Die Idee der Schwarzen Löcher stammt aus dem Jahr 1783, als der Cambridge-Wissenschaftler John Michell erkannte, dass ein ziemlich massives Objekt auf kleinstem Raum sogar Licht anziehen kann, ohne es entweichen zu lassen. Mehr als ein Jahrhundert später fand Karl Schwarzschild eine genaue Lösung für Einsteins allgemeine Relativitätstheorie, die das gleiche Ergebnis vorhersagte: ein Schwarzes Loch. Sowohl Michell als auch Schwarzschild sagten einen klaren Zusammenhang zwischen dem Ereignishorizont oder dem Radius der Region, aus der kein Licht entweichen kann, und der Masse des Schwarzen Lochs voraus.
Für 103 Jahre nach Schwarzschilds Vorhersage konnte es nicht verifiziert werden. Und erst am 10. April 2019 entdeckten Wissenschaftler das erste Foto des Ereignishorizonts. Einsteins Theorie funktionierte wieder, wie immer.
Obwohl wir bereits vor dem ersten Schnappschuss des Ereignishorizonts viel über Schwarze Löcher wussten, hat sich viel geändert und geklärt. Wir hatten viele Fragen, die jetzt beantwortet werden.
Am 10. April 2019 präsentierte die Zusammenarbeit mit Event Horizon Telescope den ersten erfolgreichen Schnappschuss des Ereignishorizonts des Schwarzen Lochs. Dieses Schwarze Loch befindet sich in Messier 87: der größten und massereichsten Galaxie in unserem lokalen Supercluster von Galaxien. Der Winkeldurchmesser des Ereignishorizonts betrug 42 Mikrobogensekunden. Dies bedeutet, dass 23 Billiarden gleich große schwarze Löcher erforderlich sind, um den gesamten Himmel zu bedecken.
In 55 Millionen Lichtjahren Entfernung ist die geschätzte Masse des Schwarzen Lochs 6,5 Milliarden Mal so groß wie die der Sonne. Physikalisch entspricht dies einer Größe, die größer ist als die Größe von Plutos Umlaufbahn um die Sonne. Wenn es kein Schwarzes Loch gäbe, würde es ungefähr einen Tag dauern, bis Licht durch den Durchmesser des Ereignishorizonts gelangt. Und nur weil:
- Das Ereignishorizont-Teleskop hat eine ausreichende Auflösung, um dieses Schwarze Loch zu sehen
- Schwarzes Loch sendet stark Radiowellen aus
- Sehr wenig Funkwellen im Hintergrund stören das Signal
Wir konnten diesen ersten Schuss bekommen. Daraus haben wir jetzt zehn tiefgreifende Lektionen gelernt.
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Wir haben gelernt, wie ein Schwarzes Loch aussieht. Was weiter?
Dies ist wirklich ein Schwarzes Loch, wie es die allgemeine Relativitätstheorie vorhersagt. Wenn Sie jemals einen Artikel mit dem Titel "Theoretiker behauptet mutig, dass es keine Schwarzen Löcher gibt" oder "Diese neue Gravitationstheorie könnte Einstein umdrehen" gesehen haben, haben Physiker vermutlich kein Problem damit, alternative Theorien zu entwickeln. Obwohl die allgemeine Relativitätstheorie alle von uns durchgeführten Tests bestanden hat, mangelt es den Physikern nicht an Erweiterungen, Ersetzungen oder möglichen Alternativen.
Und die Beobachtung eines Schwarzen Lochs schließt eine große Anzahl von ihnen aus. Wir wissen jetzt, dass dies ein Schwarzes Loch ist, kein Wurmloch. Wir wissen, dass der Ereignishorizont existiert und dass dies keine nackte Singularität ist. Wir wissen, dass der Ereignishorizont keine feste Oberfläche ist, da die fallende Materie eine Infrarotsignatur abgeben muss. Und all diese Beobachtungen stimmen mit der allgemeinen Relativitätstheorie überein.
Diese Beobachtung sagt jedoch nichts über dunkle Materie, die modifiziertesten Theorien der Schwerkraft, der Quantengravitation oder was hinter dem Ereignishorizont liegt. Diese Ideen gehen über den Rahmen der Beobachtungen des EHT hinaus.
