Das hier simulierte Schwarze Loch in der Mitte unserer Milchstraße ist das größte aus der Sicht der Erde. Das Event Horizon Telescope sollte in diesem Jahr ein erstes Bild davon veröffentlichen, wie der Event Horizont dieses zentralen Schwarzen Lochs aussieht. Der weiße Kreis repräsentiert den Schwarzschild-Radius des Schwarzen Lochs. (UTE KRAUS, PHYSIKBILDUNGSGRUPPE KRAUS, UNIVERSITÄT HILDESHEIM; HINTERGRUND: AXEL MELLINGER)

Der wissenschaftliche Durchbruch des Jahres 2019 zeigt uns den Ereignishorizont eines Schwarzen Lochs

Es wird der extremste Test für Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie sein, den es je gab. Und wir haben bereits die Daten.

Mit jedem Jahr wächst die Gesamtmenge an Wissen, die die Menschheit ansammelt, und wächst. Zu Beginn des Jahres 2015 hatte die Menschheit noch nie eine Gravitationswelle entdeckt. Gegenwärtig haben wir 11 entdeckt und erwarten, dass wir 2019 vielleicht Hunderte mehr finden werden. In den frühen neunziger Jahren wussten wir nicht, ob es Planeten außerhalb unseres eigenen Sonnensystems gab; Heute haben wir Tausende, von denen einige fast gut genug sind, um als erdähnlich angesehen zu werden.

Wir haben alle Partikel im Standardmodell gefunden. Wir haben entdeckt, dass sich das Universum nicht nur ausdehnt, sondern beschleunigt. Wir haben festgestellt, wie viele Galaxien sich im Universum befinden. Aber nächstes Jahr wird etwas Neues und Beispielloses passieren: Wir werden uns zum ersten Mal den Ereignishorizont eines Schwarzen Lochs vorstellen. Die Daten sind bereits in der Hand; Der Rest ist nur eine Frage der Zeit.

Schwarze Löcher sind ziemlich leicht zu erkennende Objekte, sobald Sie wissen, wonach Sie suchen. Es mag nicht intuitiv erscheinen, weil sie kein eigenes Licht ausstrahlen, aber sie haben drei todsichere Signaturen, mit denen wir wissen können, dass sie da sind.

  1. Schwarze Löcher erzeugen auf sehr kleinem Raum eine enorme Schwerkraft - eine Verzerrung / Krümmung des Raums. Wenn wir die Gravitationseffekte einer großen, kompakten Masse beobachten können, können wir auf die Existenz eines Schwarzen Lochs schließen und möglicherweise dessen Masse messen.
  2. Schwarze Löcher wirken sich stark auf die Umgebung aus. Jede Materie in der Nähe erfährt nicht nur intensive Gezeitenkräfte, sondern beschleunigt und erwärmt sich, wodurch sie Strahlung von außerhalb des Ereignishorizonts emittiert. Wenn wir diese Strahlung erfassen, können wir die Eigenschaften des Objekts rekonstruieren, das sie antreibt, was oft nur durch ein Schwarzes Loch erklärbar ist.
  3. Schwarze Löcher können inspirieren und verschmelzen, wodurch sie für kurze Zeit nachweisbare Gravitationswellen aussenden. Dies ist nur mit der neuen Wissenschaft der Gravitationswellenastronomie möglich.
Der vom Quasar GB 1428 am weitesten entfernte Röntgenstrahl im Universum hat von der Erde aus gesehen ungefähr die gleiche Entfernung und das gleiche Alter wie der Quasar S5 0014 + 81, in dem sich möglicherweise das größte bekannte Schwarze Loch im Universum befindet. Es wird angenommen, dass diese entfernten Giganten durch Fusionen oder andere Gravitationswechselwirkungen aktiviert werden, aber nur die Schwarzen Löcher mit den größten Masse-Distanz-Verhältnissen können sich vom Event Horizon Telescope auflösen. (Röntgen: NASA / CXC / NRC / C.CHEUNG ET AL; OPTISCH: NASA / STSCI; RADIO: NSF / NRAO / VLA)

Das Event Horizon Telescope zielt jedoch darauf ab, einen Schritt weiter zu gehen als jede dieser Methoden. Anstatt Messungen durchzuführen, die es uns ermöglichen, indirekt auf Eigenschaften eines Schwarzen Lochs zu schließen, geht es direkt zum Kern der Materie und plant, den Ereignishorizont eines Schwarzen Lochs direkt abzubilden.

