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Event Horizon Telescope : Das Schwarze Loch offenbart neue Geheimnisse

Neue Strukturen auf dem bekannten Ring: Die Linien zeigen die Richtung des Magnetfelds in der Nähe des Schwarzen Lochs im Zentrum von M87. Bild: AFP

2019 war es das eindrucksvollste Wissenschaftsbild: Die erste Aufnahme eines Schwarzen Lochs, aufgenommen mit einem erdumspannenden Teleskopverbund. Nun hat es ein Upgrade erhalten.

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          Im Jahr 2019 war es das Bild aus der Wissenschaft gewesen: Das „erste Foto“ eines Schwarzen Lochs. Der orange-rote Ring, auf dem sich der Schatten des zentralen Massenkolosses der 55 Millionen Lichtjahre entfernten elliptischen Galaxie M87 dunkel abzeichnete, hatte mit einem Foto im konventionellen Sinne natürlich überhaupt nichts zu tun. Aufgenommen worden war er von einem erdumspannenden Netzwerk von Teleskopen an sechs verschiedenen Standorten, dem „Event Horizon Telescope“ (EHT), dessen Daten erst in jahrelanger Analysearbeit zu dem zusammengefügt werden mussten, was schließlich weltweit die Titelseiten der Tageszeitungen zieren würde. In Europa hatte das spanische IRAM 30-Meter Teleskop zu den Beobachtungen beigetragen.

          Sibylle Anderl
          Redakteurin im Feuilleton.

          Dieses Bild hatte geholfen, unser Verständnis Schwarzer Löcher weiter zu verfeinern. Damals war aber bereits klar gewesen, dass die ausgewerteten Informationen noch unvollständig waren. Die 2017 aufgenommenen Daten bargen noch weitere wertvolle, aber unveröffentlichte Hinweise darauf, welche Bedingungen in der unmittelbaren Nähe des Schwarzen Lochs herrschen.

          Diese Informationen hat die internationale EHT-Forschungsgruppe, darunter Wissenschaftler vom Bonner Max-Planck-Institut für Radioastronomie, nun in zwei neuen im „Astrophysical Journal“ erschienenen Publikationen (hier und hier) nachgeliefert. Es sind die sogenannten Polarisations-Daten, die Auskunft über die Schwingungsrichtung des empfangenen Lichts geben. Um zu verstehen, was es damit auf sich hat, muss man sich vergegenwärtigen, dass elektromagnetische Strahlung als Welle vorgestellt werden kann, die senkrecht zu ihrer Ausbreitungsrichtung schwingt. Ist diese Schwingungsrichtung gleichbleibend, spricht man von linear polarisiertem Licht.

          Diesen Effekt kennt man aus dem Alltag etwa von manchen Sonnenbrillen, die nur Licht einer bestimmten Polarisationsrichtung durchlassen. Wenn man durch solche Brillen schaut, verstärkt der Polarisationseffekt Kontraste zwischen verschiedenartig an Oberflächen reflektiertem Licht, das durch die Reflexion in unterschiedlicher Weise polarisiert wurde. Anschaulich kann man sich Polarisationsfilter wie ein Gitter aus parallelen Stäben vorstellen, das nur Licht durchlässt, das in der entsprechenden Richtung schwingt.

          Das Konzept der Polarisation ist schon nicht ganz einfach zu erklären. Aber auch die Beobachtung und Analyse dieser Schwingungsdaten sind deutlich anspruchsvoller als es für Daten der Fall ist, in denen Licht unabhängig von der Schwingungsrichtung registriert ist. Dass die Veröffentlichung der Polarisationsdaten des Schwarzen Lochs in M87 etwas länger dauern würde, war daher zu erwarten. Dazu kommt, dass die Interpretation dieser Beobachtungen vergleichsweise kompliziert zu modellierende Physik benötigt – die letztendlich von der Schwingungsrichtung des Lichts auf die Orientierung und Stärke der Magnetfelder und die Eigenschaften der Materie in der Nähe des Schwarzen Lochs schließen lässt.

          Das Magnetfeld zu kennen ist wiederum zentral wichtig, um zu verstehen, wie sich die Materie am Rand des Schwarzen Lochs verhält. Die liegt dort nämlich in Form eines Plasmas vor, ist also elektrisch geladen und muss daher den Gesetzen der Elektrodynamik gemäß in seiner Bewegung dem Magnetfeld folgen. Hier gibt es noch viele offene Fragen zu beantworten, denn Schwarze Löcher senden gigantische Materieströme, sogenannte Jets, senkrecht zur der in das Schwarze Loch strömenden Materiescheibe aus.

