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Bild des Schwarzen Lochs : Ein historischer Schatten

Das Doppelsystem Cygnus X-1 war der erste überzeugende Kandidat dafür, Heimat eines stellaren Schwarzes Lochs zu sein – hier in künstlerischer Darstellung.

Die letzten Zweifler wurden um die Jahrtausendwende überzeugt, als unabhängig voneinander europäische Astronomen um Reinhard Genzel und Andreas Eckart sowie eine amerikanische Gruppe um Andrea Ghez aus der Bewegung von Sternen im Zentrum unserer Galaxie ableiten konnten, dass sich dort tatsächlich eine kompakte Masse – rund vier Millionen Mal so massereich wie unsere Sonne – befindet, ein „supermassereiches Schwarzes Loch“. Heute geht man davon aus, dass sich solche gigantischen Schwarzen Löcher im Zentrum fast aller Galaxien finden, neben den vielen „kleinen“ stellaren Schwarzen Löchern, die innerhalb der Galaxie verteilt sind. Einen weiteren Beleg für die Existenz stellarer Schwarzer Löcher lieferten die erstmals 2016 beobachteten Gravitationswellen, die durch die Verschmelzung ineinander stürzender Schwarzer Löcher erklärt werden können.

Im Zentrum unserer Milchstraße – hier am Himmel hinter dem Alma-Teleskopverbund zu sehen – weisen die extremen Bewegungen von Sternen auf die Existenz einer enormen Masse hin.

All diese empirischen Belege sind indirekter Art. Was bislang fehlte, war etwas, das uns visuell ausgerichteten Menschen als Erstes in den Sinn kommt, wenn wir an Beobachtbarkeit denken, und das damit final die Grenzüberschreitung hin zum uns Vertrauten definiert: ein Bild eines Schwarzen Lochs. Nun liegt bereits in diesem Begriff ein innerer Widerspruch: Wie will man etwas abbilden, das alles Licht unwiederbringlich schluckt? Sind Schwarze Löcher nicht die ultimativen Vertreter dessen, was nicht direkt beobachtbar ist?

Abbildung im Kontrast zur Umgebung

Wenn von einem Bild eines Schwarzen Lochs die Rede ist, kann es tatsächlich nur darum gehen, das Schwarze Loch im Kontrast zu seiner sichtbaren Umgebung abzubilden, dem Gas also, das sich in einem scheibenförmigen Strudel in das Loch hinein bewegt und teilweise in zwei strahlenförmigen Ausflüssen senkrecht zur Scheibe abgestoßen wird. Dieses Gas heizt sich in seiner Bewegung zu einem heißen Plasma auf. Freie Elektronen senden auf ihren gekrümmten Bahnen starke Synchrotronstrahlung aus, die bei Wellenlänge vom Radiobereich bis ins ferne Infrarot beobachtbar ist.

Diese Illustration zeigt, wie sich Gas in einer Akkretionsscheibe in ein supermassereiches Schwarzes Loch bewegt, während senkrecht zur Scheibe magnetisierte Ausflüsse ausgestoßen werden.

Die definitorische Grenze eines Schwarzen Lochs ist sein Ereignishorizont – der von der Masse des Schwarzen Lochs abhängige Radius, ab dem kein Entkommen mehr möglich ist. Allerdings werden Lichtteilchen bereits in einem größeren Bereich um das Schwarze Loch herum eingefangen. Der entsprechende Photonen-Einfangradius ist im einfachsten Fall eines wie von Karl Schwarzschild beschriebenen Schwarzen Lochs rund fünfmal so groß wie der Ereignishorizont. Lichtteilchen, deren Entfernung vom Schwarzen Loch genau diesem Einfangradius entspricht, bewegen sich auf einer instabilen Kreisbahn, dem sogenannten Photonenring. Simulationen zeigen, dass ein entfernter Beobachter diesen Photonenring als dünnen Emissionsring sehen sollte, eingebettet in die Strahlung der Akkretionsscheibe, deren Rückseite durch den Einfluss der starken Gravitation oberhalb und unterhalb des dunklen „Schattens“ des Schwarzen Lochs sichtbar wird.

Die Größe des „Schattens“ des Schwarzen Lochs im Zentrum unserer Galaxie, genannt Sagittarius A*, ist am Himmel allerdings winzig: etwa so groß, wie uns von der Erde aus gesehen eine Mandarine auf dem Mond erschiene. Die Sicht ist zudem durch Material der galaktischen Ebene beeinträchtigt. Etwas kleiner erscheint das supermassereiche Schwarze Loch der rund 55 Millionen Lichtjahre entfernten elliptischen Galaxie M87 im Zentrum des Virgo-Haufens. Dessen Masse ist mehr als tausendmal größer als die von Sagittarius A*. Um eine Auflösung zu erreichen, die die Umgebung dieser Schwarzen Löcher abbilden kann, braucht man bei Wellenlängen im Millimeter-Bereich ein Teleskop der Größe der Erde – das durch die Kombination von Radioteleskopen weltweit simuliert werden kann.

Der Bereich des Beobachtbaren hat sich mit diesem Bild eines Schwarzen Lochs, aufgenommen durch das EHT, erneut erweitert.

Das international organisierte „Event Horizon Telescope“ (EHT) hat dieses gigantische Beobachtungsprojekt seit ersten Planungen 2012 in Angriff genommen, nachdem Astronomen um Heino Falcke von der niederländischen Radboud University im Jahr 2000 die prinzipielle Durchführbarkeit des Projektes gezeigt hatten. In der vergangenen Woche konnten die Wissenschaftler nun also das erste, 2017 aufgenommene Bild des Schwarzen Lochs in M87 veröffentlichen.

Das Bild zeigt um den „Schatten“ herum den erwarteten Ring, der im Süden heller ist als im Norden – ein Effekt, der durch die relativistische Bewegung des Gases hervorgerufen wird, das heller erscheint, wenn es sich auf den Beobachter zubewegt. Die jahrelangen Bemühungen der Astronomen weltweit haben sich gelohnt: Die Grenze des Bereichs des Beobachtbaren ist mit diesem so lange erwarteten wissenschaftlichen Ergebnis in eindrucksvoller Weise ein weiteres Mal verschoben worden.

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