Wissenschaft

Astronomen haben womöglich endlich das erste Bild eines Schwarzen Lochs aufgenommen

Mit Hilfe eines gewaltigen Netzwerks aus Teleskopen haben Wissenschaftler nun Daten zur Verfügung, die neue Grenzen in unserem Verständnis der Schwerkraft überwinden könnten. Donnerstag, 9 November

Von Ron Cowen

Das Monster im Herzen unserer Milchstraße hat es geschafft.

Nach fünf Nächten der Beobachtung haben Astronomen nun womöglich das allererste Bild des berühmten Gravitationstrichters eingefangen, der als Schwarzes Loch bezeichnet wird.

Genauer gesagt zeigt das erhoffte Porträt die geheimnisvolle Region, die das schwarze Loch umgibt. Sie wird auch als Ereignishorizont bezeichnet und markiert die Grenze des Bereichs, aus dem nichts, nicht einmal Licht, der gewaltigen Anziehung des Objekts entkommen kann.

Nachdem der letzte Beobachtungsdurchgang um 11:22 Uhr ET (01:22 CET) sein Ende fand, saß das Teammitglied Vincent Fish zufrieden in seinem Büro am MIT Haystack Observatory in Westford, Massachusetts. Die letzte Woche über war Fish 24/7 auf Abruf gewesen und hatte unruhig mit seinem Handy neben sich geschlafen, den Klingelton auf laut.

Als die letzten Daten an den Observatorien des Projekts eintrafen, verfolgte er feierliche Kommentare auf einer speziellen Chatline für Radioastronomen und Ingenieure. Einer sagte, dass er gerade dabei war, einen 50 Jahre alten Scotch zu öffnen. Ein anderer lauschte den siegreichen Klängen von „Bohemian Rhapsody“.

„Ich bin sehr glücklich und sehr erleichtert und freue mich auf eine ausgedehnte Nacht voll Schlaf“, sagte Fish.

Aber die Erleichterung mischt sich mit gespannter Erwartung. Die Verarbeitung einer solchen Datenmenge braucht Zeit, und das Team muss monatelang warten um herauszufinden, ob ihr gewaltiger Aufwand auch wirklich von Erfolg gekrönt sein wird.

„Selbst, wenn die ersten Bilder beschissen und verwaschen sind, können wir trotzdem zum ersten Mal einige der Grundannahmen von Einsteins Theorie der Schwerkraft in der extremen Umgebung eines Schwarzen Lochs testen“, sagte Radioastronom Heino Falcke von der Radboud Universität in Nijmegen, Niederlande.

Einsteins revolutionäre Theorie von 1915 besagt, dass Materie die Geometrie der Raumzeit verzerrt oder krümmt, und dass wir diese Verzerrungen als Schwerkraft wahrnehmen. Die Existenz von extrem massereichen schwarzen Löchern war eine der ersten Vorhersagen von Einsteins Theorie.

„Sie sind der ultimative Endpunkt von Raum und Zeit und könnten die letzte Grenze unseres Wissens sein“, sagt Falcke. Trotzdem haben Astronomen nur Indizienbeweise dafür, dass sie im Herzen jeder großen Galaxie des Universums versteckt liegen. Selbst Einstein war sich nicht sicher, dass sie wirklich existieren.

Laut Falcke werden die ersten Bildaufnahmen „Schwarze Löcher von einem mythischen Objekt zu etwas Konkretem werden lassen, das wir untersuchen können.“

ZERMÜRBENDE WETTERWACHT

Um so weit zu kommen, waren Jahre der Planung und Kooperation zwischen internationalen Partnern in Observatorien vom höchsten Berg in Hawaii bis in die eisigen Gebiete des Südpols nötig. Das elektronisch verbundene Netzwerk aus acht Observatorien formte eine virtuelle Teleskopantenne von der Größe des Planeten.

Das Radioantennen-Netzwerk namens Event Horizon Telescope öffnete sein Auge Richtung Himmel während eines zehntägigen Zeitfensters, das am 4. April begonnen hatte.

Das Teleskop fokussierte zwei Supermassive Schwarze Löcher: ein Biest mit der Masse von vier Millionen Sonnen namens Saggitarius A*, das im Zentrum unserer Milchstraßengalaxie liegt, und ein Schwarzes Loch, das etwa 1.500 Mal schwerer ist und im Zentrum der nahegelegenen Galaxie M87 liegt.

Das Event Horizon Telescope hatte die Umgebungen dieser beiden Kolosse schon zuvor sondiert, aber nun waren zum ersten Mal auch das Südpolteleskop und das Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) dabei, eine Gruppe von 66 Radioantennen in Chile.

ALMA verschärft den Blick des Event Horizon Telescope um das Zehnfache und ermöglicht ihm so, Objekte von der Größe eines Golfballs auf dem Mond zu sehen – und daher auch die überraschend kleinen Ereignishorizonte der zwei Schwarzen Löcher abzubilden.