Die Gravitationsdynamik von Sternen liefert gute Schätzungen für die Massen eines Schwarzen Lochs; Gasbeobachtung - nein. Vor dem ersten Bild eines Schwarzen Lochs hatten wir verschiedene Möglichkeiten, die Masse der Schwarzen Löcher zu messen.
Wir könnten entweder Messungen von Sternen verwenden - wie die einzelnen Umlaufbahnen von Sternen in der Nähe eines Schwarzen Lochs in unserer eigenen Galaxie oder Absorptionslinien von Sternen in M87 -, die uns Gravitationsmasse gaben, oder Emissionen von Gas, das sich um das zentrale Schwarze Loch bewegt.
Sowohl für unsere Galaxie als auch für M87 waren diese beiden Schätzungen sehr unterschiedlich: Die Gravitationsschätzungen waren 50-90% höher als die gasförmigen. Für M87 zeigten Gasmessungen, dass das Schwarze Loch 3,5 Milliarden Sonnen hat, und Gravitationsmessungen lagen näher bei 6,2 bis 6,6 Milliarden. Die EHT-Ergebnisse zeigten jedoch, dass das Schwarze Loch 6,5 Milliarden Sonnenmassen hat, was bedeutet Die Gravitationsdynamik ist ein ausgezeichneter Indikator für die Masse der Schwarzen Löcher, aber die Gasschlussfolgerungen verschieben sich in Richtung niedrigerer Werte. Dies ist eine großartige Gelegenheit, unsere astrophysikalischen Annahmen über Orbitalgas zu überdenken.
Es sollte ein sich drehendes Schwarzes Loch sein und seine Rotationsachse zeigt von der Erde weg. Durch Beobachtung des Ereignishorizonts, der Funkemissionen um ihn herum, eines Großstrahls und erweiterter Funkemissionen, die von anderen Observatorien gemessen wurden, hat das EHT festgestellt, dass es sich um ein Kerr-Schwarzes Loch (rotierend) und nicht um ein Schwarzschild-Schwarzes Loch (nicht rotierend) handelt.
Es gibt kein einziges einfaches Merkmal eines Schwarzen Lochs, das wir untersuchen könnten, um diese Natur zu bestimmen. Stattdessen müssen wir Modelle des Schwarzen Lochs selbst und der Materie außerhalb davon erstellen und sie dann entwickeln, um zu verstehen, was passiert. Wenn Sie nach möglichen Signalen suchen, die möglicherweise auftreten, haben Sie die Möglichkeit, diese zu begrenzen, damit sie mit Ihren Ergebnissen übereinstimmen. Dieses Schwarze Loch sollte sich drehen und die Rotationsachse zeigt bei etwa 17 Grad von der Erde weg.
Wir konnten endlich feststellen, dass sich um das Schwarze Loch Material befindet, das Akkretionsscheiben und -strömen entspricht. Wir wussten bereits, dass M87 einen Strahl hatte - aus optischen Beobachtungen - und dass er auch im Radio- und Röntgenbereich emittierte. Diese Art von Strahlung kann nicht nur von Sternen oder Photonen erhalten werden: Sie brauchen sowohl Materie als auch Elektronen. Nur durch die Beschleunigung von Elektronen in einem Magnetfeld können wir die charakteristische Funkemission erhalten, die wir gesehen haben: Synchrotronstrahlung.
Und es hat unglaublich viel Modellierungsarbeit gekostet. Wenn Sie alle möglichen Parameter aller möglichen Modelle anpassen, werden Sie feststellen, dass diese Beobachtungen nicht nur Akkretionsströme zur Erklärung der Radioergebnisse erfordern, sondern auch notwendigerweise Nicht-Radiowellenergebnisse vorhersagen - wie Röntgenstrahlen. Die wichtigsten Beobachtungen wurden nicht nur vom EHT gemacht, sondern auch von anderen Observatorien wie dem Chandra-Röntgenteleskop. Die Akkretionsflüsse sollten sich entsprechend den relativistischen Beschleunigungselektronen in einem Magnetfeld erwärmen, wie das Spektrum der magnetischen Emissionen von M87 zeigt.
Der sichtbare Ring zeigt die Schwerkraft und die Gravitationslinse um das zentrale Schwarze Loch; und wieder wurde die allgemeine Relativitätstheorie getestet. Dieser Ring im Funkbereich entspricht nicht dem Ereignishorizont selbst und nicht dem Ring rotierender Partikel. Und es ist auch nicht die stabilste Kreisbahn eines Schwarzen Lochs. Nein, dieser Ring entsteht aus einer Kugel von Photonen mit Gravitationslinsen, deren Wege auf dem Weg zu unseren Augen durch die Schwerkraft des Schwarzen Lochs gebogen werden.