Die Methode hierfür ist einfach und unkompliziert, aus technologischer Sicht jedoch bis vor kurzem nicht möglich. Der Grund dafür ist eine Kombination aus zwei wichtigen Faktoren, die in der Astronomie normalerweise Hand in Hand gehen: Auflösung und Lichtsammlung.

Da Schwarze Löcher so kompakte Objekte sind, müssen wir eine außerordentlich hohe Auflösung erreichen. Da wir jedoch nicht nach Licht selbst suchen, sondern nach Lichtmangel, müssen wir große Lichtmengen äußerst sorgfältig sammeln, um festzustellen, wo der Schatten des Ereignishorizonts wirklich liegt.

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. ('AUF DEM EREIGNISHORIZON - DAS SUPERMASSIVE SCHWARZE LOCH IM GALAKTISCHEN ZENTRUM', KLASSE. QUANTUM GRAV., FALCKE & MARKOFF (2013))

Herkömmlicherweise sollten ein Teleskop mit besserer Auflösung und ein Teleskop mit besserer Lichtsammelkraft dasselbe Teleskop sein. Die Auflösung Ihres Teleskops wird durch die Anzahl der Wellenlängen des Lichts definiert, die über die Schüssel Ihres Teleskops passen, sodass größere Teleskope eine höhere Auflösung haben.

Aus dem gleichen Grund wird die Menge an Licht, die Sie sammeln können, durch die Fläche Ihres Teleskops bestimmt. Alle Photonen, die auf das Teleskop treffen, werden gesammelt. Je größer Ihre Teleskopfläche ist, desto mehr Lichtsammelkraft haben Sie.

Der Grund, warum die Technologie ein begrenzender Faktor war, ist die Auflösung. Die Größe, die ein Schwarzes Loch zu haben scheint, ist proportional zu seiner Masse, aber umgekehrt proportional zu seiner Entfernung von uns. Um das größte Schwarze Loch aus unserer Sicht zu sehen - Schütze A *, das sich im Zentrum der Milchstraße befindet - ist ein Teleskop erforderlich, das ungefähr die Größe des Planeten Erde hat.

In der Nähe des supermassiven Schwarzen Lochs im Kern der Milchstraße wurde eine große Anzahl von Sternen entdeckt. Zusätzlich zu diesen Sternen und dem Gas und Staub, die wir finden, erwarten wir, dass es innerhalb weniger Lichtjahre nach Schütze A * mehr als 10.000 Schwarze Löcher gibt, aber ihre Entdeckung hatte sich bis Anfang 2018 als schwer fassbar erwiesen. Das zentrale Schwarze Loch wurde aufgelöst ist eine Aufgabe, der nur das Event Horizon Telescope gerecht werden kann. (S. SAKAI / A. GHEZ / WM KECK BEOBACHTUNG / UCLA GALACTIC CENTER GROUP)

Offensichtlich haben wir nicht die Ressourcen, um ein solches Gerät zu bauen! Aber wir haben das nächstbeste: die Fähigkeit, eine Reihe von Teleskopen zu bauen. Wenn Sie eine Reihe von Teleskopen haben, erhalten Sie nur die Lichtsammelkraft der einzelnen Teleskope, die alle zusammengerechnet werden. Wenn die Auflösung richtig ausgeführt wird, können Sie Objekte sehen, die so fein sind wie der Abstand zwischen den am weitesten entfernten Teleskopen.

Mit anderen Worten, die Lichtsammlung ist wirklich durch die Größe des Teleskops begrenzt. Wenn wir jedoch die Technik der Interferometrie mit langer Basislinie (oder deren Cousin, die Interferometrie mit sehr langer Basislinie) verwenden, kann die Auflösung erheblich verbessert werden, indem eine Reihe von Teleskopen mit einem großen Abstand zwischen ihnen verwendet wird.

