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Astrophysik : Zoom aufs Schwarze Loch

Das Schwarze Loch im Zentrum der Milchstraße in einer Computersimulation. Eine Scheibe leuchtender Gase wirbelt um den zentralen Schatten, eine Zone, bis zu der das Loch alle streifenden Lichtstrahlen verschlingt. Bild: Foto ITP Goethe-Universität Frankfurt, Z. Younsi, O. Porth, Fromm, Y. Mizuno

Zum ersten Mal gibt es die Chance, einige besonders dicke Schwerkraftmonster direkt abzubilden. Was wird man sehen? Fragen an den Gravitationsphysiker Luciano Rezzolla

          4 Min.

          Herr Rezzolla, seit Dienstag der vorigen Woche bilden acht Radioteleskope in Europa, Nord- und Südamerika, in der Antarktis und auf Hawaii für zehn Tage zusammen das „Event Horizon Telescope“ (EHT). Eines ihrer Ziele ist das mehr als vier Millionen Sonnenmassen schwere Schwarze Loch im Nabel unserer Milchstraße ...

          Ulf von Rauchhaupt
          (UvR), Wissenschaft

          Sagen wir lieber: Kandidat für ein Schwarzes Loch. Wir glauben zwar alle, dass es tatsächlich eines ist, aber absolut sicher wissen wir es noch nicht.

          Aber haben Astronomen nicht durch die Beobachtung von Sternen, die in seiner Nähe kreisen, schon bewiesen, dass es eines sein muss?

          Nicht ganz. Sie haben gezeigt, dass das Objekt im Zentrum der Galaxie sehr klein und sehr schwer ist. Aber es gibt noch immer eine Reihe alternativer Erklärungen. Demnach könnte es sich um einen Stern aus Bosonen handeln oder um einen sogenannten Gravastern – oder ein noch exotischeres Objekt.

          Die Existenz solcher Himmelskörper würden aber neue, hypothetische Naturgesetze voraussetzen, während die der Schwarzen Löcher allein aus der wohlbekannten Theorie der Schwerkraft Albert Einsteins folgt. Solch ein Schwarzes Loch wird begrenzt von einer Zone, innerhalb derer die Schwerkraft so groß ist, dass nicht einmal Licht entweichen kann. Diesen sogenannten Ereignishorizont soll das EHT nun also abbilden?

          Nicht den Ereignishorizont selbst, sondern seinen „Schatten“. Der ist etwas weiter draußen. Wenn das supermassive Objekt im Zentrum der Milchstraße ein Einsteinsches Schwarzes Loch ist, hat sein Ereignishorizont einen Radius von etwa einem Zwanzigstel des Abstandes der Erde zur Sonne. Der Schatten aber ist anderthalbmal so groß – sofern das Schwarze Loch nicht rotiert. Wenn es das tut, hängt die Größe des Schattens davon ab, wie schnell es sich dreht.

          Dieser Schatten wäre immer noch kleiner als die Distanz zwischen der Sonne und ihrem innersten Planeten Merkur. Dies aus einer Entfernung von 26000 Lichtjahren zu beobachten, wurde gelegentlich mit der Aufgabe verglichen, eine Orange auf der Oberfläche des Mondes zu sehen.

          Genau. Die Auflösung ergibt sich aus der beobachteten Wellenlänge geteilt durch die sogenannte Baseline, also den Abstand der beteiligten Antennenschüsseln. Man muss also die Wellenlänge so klein wie möglich machen und die Baseline so groß wie möglich. Das EHT misst Strahlung der Wellenlänge 1,3 Millimeter. Dann ist die erforderliche Basislinie der Durchmesser der Erde.

          Daher stehen die beteiligten Schüsseln auf verschiedenen Kontinenten. Aber warum reichen da nicht zwei: eine auf Hawaii, eine am Südpol?

          Weil man mit mehreren Teleskopen eine bessere Rekonstruktion des Bildes erhält. Wenn Sie zum Beispiel etwas mit dem Auge einer Fliege betrachten, dann wäre das Bild umso detailreicher, je mehr Facetten Ihnen zur Verfügung stehen. Die Auflösung eines Pixels wird zwar bestimmt durch den größten Abstand zwischen den Teleskopen, aber wenn man möglichst viele Pixel haben möchte, braucht man auch möglichst mehrere Teleskope.

          Schwarze Löcher : Dunklen Mächten auf der Spur

          Nun werden seit Jahrzehnten Teleskope auf verschiedenen Kontinenten im Verbund benutzt, um Bilder weit entfernter Radioquellen zu machen. Warum nimmt man sich erst jetzt das kompakte Objekt im Zentrum der Milchstraße vor?