Nachdem jahrelang Beobachtungszeiten verhandelt und jede Seite mit kritischem elektronischen Zubehör ausgerüstet worden war, war das Team schließlich der Gnade von etwas ausgeliefert, über das es keinerlei Kontrolle hatte: dem Wetter.

Astronomen beobachten diese Schwarzen Löcher im Bereich der Millimeterwellen, also den Wellenlängen, bei denen Licht die dichten Konzentrationen von Gas und Staub im Zentrum der Galaxie durchdringen und relativ ungehindert zur Erde reisen kann.

Aber Wasser absorbiert und emittiert Radiowellen, weshalb Niederschlag die Beobachtungen durcheinanderbringen kann.

Um dieses Problem zu minimieren, werden Radioteleskope in großen Höhen gebaut – auf Bergspitzen oder hohen Wüstenplateaus –, aber Wolken, Regen oder Schnee können ein Observatorium trotzdem außer Betrieb nehmen. Auch Windstöße können ein Teleskop auf dieser Höhe runterfahren.

„Die Wahrscheinlichkeit, an jedem Standort richtig gutes Wetter zu haben, liegt fast bei Null“, sagte Fish.

Mit nur fünf verfügbaren Nächten während des Beobachtungszeitraums haben sich Fish und seine Kollegen täglich getroffen, um die nervenaufreibende Entscheidung zu treffen, ob sie das Netzwerk aktivieren sollten. Dabei mussten sie Informationen über das aktuelle Wetter an jedem Standort und über dessen mögliche Entwicklung über die nächsten Tage hinweg abwägen. Von der Einrichtung des MIT aus hat Fish unentwegt das Wetter an jedem Standort auf einem von zwei Bildschirmen beobachtet und auf dem anderen mit Astronomen kommuniziert.

„Es bricht einem das Herz, wenn man den Startschuss für eine Nacht gibt und dann [schlechtes] Wetter aufzieht“, oder wenn Observationen abgesagt werden und die Nacht dann doch noch gut verläuft, sagt Shep Doeleman, Leiter des Event Horizon Telescope am Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics in Cambridge, Massachusetts.

DIE HOFFNUNG AUF ERDNÜSSE

Nachdem nun alle fünf Observationstage abgeschlossen sind, haben die Astronomen eine lange Wartezeit – und monatelange Analysen – vor sich um herauszufinden, ob sie ein Porträt eines Schwarzen Lochs aufgenommen haben.

Jedes Observatorium zeichnet so viele Daten auf, dass sie nicht elektronisch übermittelt werden können. Stattdessen wurden die Daten aller Teleskope – die zusammen eine Speicherkapazität von etwa 10.000 Laptops haben – auf 1.024 Festplatten gespeichert. Diese müssen an die Verarbeitungszentren des Event Horizon Telescope am MIT Haystack und an das Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn geschickt werden.

Die Festplatten vom Südpol können nicht vor Ende des dortigen Winters ausgeflogen werden, was im Oktober sein wird.

Sobald die Daten an ihrem Verarbeitungszentrum angekommen sind, wird eine Reihe an Servern die wichtige Aufgabe übernehmen, die mit einem Zeitstempel markierten Signale der acht Observatorien miteinander zu kombinieren. Das Vergleichen und Kombinieren der Radiowellen muss mit außerordentlicher Sorgfalt erfolgen, damit kritische Informationen über die Größe und Struktur des Ereignishorizonts nicht verloren gehen.

Die Technik des Kombinierens von Radiowellen, die Langbasisinterferometrie genannt wird, ist in der Radioastronomie hinreichend verbreitet. Aber im Normalfall sind die Teleskope nicht so zahlreich oder auf so eine große Fläche verteilt.

„Wir versuchen, ein kohärentes Netzwerk von der Größe des Planeten zu erzeugen, was unglaublich ist, wenn man mal darüber nachdenkt“, erklärte Doeleman.

Was die Astronomen schlussendlich zu sehen hoffen, wenn alle Signale miteinander kombiniert wurden, ist ein Lichtschein um einen dunklen Kreis herum – der Schatten eines Schwarzen Lochs. Die Sichel aus Licht kommt durch leuchtende Gase zustande, die auf Hunderte Millionen Grad erhitzt werden und das Schwarze Loch umkreisen. Auf diese Weise zeichnen die den Ereignishorizont nach.

Manche Simulationen lassen vermuten, dass der Lichtschein auf einer Seite breiter und tiefer sein könnte als auf der anderen und damit „einer Erdnuss [gleicht], die keinen Erdnuss-Schönheitswettbewerb gewinnen würde“, sagte Falcke.

Selbst wenn sie aus diesem Beobachtungsdurchlauf kein Bild generieren können, haben Doeleman und seine Kollegen schon Pläne für einen weiteren Versuch im nächsten Jahr mit einem noch größeren Netzwerk aus Radioteleskopen.

„Über die nächsten zehn bis fünfzig Jahre“, so Falcke, „sollten wir in der Lage sein, gestochen scharfe Bilder zu machen, wenn wir das Netzwerk auf Afrika ausweiten und schließlich bis in den Weltraum.“

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