Dieses Licht biegt sich in eine größere Kugel, als man erwarten würde, wenn die Schwerkraft nicht so stark wäre. Wie die Event Horizon Telescope Collaboration schreibt:
"Wir haben festgestellt, dass mehr als 50% des Gesamtflusses in Bogensekunden in der Nähe des Horizonts verlaufen und dass diese Strahlung beim Eintritt in diese Region um den Faktor 10 stark unterdrückt wird, was ein direkter Beweis für den vorhergesagten Schatten eines Schwarzen Lochs ist."
Einsteins allgemeine Relativitätstheorie erwies sich erneut als richtig.
Schwarze Löcher sind dynamische Phänomene, deren Strahlung sich mit der Zeit ändert. Bei einer Masse von 6,5 Milliarden Sonnen wird es ungefähr einen Tag dauern, bis der Ereignishorizont des Schwarzen Lochs durchquert ist. Dies legt ungefähr den Zeitrahmen fest, in dem wir Änderungen und Schwankungen der vom EHT beobachteten Emission erwarten können.
Selbst Beobachtungen, die mehrere Tage dauerten, konnten bestätigen, dass sich die Struktur der emittierten Strahlung wie vorhergesagt im Laufe der Zeit ändert. Die Daten für 2017 enthalten vier Beobachtungsnächte. Selbst wenn Sie sich diese vier Bilder ansehen, können Sie visuell erkennen, dass die ersten beiden ähnliche Merkmale aufweisen und die letzten beiden jedoch auch signifikante Unterschiede zwischen dem ersten und dem letzten aufweisen. Mit anderen Worten, die Eigenschaften der Strahlung um ein Schwarzes Loch in M87 ändern sich im Laufe der Zeit.
EHT wird in Zukunft den physischen Ursprung von Schwarzlochausbrüchen aufdecken. Wir haben sowohl im Röntgen- als auch im Radioband gesehen, dass ein Schwarzes Loch in der Mitte unserer eigenen Milchstraße kurze Strahlungsstöße aussendet. Obwohl das allererste Bild eines Schwarzen Lochs in M87 ein supermassives Objekt zeigte, wird ein Schwarzes Loch in unserer Galaxie - Schütze A * - genauso groß sein und sich nur schneller ändern.
Verglichen mit der Masse von M87 - 6,5 Milliarden Sonnenmassen - wird die Masse von Schütze A * nur 4 Millionen Sonnenmassen betragen: 0,06% der ersten. Dies bedeutet, dass Schwankungen tagsüber nicht mehr, sondern innerhalb einer Minute beobachtet werden. Die Merkmale des Schwarzen Lochs werden sich schnell ändern, und wenn ein Ausbruch auftritt, können wir seine Natur offenbaren.
Wie hängen die Fackeln mit der Temperatur und Leuchtkraft des Radiobildes zusammen, das wir gesehen haben? Gibt es eine magnetische Wiederverbindung, wie bei den koronalen Massenauswürfen unserer Sonne? Platzt irgendetwas in den Akkretionsströmen? Schütze A * blinkt täglich, damit wir alle notwendigen Signale mit diesen Ereignissen verknüpfen können. Wenn unsere Modelle und Beobachtungen so gut sind wie für M87, können wir möglicherweise feststellen, was diese Ereignisse antreibt, und vielleicht sogar wissen, was in das Schwarze Loch fällt und sie erzeugt.
Es entstehen Polarisationsdaten, die zeigen, ob Schwarze Löcher ein eigenes Magnetfeld haben. Obwohl wir alle auf jeden Fall froh waren, den ersten Schnappschuss des Ereignishorizonts des Schwarzen Lochs zu sehen, ist es wichtig zu verstehen, dass bald ein völlig einzigartiges Bild entstehen wird: die Polarisation des vom Schwarzen Loch ausgehenden Lichts. Aufgrund der elektromagnetischen Natur des Lichts wird ihm durch seine Wechselwirkung mit dem Magnetfeld eine bestimmte Polarisationssignatur eingeprägt, die es uns ermöglicht, das Magnetfeld des Schwarzen Lochs sowie dessen zeitliche Veränderung zu rekonstruieren.