Ein Blick auf die verschiedenen Teleskope, die von einer der Erdhalbkugeln aus zu den Bildgebungsfunktionen des Event Horizon Telescope beitragen. Die Daten von 2011 bis 2017 sollten es uns ermöglichen, jetzt ein Bild von Schütze A * und möglicherweise auch vom Schwarzen Loch in der Mitte von M87 zu erstellen. (APEX, IRAM, G. NARAYANAN, J. MCMAHON, JCMT / JAC, S. HOSTLER, D. HARVEY, ESO / C. MALIN)

Das Event Horizon Telescope ist ein Netzwerk von 15 bis 20 Teleskopen auf vielen verschiedenen Kontinenten der Erde, vom Südpol bis nach Europa, Südamerika, Afrika, Nordamerika, Australien und einer Reihe von Inseln im Pazifik. Insgesamt trennen bis zu 12.000 Kilometer die entferntesten Teleskope, die Teil des Arrays sind.

Dies entspricht einer Auflösung von nur 15 Mikrosekunden (μas). So klein würde uns eine Fliege hier auf der Erde erscheinen, wenn sie 400.000 Kilometer entfernt wäre: auf dem Mond.

Das zweitgrößte Schwarze Loch von der Erde aus gesehen, das im Zentrum der Galaxie M87, ist hier in drei Ansichten dargestellt. Trotz seiner Masse von 6,6 Milliarden Sonnen ist es über 2000 Mal weiter entfernt als Schütze A *. Es kann von der EHT gelöst werden oder nicht, aber wenn das Universum freundlich ist, erhalten wir schließlich ein Bild. (TOP, OPTISCH, HUBBLE SPACE TELESCOPE / NASA / WIKISKY; UNTER LINKS, RADIO, NRAO / SEHR GROSSER ARRAY (VLA); UNTER RECHTS, RÖNTGENSTRAHL, NASA / CHANDRA-RÖNTGEN-TELESKOP)

Natürlich gibt es auf dem Mond keine Fliegen, aber es gibt schwarze Löcher im Universum mit Winkelgrößen, die größer als 15 μas sind. Tatsächlich gibt es zwei davon: Schütze A * in der Mitte der Milchstraße und das Schwarze Loch in der Mitte von M87. Das Schwarze Loch im Zentrum von M87 befindet sich etwa 50 bis 60 Millionen Lichtjahre entfernt, hat jedoch eine Sonnenmasse von über 6 Milliarden und ist damit mehr als 1.000 Mal größer als das riesige Schwarze Loch unserer Galaxie.

Das Event Horizon Telescope nimmt diese enorme Anzahl von Radioteleskopen und beobachtet gleichzeitig diese Schwarzen Löcher. Auf diese Weise können wir ein hochauflösendes Bild von allem, was wir betrachten, rekonstruieren, solange genügend Licht gesammelt wird, um es zu sehen . Dieses Konzept wurde bereits mit einer Vielzahl von Observatorien demonstriert, wie beispielsweise dem Large Binocular Telescope, das es geschafft hat, ausbrechende Vulkane auf Jupiters Mond Io abzubilden, während es von einem anderen Jupitermond verdunkelt wurde!

Die Bedeckung von Jupiters Mond Io mit seinen ausbrechenden Vulkanen Loki und Pele, wie sie von Europa verdeckt wird, ist in diesem Infrarotbild unsichtbar. GMT bietet eine deutlich verbesserte Auflösung und Bildgebung. (LBTO)

Der Schlüssel, damit das Event Horizon Telescope funktioniert, besteht darin, sicherzustellen, dass wir genug Licht sammeln, um den Schatten des Event Horizonts des Schwarzen Lochs zu sehen, während wir das Licht, das von um und hinter ihm kommt, erfolgreich abbilden. Schwarze Löcher beschleunigen die Materie, denken Sie daran, und die Beschleunigung geladener Teilchen erzeugt sowohl Magnetfelder als auch - wenn geladene Teilchen in Gegenwart von Magnetfeldern beschleunigen - die Emission von Strahlung.

Am sichersten ist es, in den Funkbereich des Spektrums zu schauen, der den Teil mit der niedrigsten Energie darstellt. Von allen Schwarzen Löchern, die Materie beschleunigen, wird erwartet, dass sie Radiowellen aussenden, und wir haben sie sowohl vom Zentrum unserer Milchstraße als auch vom Zentrum von M87 aus gesehen. Der Unterschied besteht darin, dass wir bei diesen neuen, hohen Auflösungen in der Lage sein sollten, die „Leere“ zu erkennen, in der der Ereignishorizont selbst liegt.

