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Schwarzes Loch : Zwei Jahre bis zum Bild

Das Schwarze Loch befindet sich im Zentrum der Galaxie Messier 87 Bild: Event Horizon Telescope/dpa

Die Beobachtung mit dem „Event Horizon Telescope“ ist ein internationaler Erfolg. Zum ersten Mal konnten Wissenschaftler ein Schwarzes Loch direkt visuell nachweisen. Doch der Schnappschuss wurde lange Zeit im Voraus geplant.

          Das „Event Horizon Telescope“ (EHT) hat das erste Bild des „Schattens“ eines Schwarzen Lochs aufgenommen. Das Resultat ist aus vielen Gründen bemerkenswert. An seiner Entstehung wirkten acht Observatorien in Nord- und Südamerika, der Antarktis und Europa mit. Auf europäischem Boden nahm das 30-Meter-Teleskop des Instituts für Radioastronomie im Millimeterbereich (Iram) auf dem spanischen Pico Veleta teil, zu dessen Trägerorganisationen die Max-Planck-Gesellschaft zählt.

          Sibylle Anderl

          Redakteurin im Feuilleton.

          Nach Jahren der Vorbereitung des internationalen Großprojekts wurden im April 2017 die ersten Beobachtungen vorgenommen, die dem nun zwei Jahre später veröffentlichten Bild zugrunde liegen. Da die empfangene Strahlung bei einer Wellenlänge von 1,3 Millimetern stark von der Erdatmosphäre und insbesondere von dem dort existierenden Wasserdampf beeinflusst wird, war dafür an allen Standorten gleichzeitig exzellentes – heißt: absolut trockenes – Wetter notwendig.

          Die angewandte Beobachtungsmethode wird als Interferometrie bezeichnet. Dabei werden die Daten mehrerer Teleskope so miteinander kombiniert, dass ein großes Teleskop mit einem Durchmesser simuliert wird, der dem maximalen Abstand zwischen je zweien der teilnehmenden Einzelteleskope entspricht. Im Fall des EHT resultierte daraus ein virtuelles Teleskop mit einem Durchmesser von rund 8000 Kilometern, fast so groß wie die Erde. Die technisch anspruchsvolle Kombination der Daten wurde zu einem großen Teil vom Bonner Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR) übernommen.

          Das Bild trotz blinder Flecken erkennen

          Aus mindestens zwei Gründen gilt die Methode der Interferometrie als eine der schwierigsten der Astronomie: Zum einen wird das zu beobachtende Bild – für uns Menschen wenig intuitiv – in Frequenzen zerlegt: großskalige Details entsprechen dabei niedrigen Frequenzen, feine Details hohen. Jedes Paar von Teleskopen ist empfindlich und zuständig für eine dieser Raumfrequenzen. Gleichzeitig, und das ist die eigentliche methodische Herausforderung, können von einem Interferometer nicht alle Frequenzen aufgezeichnet werden.

          Das Schwarze Loch befindet sich im Zentrum der Galaxie Messier 87 Öffnen

          Der Grund liegt anschaulich darin, dass die Fläche des simulierten Riesenteleskops nur sehr sparsam mit realen Teleskopen bedeckt ist und damit Information verlorengeht. Es ist, als würde man ein Lied auf einem Klavier mit zahlreichen defekten Tasten spielen. Die Aufzeichnung der Beobachtungsdaten ist daher Grundlage einer aufwendigen Datenbearbeitung, die zum Ziel hat, die fehlende Information zu rekonstruieren – in der Analogie: das Lied trotz der fehlenden Töne zu erkennen.

          Diese Aufgabe, dasjenige Bild zu ermitteln, das angesichts der vorliegenden unvollständigen Beobachtungsdaten am wahrscheinlichsten die zugrunde liegende Quelle abbildet, wird von komplexen Algorithmen übernommen. Um die hierbei auftretenden Unsicherheiten zu verstehen, hat das aus dreizehn Partnerorganisationen bestehende EHT-Konsortium viele verschiedene Varianten der Bilderzeugung durchgespielt: Vier verschiedene Gruppen von Astronomen leiteten voneinander unabhängig aus den Rohdaten das resultierende Bild ab, außerdem erstellte eine automatisierte Prozedur eine große Zahl von Bildern mit Hilfe verschiedener Software-Pakete und leicht voneinander abweichender Einstellungen. Das Resultat: Der beobachtete asymmetrische Ring ist weitgehend unabhängig von Details der Datenbearbeitung. Das Bild des Schattens erscheint somit zuverlässig.

          6,5 Milliarden Mal so schwer wie unsere Sonne

          Bei der Interpretation des Bildes kommt schließlich komplexe theoretische Modellierung zum Einsatz. Sie zeigt, wie sich verschiedene Eigenschaften des supermassereichen Schwarzen Lochs jeweils auf seine beobachtbare Erscheinung auswirken. Eine Vielzahl solcher Modelle wurden unter Leitung von Luciano Rezzolla an der Goethe-Universität Frankfurt entwickelt. Er und sein Team sind Teil des Projektes „BlackHoleCam“, das durch den Europäischen Forschungsrat gefördert wird und als weitere Partner die Radboud University Nijmegen und das MPIfR umfasst.

          Der Vergleich der Beobachtung mit Simulationen wie denen aus Frankfurt ermöglichte es, die Eigenschaften des Schwarzen Lochs im Zentrum der elliptischen Galaxie M87 abzuleiten: Von der Erde aus gesehen, rotiert es demnach im Uhrzeigersinn und besitzt eine Masse von rund 6,5 Milliarden Sonnenmassen.

          Die Übereinstimmung zwischen der Beobachtung und den theoretischen Vorhersagen sei verblüffend, berichtet MPIfR-Direktor Anton Zensus. Das Frankfurter Simulations-Projekt stellt außerdem Modelle bereit, mit denen ausgeschlossen werden soll, dass etwas anderes als ein Schwarzes Loch – ein anderes kompaktes Objekt wie beispielsweise ein exotischer Bosonenstern – der Beobachtung zugrunde liegen könnte.

          Die Möglichkeit, Schwarze Löcher im Zentrum von Galaxien direkt zu beobachten, öffnet der Astronomie nun ein neues Fenster für das Studium dieser extremen Objekte, das sich komplementär zu bestehenden Methoden verhält. Unser Verständnis Schwarzer Löcher wird davon massiv profitieren.

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