Das Schwarze Loch zeigt, wie im Film Interstellar dargestellt, einen Ereignishorizont für eine ganz bestimmte Klasse rotierender Schwarzer Löcher ziemlich genau. Bildnachweis: Interstellar / R. Hurt / Caltech.

2018 wird das Jahr sein, in dem die Menschheit direkt unser erstes Schwarzes Loch "sieht"

Das Event Horizon Telescope ist online gegangen und hat seine Daten erfasst. Jetzt warten wir auf die Ergebnisse.

Schwarze Löcher sind einige der unglaublichsten Objekte im Universum. Es gibt Orte, an denen sich so viel Masse in einem so kleinen Volumen angesammelt hat, dass die einzelnen Materieteilchen nicht so bleiben können, wie sie normalerweise sind, sondern zu einer Singularität zusammenfallen. Um diese Singularität herum befindet sich eine kugelförmige Region, die als Ereignishorizont bekannt ist und aus der nichts entweichen kann, selbst wenn sie sich mit der maximalen Geschwindigkeit des Universums bewegt: der Lichtgeschwindigkeit. Obwohl wir drei verschiedene Wege kennen, um Schwarze Löcher zu bilden, und für Tausende von Beweisen Beweise gefunden haben, haben wir nie einen direkt abgebildet. Trotz allem, was wir entdeckt haben, haben wir noch nie den Ereignishorizont eines Schwarzen Lochs gesehen oder sogar bestätigt, dass sie wirklich einen hatten. Nächstes Jahr wird sich dies ändern, da die ersten Ergebnisse des Event Horizon Telescope veröffentlicht werden und eine der am längsten bestehenden Fragen der Astrophysik beantworten.

Die Standorte der geplanten Radiogerichte sind Teil des Event Horizon Telescope-Arrays. Bildnachweis: Event Horizon Telescope / Universität von Arizona.

Die Idee eines Schwarzen Lochs ist nichts Neues, da Wissenschaftler seit Jahrhunderten erkannt haben, dass man sich mit zunehmender Geschwindigkeit in einem bestimmten Volumen immer schneller bewegen muss, um aus dem von ihm erzeugten Gravitationsbrunnen zu entkommen. Da es eine maximale Geschwindigkeit gibt, mit der sich jedes Signal ausbreiten kann - die Lichtgeschwindigkeit -, erreichen Sie einen Punkt, an dem alles aus diesem Bereich gefangen ist. Die Materie im Inneren wird versuchen, sich gegen den Zusammenbruch der Gravitation zu stützen, aber alle krafttragenden Teilchen, die sie zu emittieren versucht, werden in Richtung der zentralen Singularität gebogen. Es gibt keine Möglichkeit, einen Druck nach außen auszuüben. Infolgedessen ist eine Singularität unvermeidlich, umgeben von einem Ereignishorizont. Was fällt in den Ereignishorizont? Auch gefangen; Innerhalb des Ereignishorizonts führen alle Wege zur zentralen Singularität.

Eine Darstellung eines aktiven Schwarzen Lochs, das Materie ansammelt und einen Teil davon in zwei senkrechten Strahlen nach außen beschleunigt, kann das Schwarze Loch im Zentrum unserer Galaxie in vielerlei Hinsicht beschreiben. Bildnachweis: Mark A. Garlick.

Praktisch gibt es drei Mechanismen, die wir kennen, um echte, astrophysikalische Schwarze Löcher zu erzeugen.

  1. Wenn ein ausreichend massereicher Stern seinen Brennstoff verbrennt und zur Supernova wird, kann der zentrale Kern implodieren und ein wesentliches Fragment des Sterns vor der Supernova in ein Schwarzes Loch umwandeln.
  2. Wenn zwei Neutronensterne verschmelzen und ihre kombinierte Masse nach dem Zusammenschluss mehr als etwa 2,5 bis 2,75 Sonnenmassen beträgt, entsteht ein Schwarzes Loch.
  3. Und wenn entweder ein massereicher Stern oder eine Gaswolke direkt zusammenbrechen kann, entsteht auch ein Schwarzes Loch, in dem 100% der ursprünglichen Masse in das endgültige Schwarze Loch gelangen.
Das Kunstwerk, das einen einfachen schwarzen Kreis darstellt, vielleicht mit einem Ring, ist ein stark vereinfachtes Bild davon, wie ein Ereignishorizont aussieht. Bildnachweis: Victor de Schwanberg.