          Den Unterschied macht die Wellenlänge, Millimeter statt Zentimeter. Die brauchen wir nicht nur, um die Auflösung zu erreichen, sondern auch, weil kürzere Radiowellen weniger von dem Plasma in der Umgebung des Objekts behindert werden. Aber dafür haben wir erst jetzt die erforderliche Technologie. Erst jetzt können wir so kleine Wellenlängen abtasten – und die anfallenden Datenmengen speichern. Sie sind so enorm, dass man sie an den einzelnen Teleskopstandorten aufzeichnen und die Festplatten dann per Flugzeug zu den Rechenzentren transportieren muss, wo sie korreliert werden. Würde man die Daten per Internet übertragen, würde das Jahre dauern.

          Die Antennen stehen auf vier Kontinenten – es ist zwangsläufig ein internationales Projekt ...

          Ja, und der europäische Teil besteht neben Beiträgen des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie und aus dem „Black Hole Cam“-Projekt, für das wir – das heißt Michael Kramer vom Bonner Max-Planck-Institut, Heino Falcke aus Nijmegen und ich hier in Frankfurt – vom European Research Council 14Millionen Euro bekommen haben.

          Um ein für alle Mal zu klären, ob das Schwarze Loch im galaktischen Zentrum wirklich eines ist?

          Wenn wir den Schatten sehen, also eine Region, die Licht einfängt, dann würde das einige der jetzt noch möglichen exotischen Objekte ausschließen. Nicht alle, aber die verbliebenen wären wirklich bizarr. Kaum noch jemand würde sie den sehr eleganten Schwarzen Löchern aus Einsteins Theorie vorziehen.

          Was würden wir noch aus den EHT-Bildern lernen, außer dass Einstein wohl wieder einmal recht hatte?

          Zum Beispiel, wie schnell sich das Schwarze Loch, nennen wie es jetzt mal so, dreht, und auch die Neigung der Drehachse. Im Rahmen unserer Black-Hole-Cam-Kollaboration sind wir aber insbesondere darauf aus, in der unmittelbaren Umgebung des Schwarzen Lochs Pulsare zu entdecken ...

          Also kompakte Überreste von Sternen, so groß wie Asteroiden, oder kleine Planeten, die schnell rotieren und stark magnetisch sind, weswegen sie regelmäßige Radioimpulse aussenden.

          Richtig. Pulsare sind unglaublich präzise Uhren. Wenn wir welche finden, die – das wäre optimal – in zehnfacher Distanz zum Ereignishorizont kreisen, dann können wir damit sehr genau die Krümmung von Raum und Zeit in der unmittelbaren Umgebung des Schwarzen Lochs vermessen und damit zum Beispiel seine Masse auf eine Sonnenmasse genau bestimmen. Solche Pulsare zu finden, das ist heute der heilige Gral der Radioastronomie.

          Wäre man damit vielleicht sogar in der Lage, theoretische Ideen zu testen, die über Einstein hinauswollen, um seine Gravitationstheorie mit der Quantenphysik zu vereinigen? Den Bemühungen um solch eine Theorie der Quantengravitation fehlt ja nicht zuletzt der empirische Input. Könnten die EHT-Beobachtungen hier ein wenig helfen?

          Darüber reden manche. Doch will man realistisch bleiben, muss man sagen: Diese Beobachtungen werden das nicht leisten. Dazu brauchten wir weitaus präzisere Messungen. Wenn wir Glück haben, können wir einige Theorien ausschließen, die sehr von Einstein abweichen.

          Wir würden aber zum Beispiel nichts lernen, womit sich das nicht zuletzt durch Stephen Hawking einer breiteren Öffentlichkeit bekanntgewordene „Informations-Paradox“ bei Schwarzen Löchern lösen ließe?

          Sicher nicht. Aber wir können erwarten, mehr darüber herauszufinden, was um den Ereignishorizont herum passiert. Etwa, wie es zu den enormen Masseausflüssen kommt, den sogenannten Jets, die aus den Zentren mancher anderer Galaxien herausschießen. Wir beobachten nämlich mit EHT nicht nur den Nabel unserer Milchstraße, sondern unter anderem auch den Zentralbereich der aktiven Galaxie M87. Der ist zwar tausendmal weiter weg, doch das kompakte Objekt dort ist tausendmal massiver.

          Wann gibt es dann zum ersten Mal ein Bild mit dem Schatten eines solchen Monsters?

          Die Messungen laufen bis Karfreitag, den 14. April. Aber die Korrelation wird dann eine ganze Weile dauern. Vor dem Herbst dürften wir keine Bilddaten zu sehen bekommen.

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