Das Atacama Large Millimeter / Submillimeter Array, fotografiert mit den Magellanschen Wolken über dem Kopf. Eine große Anzahl von Gerichten, die als Teil von ALMA nahe beieinander liegen, hilft dabei, viele der detailliertesten Bilder in Bereichen zu erstellen, während eine geringere Anzahl von weiter entfernten Gerichten dazu beiträgt, Details an den hellsten Stellen zu verfeinern. (ESO / C. MALIN)

Die technologische Revolution, die die Erstellung dieser Bilder ermöglichen sollte, ist ALMA *: das Atacama Large Millimeter / Submillimeter Array. Ein unglaubliches Netzwerk von 66 Radioteleskopen, die alle selbst riesig sind (siehe oben), messen dieses langwellige Licht, um astronomische Details wie nie zuvor zu enthüllen. ALMA hat uns bereits Bilder der staubigen Scheiben um sich neu bildende Sterne gezeigt, mit Hinweisen darauf, dass sich die Säuglingsplaneten (als ringförmige Lücken in der Scheibe) im Inneren bilden. ALMA kann weit entfernte Galaxien auf eine überlegene Weise abbilden, die selbst Hubble enthüllen kann, und hat molekulare Gassignaturen und Innenrotationen gefunden.

Aber vielleicht ist sein größtes wissenschaftliches Geschenk all die Informationen, die es aus dem Licht um diese supermassiven Schwarzen Löcher sammelt. Erst jetzt ist es möglich, genügend (und die richtigen) Daten schnell genug aufzuschreiben und sie dann mit genügend Rechenleistung zusammenzuführen, um sie zu analysieren.

Zwei der möglichen Modelle, die bereits 2018 erfolgreich zu den Daten des Ereignishorizont-Teleskops passen. Beide zeigen einen außermittigen, asymmetrischen Ereignishorizont, der gegenüber dem Schwarzschild-Radius vergrößert ist, was mit den Vorhersagen von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie übereinstimmt. Ein vollständiges Bild wurde noch nicht für die breite Öffentlichkeit freigegeben. (R.-S. LU ET AL, APJ 859, 1)

Was bringt 2019, wenn alle 27 Petabyte Daten (von allen verschiedenen Observatorien, die diese Schwarzen Löcher betrachten), die zusammengeführt wurden, vollständig analysiert werden? Wird der Ereignishorizont so erscheinen, wie es die Allgemeine Relativitätstheorie vorhersagt? Es gibt einige unglaubliche Dinge zu testen:

  • ob das Schwarze Loch die richtige Größe hat, wie von der Allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagt,
  • 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.
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. (GRMHD-SIMULATIONEN DER SICHTBARKEIT AMPLITUDE VARIABILITÄT FÜR EREIGNIS-HORIZON-TELESKOP-BILDER VON SGR A *, L. MEDEIROS ET AL., ARXIV: 1601.06799)

Obwohl das Event Horizon Telescope-Team eine Struktur um das Schwarze Loch im Zentrum unserer Galaxie entdeckt hat, haben wir immer noch kein direktes Bild. Dies erfordert das Verständnis unserer Atmosphäre und der darin auftretenden Veränderungen, das Kombinieren der Daten und das Schreiben neuartiger Algorithmen, um sie gemeinsam zu verarbeiten. Es ist in Arbeit, aber in der ersten Hälfte des Jahres 2019 sollten die endgültigen, ersten Bilder eintreffen. Einige von uns haben dieses oder sogar letztes Jahr auf die Bilder gehofft, aber es ist sehr wichtig, dass wir uns die Zeit und die Sorgfalt nehmen, um es richtig zu machen.

Wenn diese Bilder endlich eintreffen, wird es keinen Zweifel mehr geben, ob Schwarze Löcher existieren und ob sie mit den Eigenschaften existieren, die Einsteins größte Theorie vorhersagt. 2019 wird das Jahr des Ereignishorizonts sein, und zum ersten Mal in der Geschichte werden wir endlich endgültig wissen, wie sie aussehen.

* - Vollständige Offenlegung: Der Autor wird im November 2019 eine Tour mit begrenztem Raum nach Chile durchführen, die einen Besuch bei ALMA beinhaltet, dem Teleskoparray, das maßgeblich zur Erfassung der Daten für dieses Bild beiträgt. (Plätze noch verfügbar.) Er erhielt keine externe Entschädigung für dieses Stück.

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.