Im Laufe der Zeit können Schwarze Löcher weiterhin Materie verschlingen und sowohl an Masse als auch an Größe entsprechend wachsen. Wenn Sie die Masse Ihres Schwarzen Lochs verdoppeln, verdoppelt sich auch dessen Radius. Wenn Sie es verzehnfachen, erhöht sich der Radius ebenfalls um den Faktor zehn. Dies bedeutet, dass mit zunehmender Masse - wenn Ihr Schwarzes Loch wächst - der Ereignishorizont immer größer wird. Da ihm nichts entgehen kann, sollte der Ereignishorizont als schwarzes „Loch“ im Raum erscheinen und das Licht von allen dahinter liegenden Objekten blockieren, was durch die Gravitationsbiegung des Lichts aufgrund der Vorhersagen der Allgemeinen Relativitätstheorie verstärkt wird. Insgesamt erwarten wir, dass der Ereignishorizont aus unserer Sicht 250% so groß erscheint, wie es die Massenvorhersagen implizieren würden.

Ein Schwarzes Loch ist nicht nur eine Masse, die über einem isolierten Hintergrund liegt, sondern zeigt Gravitationseffekte, die das Hintergrundlicht aufgrund von Gravitationslinsen dehnen, vergrößern und verzerren. Bildnachweis: Ute Kraus, Physik-Bildungsgruppe Kraus, Universität Hildesheim; Axel Mellinger (Hintergrund).

Wenn wir all dies berücksichtigen, können wir alle bekannten Schwarzen Löcher betrachten, einschließlich ihrer Massen und wie weit sie entfernt sind, und berechnen, welches das größte von der Erde sein sollte. Der Gewinner? Schütze A *, das Schwarze Loch im Zentrum unserer Galaxie. Seine kombinierten Eigenschaften, „nur“ 27.000 Lichtjahre entfernt zu sein und dennoch eine spektakulär große Masse zu erreichen, die 4.000.000 Mal so groß ist wie die der Sonne, machen es zur Nummer 1. Interessanterweise ist das Schwarze Loch, das # 2 trifft, das zentrale Schwarze Loch von M87: die größte Galaxie im Virgo-Cluster. Obwohl es über 6 Milliarden Sonnenmassen sind, liegt es etwa 50 bis 60 Millionen Lichtjahre entfernt. Wenn Sie einen Ereignishorizont sehen möchten, ist unser eigenes galaktisches Zentrum der richtige Ort für Sie.

Einige der möglichen Profilsignale des Ereignishorizonts des Schwarzen Lochs, wie Simulationen des Ereignishorizonten-Teleskops zeigen. Bildnachweis: Wissenschaft mit hoher Winkelauflösung und hoher Empfindlichkeit, ermöglicht durch Beamformed ALMA, V. Fish et al., ArXiv: 1309,3519.

Wenn Sie ein Teleskop von der Größe der Erde hätten und nichts zwischen uns und dem Schwarzen Loch, um das Licht zu blockieren, könnten Sie es sehen, kein Problem. Einige Wellenlängen sind für die dazwischenliegende galaktische Materie relativ transparent. Wenn Sie also langwelliges Licht wie Radiowellen betrachten, können Sie möglicherweise den Ereignishorizont selbst sehen. Jetzt haben wir kein Teleskop von der Größe der Erde, aber wir haben eine Reihe von Radioteleskopen auf der ganzen Welt und die Techniken, diese Daten zu kombinieren, um ein einziges Bild zu erzeugen. Das Event Horizon Telescope bringt das Beste unserer aktuellen Technologie zusammen und sollte es uns ermöglichen, unser erstes Schwarzes Loch zu sehen.

Ein Blick auf die verschiedenen Teleskope, die von einer der Erdhalbkugeln aus zu den Bildgebungsfunktionen des Event Horizon Telescope beitragen. Im April wurden Daten aufgenommen, die die Erkennung (oder Nichterkennung) eines Ereignishorizonts um Schütze A * innerhalb des nächsten Jahres ermöglichen sollten. Bildnachweis: APEX, IRAM, G. Narayanan, J. McMahon, JCMT / JAC, S. Hostler, D. Harvey, ESO / C. Malin.