          Der weit aus der Galaxie heraus reichende Jet aus sich fast mit Lichtgeschwindigkeit bewegender Materie ist ein prominentes Merkmal von M87.
          Der weit aus der Galaxie heraus reichende Jet aus sich fast mit Lichtgeschwindigkeit bewegender Materie ist ein prominentes Merkmal von M87. : Bild: NASA and the Hubble Heritage Team (STScI/AURA)

          Insbesondere in der Galaxie M87 ist ein viele tausend Lichtjahre aus der Galaxie herausreichender Jet prominent sichtbar. Wie diese Hochgeschwindigkeits-Ausflüsse aber entstehen, ist nach wie vor unklar und erfordert die Kenntnis des Magnetfelds ganz in der Nähe des Schwarzen Lochs. Auch um zu verstehen, welcher Anteil der sich auf das Schwarze Loch zu bewegenden Materie für immer geschluckt wird, und welcher davongeschleudert wird, ist diese Information entscheidend.

          Wenn man nun die Schlusskette der Astronomen nachvollziehen möchte, beginnt man also zunächst bei der auf der Erde empfangenen Strahlung. Die hat eine Wellenlänge von 1,3 Millimetern (230 GHz) und wird damit von Radioteleskopen registriert – sofern das Wetter gut genug ist, denn diese Wellenlänge wird empfindlich durch Wasserdampf in der Erdatmosphäre gestört. Erzeugt wurde sie in 55 Millionen Lichtjahren Entfernung von Elektronen, die sich in der Nähe des Schwarzen Lochs im Zentrum der Galaxie M87 mit relativistischen Geschwindigkeiten und in Schraubenlinien um die Magnetfeldlinien bewegen.

          Diese Simulation zeigt die Scheibe aus heißem Gas, das um das Schwarze Loch rotiert, zusammen mit dem Jet aus herausgeschleuderter Materie.
          Diese Simulation zeigt die Scheibe aus heißem Gas, das um das Schwarze Loch rotiert, zusammen mit dem Jet aus herausgeschleuderter Materie. : Bild: Simulation Weih/Rezzolla

          Diese fortwährende Beschleunigung führt daraufhin zu linear polarisierter Synchrotronemission. Dieser Emissionsprozess wurde von den Wissenschaftlern in allen Details und unter Verwendung aller bekannten Eigenschaften der Quelle anhand komplexer Modelle simuliert. Der Vergleich dieser Modelle mit den Beobachtungen liefert dann die gesuchten Informationen über das Magnetfeld in nächster Nähe des Schwarzen Lochs.

          Was also zeigen die von den Astronomen nun präsentierten Beobachtungen? Zur Erinnerung: Das Schwarze Loch von M87 ist mit einer Masse, die knapp sieben Milliarden Sonnenmassen entspricht, deutlich schwerer als dasjenige im Zentrum unserer  Milchstraße (Sagittarius A* besitzt rund vier Millionen Sonnenmassen). Seine durch den Schwarzschild-Radius gegebene Größe entspricht etwa dem 120-fachen mittleren Abstand zwischen Sonne und Erde. Der Schatten, der auf dem 2019 veröffentlichten Bild zu sehen ist, ist allerdings etwas größer und zeigt den Bereich, aus dem kein Licht mehr entkommt. Diesem schon bekannten Ring wurden nun die Polarisationsdaten überlagert.

          Neue Strukturen auf dem bekannten Ring: Die Linien zeigen die Richtung des Magnetfelds in der Nähe des Schwarzen Lochs im Zentrum von M87.
          Neue Strukturen auf dem bekannten Ring: Die Linien zeigen die Richtung des Magnetfelds in der Nähe des Schwarzen Lochs im Zentrum von M87. : Bild: AFP

          Es zeigt sich, dass die Strahlung vor allem im Südwesten des Rings polarisiert ist. Die schwache Polarisation in anderen Regionen deuten die Wissenschaftler so, dass die Schwingungsebene des Lichts hier durch die besondere Ausrichtung des Magnetfelds gedreht wird, ein Effekt der als Faradayrotation bezeichnet wird. Wo die Polarisationsrichtungen klar erkennbar sind, folgen sie aber einem kohärenten Muster entlang des Rings. Zudem scheint sich die Polarisation innerhalb des rund einwöchigen Beobachtungszeitraums verändert zu haben.

          Die physikalische Deutung dieser Beobachtungen, die die Astronomen nun präsentieren, sagt zunächst, dass die Magnetfelder tatsächlich stark genug sind, um der Anziehungskraft des Schwarzen Lochs auf die umgebende Materie entgegen zu wirken. Diejenigen Modelle, die am besten zu den Beobachtungen passen, sagen voraus, dass pro Jahr Materie mit einer Masse von höchstens dem 0,002-fachen unserer Sonne im Schwarzen Loch verschwinden – immerhin die etwa zehnfache Rate „unseren“ schwarzen Lochs, Sagittarius A*. Allerdings schreiben die Forscher, dass die Analyse nach wie vor viele Unsicherheiten besitzt, einerseits auf Seiten der genutzten Modelle, andererseits auf Seiten der Beobachtungen, die künftig vervollständigt werden könnten. Dann können die Astronomen vielleicht auch, wie erhofft, etwas genauer auf die Frage nach der Entstehung von Jets eingehen. Ein erster Schritt in dieser Richtung ist mit dieser Pionierarbeit zumindest vollbracht.

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