Wir wissen, dass Materie außerhalb des Ereignishorizonts, die im Wesentlichen geladene Teilchen (wie Elektronen) bewegt, ein eigenes Magnetfeld erzeugt. Modelle weisen darauf hin, dass Feldlinien entweder in Akkretionsströmen verbleiben oder durch den Ereignishorizont verlaufen können und eine Art "Anker" im Schwarzen Loch bilden. Es besteht ein Zusammenhang zwischen diesen Magnetfeldern, der Akkretion und dem Wachstum von Schwarzen Löchern und den Jets. Ohne diese Felder könnte Materie in Akkretionsströmen keinen Drehimpuls verlieren und in den Ereignishorizont fallen.
Polarisationsdaten werden uns dank der Leistung der polarimetrischen Bildgebung darüber berichten. Wir haben bereits die Daten: Es bleibt eine vollständige Analyse durchzuführen.
Die Verbesserung des Event Horizon Telescope wird das Vorhandensein anderer Schwarzer Löcher in der Nähe von galaktischen Zentren aufdecken. Wenn sich ein Planet um die Sonne dreht, liegt dies nicht nur daran, dass die Sonne einen Gravitationseffekt auf den Planeten hat. Es gibt immer eine gleiche und entgegengesetzte Reaktion: Der Planet beeinflusst die Sonne. Wenn ein Objekt ein Schwarzes Loch umkreist, übt es ebenfalls einen Gravitationsdruck auf das Schwarze Loch aus. Bei einer ganzen Reihe von Massen in der Nähe der Galaxienzentren - und theoretisch vieler unsichtbarer Schwarzer Löcher - sollte das zentrale Schwarze Loch an seiner Stelle buchstäblich zittern und durch die Brownsche Bewegung der umgebenden Körper auseinandergezogen werden.
Der Trick, um diese Messung heute durchzuführen, besteht darin, dass Sie einen Referenzpunkt benötigen, um Ihre Position relativ zur Position des Schwarzen Lochs zu kalibrieren. Die Technik für eine solche Messung setzt voraus, dass Sie auf den Kalibrator, dann auf die Quelle, erneut auf den Kalibrator, erneut auf die Quelle usw. schauen. Gleichzeitig müssen Sie Ihren Blick sehr schnell bewegen. Leider ändert sich die Atmosphäre sehr schnell und in 1 Sekunde kann sich viel ändern, sodass Sie einfach keine Zeit haben, zwei Objekte zu vergleichen. Auf jeden Fall nicht mit moderner Technik.
Aber die Technologie in diesem Bereich entwickelt sich unglaublich schnell. Die auf dem EHT verwendeten Tools warten auf Aktualisierungen und können möglicherweise Mitte der 2020er Jahre die erforderliche Geschwindigkeit erreichen. Dieses Rätsel könnte dank verbesserter Instrumentierung bis zum Ende des nächsten Jahrzehnts gelöst sein.
Schließlich wird Event Horizon Telescope schließlich Hunderte von Schwarzen Löchern sehen. Um ein Schwarzes Loch zu zerlegen, muss die Auflösung des Teleskoparrays besser (d. H. Hohe Auflösung) sein als die Größe des gesuchten Objekts. Derzeit kann das EHT nur drei bekannte Schwarze Löcher im Universum mit einem ausreichend großen Durchmesser erkennen: Schütze A *, das Zentrum von M87, das Zentrum der Galaxie NGC 1277.
Aber wir können die Leistung des Event Horizon Telescope-Auges auf die Größe der Erde erhöhen, wenn wir die Teleskope in die Umlaufbahn bringen. Theoretisch ist dies bereits technisch erreichbar. Die Zunahme der Anzahl der Teleskope erhöht die Anzahl und Häufigkeit der Beobachtungen sowie die Auflösung.
Durch die notwendigen Verbesserungen können wir anstelle von 2-3 Galaxien Hunderte von Schwarzen Löchern oder sogar mehr finden. Die Zukunft der Fotoalben von Schwarzen Löchern sieht rosig aus.
Das Event Horizon Telescope-Projekt war teuer, hat sich aber ausgezahlt. Heute leben wir in der Ära der Schwarzlochastronomie und konnten sie endlich mit eigenen Augen beobachten. Dies ist nur der Anfang.
Ilya Khel