Anstelle eines einzelnen Teleskops sind weltweit 15 bis 20 Radioteleskope angeordnet, die gleichzeitig dasselbe Ziel beobachten. Mit bis zu 12.000 Kilometern Abstand zwischen den am weitesten entfernten Teleskopen können Objekte mit einer Größe von nur 15 Mikrosekunden (μas) aufgelöst werden: die Größe einer Fliege auf dem Mond. Angesichts der Masse und Entfernung von Schütze A * erwarten wir, dass dieser mehr als doppelt so groß erscheint wie diese Zahl: 37 μas. Bei Radiofrequenzen sollten wir viele geladene Teilchen sehen, die durch das Schwarze Loch beschleunigt werden, aber es sollte eine „Leere“ geben, in der der Ereignishorizont selbst liegt. Wenn wir die Daten richtig kombinieren können, sollten wir zum ersten Mal ein Bild eines Schwarzen Lochs erstellen können.

Fünf verschiedene Simulationen in der allgemeinen Relativitätstheorie unter Verwendung eines magnetohydrodynamischen Modells der Akkretionsscheibe des Schwarzen Lochs und wie das Funksignal als Ergebnis aussehen wird. Beachten Sie die eindeutige Signatur des Ereignishorizonts in allen erwarteten Ergebnissen. Bildnachweis: GRMHD-Simulationen der Variabilität der Sichtbarkeitsamplitude für Event Horizon Telescope-Bilder von Sgr A *, L. Medeiros et al., ArXiv: 1601.06799.

Die Teleskope des Event Horizon Telescope haben letztes Jahr zum ersten Mal gleichzeitig Schütze A * beobachtet. Die Daten wurden zusammengeführt und werden derzeit vorbereitet und analysiert. Wenn alles wie geplant funktioniert, haben wir 2018 unser erstes Bild. Wird es so erscheinen, wie es die Allgemeine Relativitätstheorie vorhersagt? Es gibt einige unglaubliche Dinge zu testen:

  • ob das Schwarze Loch die richtige Größe hat, wie es die allgemeine Relativitätstheorie vorhersagt,
  • ob der Ereignishorizont kreisförmig ist (wie vorhergesagt) oder stattdessen abgeflacht oder erweitert wird,
  • ob die Funkemissionen weiter reichen als wir dachten oder
  • ob es andere Abweichungen vom erwarteten Verhalten gibt.
Die Ausrichtung der Akkretionsscheibe entweder auf der Vorderseite (linke zwei Felder) oder auf der Kante (rechte zwei Felder) kann das Erscheinungsbild des Schwarzen Lochs erheblich verändern. Bildnachweis: 'Auf dem Weg zum Ereignishorizont - das supermassereiche Schwarze Loch im Galaktischen Zentrum', Klasse. Quantum Grav., Falcke & Markoff (2013).

Was auch immer wir entdecken (oder nicht), wir sind bereit, einen unglaublichen Durchbruch zu erzielen, indem wir einfach unser erstes Bild eines Schwarzen Lochs konstruieren. Wir müssen uns nicht mehr auf Simulationen oder Künstlerkonzepte verlassen. Wir haben unser erstes aktuelles, datenbasiertes Bild, mit dem wir arbeiten können. Wenn es erfolgreich ist, ebnet es den Weg für noch längere Basisstudien. Mit einer Reihe von Radioteleskopen im Weltraum könnten wir unsere Reichweite von einem einzelnen Schwarzen Loch auf viele Hundert von ihnen ausweiten. Wenn 2016 das Jahr der Gravitationswelle und 2017 das Jahr der Neutronensternfusion war, dann ist 2018 das Jahr des Ereignishorizonts. Für jeden Fan von Astrophysik, Schwarzen Löchern und Allgemeiner Relativitätstheorie leben wir im goldenen Zeitalter. Was einst als „nicht testbar“ galt, ist plötzlich real geworden.

Starts With A Bang ist jetzt auf Forbes und dank unserer Patreon-Unterstützer auf Medium neu veröffentlicht. Ethan hat zwei Bücher verfasst, Beyond The Galaxy und Treknology: Die Wissenschaft von Star Trek von Tricorders bis Warp Drive.