreiben – und ist für den menschlichen Verstand nur schwer fassbar: Übersteigt die Gravitationskraft jegliche entgegenwirkenden Kräfte, etwa den thermodynamische Druck oder die Abstoßung zwischen den Atomen, presst ein sich beschleunigender Prozess die vorhandene Masse auf ein verschwindend geringes Volumen zusammen. In der Folge verzerrt die Gravitation den Raum dramatisch, und auch der Ablauf der Zeit selbst verändert sich: Von außen betrachtet verlangsamt sich dieser Kollaps eigentlich immer mehr, und es scheint, als würde sich das Volumen nie wirklich auf einen Punkt zusammenziehen. Laut der Theorie entsteht unterhalb des Ereignishorizonts, der "Oberfläche" des Schwarzen Lochs, so etwas wie ein Riss im Raum-Zeit-Gefüge, eine Singularität.

Kann wirklich nichts einem Schwarzen Loch entkommen?
Theoretisch können selbst Photonen einem Schwarzen Loch nicht mehr entrinnen, sobald sie den Ereignishorizont passiert haben. Der im Vorjahr verstorbene britische Astrophysiker Stephen Hawking war allerdings anderer Meinung. Nach seiner Ansicht haben Schwarze Löcher auch eine Temperatur und müssten demzufolge eigentlich auch Strahlung abgeben. 1975 veröffentlichte er eine Arbeit, in der er darlegte, dass Schwarze Löcher auf diese Weise sogar allmählich Masse verlieren. Grundlage dieser Hypothese ist die Theorie, dass im Universum fortlaufend Materie-Antimaterie-Teilchenpaare entstehen. Normalerweise vernichten sich diese beiden auch gleich wieder. Passiert das allerdings am Rande eines Schwarzen Lochs, wird einer der beiden Zwillinge sehr vereinfacht gesagt vom Ereignishorizont verschluckt, während das zweite Teilchen ins All entkommt. Besitzt das geschluckte Teilchen eine negative Energie, verliert das Schwarze Loch gleichsam an Masse. Das Ergebnis ist die sogenannte "Hawking-Strahlung". Ob diese jedoch tatsächlich auch existiert, muss erst bewiesen werden.

Was passiert mit einem Menschen, der in ein Schwarzes Loch gerät?
Ein solches Abenteuer wäre eher kein Vergnügen, wie schon Stephen Hawking in seinem Buch "Eine kurze Geschichte der Zeit" beschrieben hat: Nähert man sich einen Schwarzen Loch an, kann man sich auf eine veritable Verlängerung gefasst machen. Da die Gravitationskraft im unmittelbaren Umfeld eines Schwarzen Lochs rasant zunimmt, wirken an den Beinen andere Kräfte wie am Kopf. Das Resultat ist eine Streckung in Längsrichtung, gleichsam eine Spaghettifizierung. Gleichzeitig müsste man sich mit dem Höllenfeuer auseinandersetzen, das in der Umgebung des Ereignishorizonts herrscht. Es ist das Resultat der Materie, die das Schwarze Loch mit enormer Geschwindigkeit umkreist und sich dabei in Millionen Grad Celsius heißes Plasma verwandelt. Deshalb sprachen die Physiker bei der Präsentation des ersten Fotos eines Schwarzen Lochs auch von den "Toren der Hölle".

Könnte auch auf der Erde ein Schwarzes Loch entstehen, beispielsweise am Kernforschungszentrum Cern?
Als der Large Hadron Collider (LHC) des CERN bei Genf 2008 in Betrieb genommen wurde, traten in den Folge "Mahner" auf den Plan, die davor warnten, dass die dortigen Experimente ein Schwarzes Loch hervorrufen und letztlich den Weltuntergang einläuten könnten. Diese Alu-Hut-Theorien sind freilich völliger Unsinn: Laut einigen vereinheitlichten Theorien könnten zwar bei Teilchenkollisionen mit entsprechend hohen Energien sogenannte Schwarze Micro-Löcher entstehen, doch nach den selben Theorien besitzen diese eine nur extrem geringe Lebensdauer. Nichts, was dort, oder auch bei jedem anderen Teilchenkollisionsexperiment geschieht, könnte also etwas derart Dramatisches hervorrufen. Tatsache ist, dass Teilchenkollision, wie sie am Cern stattfinden werden, am oberen Rand der Erdatmosphäre laufend mit bedeutend höheren Energien stattfinden. Falls dort dabei jemals ein Schwarzes Loch entstanden wäre, hätte uns das vermutlich auffallen müssen.
(tberg, 11.4.2019)
Was es über Schwarze Löcher zu wissen gibt - derStandard.at
 
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