Das am besten visualisierte Schwarze Loch von allen zeigt, wie im Film Interstellar dargestellt, einen vorhergesagten Ereignishorizont ziemlich genau für eine ganz bestimmte Klasse rotierender Schwarzer Löcher. Tief im Gravitationsbrunnen vergeht die Zeit für Beobachter mit einer anderen Geschwindigkeit als für uns weit außerhalb. Es wird erwartet, dass das Ereignishorizont-Teleskop zum ersten Mal die Emissionen rund um den Ereignishorizont eines Schwarzen Lochs direkt aufdeckt. (INTERSTELLAR / R. HURT / CALTECH)

6 Supermassive Fragen am Vorabend des Ereignisses Horizon Telescope's große Ankündigung

Wie soll ein Schwarzes Loch aussehen? Unsere theoretischen Vorhersagen stehen kurz vor unseren ersten Beobachtungen.

In der Wissenschaft gibt es keinen aufregenderen Moment, als wenn Sie eine langjährige theoretische Vorhersage mit den ersten Beobachtungs- oder experimentellen Ergebnissen konfrontieren. Anfang dieses Jahrzehnts enthüllte der Large Hadron Collider die Existenz des Higgs-Bosons, des letzten unentdeckten Grundpartikels im Standardmodell. Vor einigen Jahren hat die LIGO-Kollaboration Gravitationswellen direkt erfasst, was eine langjährige Vorhersage der Allgemeinen Relativitätstheorie von Einstein bestätigt.

Und in nur wenigen Tagen, am 10. April 2019, wird das Event Horizon Telescope eine mit Spannung erwartete Ankündigung machen, in der das erste Bild des Ereignishorizonts eines Schwarzen Lochs veröffentlicht werden soll. Zu Beginn der 2010er Jahre wäre eine solche Beobachtung technologisch unmöglich gewesen. Wir werden jedoch nicht nur sehen, wie ein Schwarzes Loch tatsächlich aussieht, sondern auch einige grundlegende Eigenschaften von Raum, Zeit und Schwerkraft testen.

Wenn Sie ein Objekt im Universum abbilden möchten, müssen Sie die folgenden zwei Herausforderungen bewältigen:

  1. Sie müssen genügend Licht sammeln, um Ihr Ziel zu sehen, und seine Details vor dem Hintergrundgeräusch sowohl Ihrer Instrumente als auch der anderen Objekte in der Nähe Ihres interessierenden Objekts offenlegen.
  2. Sie benötigen eine ausreichende Auflösung (oder ein ausreichendes Auflösungsvermögen), um die Struktur des betrachteten Objekts anzuzeigen. Andernfalls sind alle Ihre Daten auf ein Pixel beschränkt.

Wenn Sie also den Ereignishorizont eines Schwarzen Lochs abbilden möchten, müssen Sie sowohl genügend Licht sammeln, damit sich die Strahlung um das Schwarze Loch vom Rest der Umgebung abhebt, als auch Winkelskalen untersuchen, die schmaler als der Durchmesser des Ereignisses sind Horizont selbst.

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 veröffentlicht, wird jedoch in wenigen Tagen im Jahr 2019 erwartet. (R.-S. LU ET AL, APJ 859, 1)

Die einzige Möglichkeit, beides zu tun, besteht in einer riesigen, hochempfindlichen Reihe von Radioteleskopen, die die größten schwarzen Löcher in Bezug auf die Winkelgröße beobachten, die von der Erde aus sichtbar sind. Je massiver Ihr Schwarzes Loch ist, desto größer ist der Durchmesser seines Ereignishorizonts, aber es erscheint je nach Entfernung kleiner. Das heißt, das größte Schwarze Loch wird Schütze A * sein, das supermassive im Zentrum der Milchstraße, während das zweitgrößte das ultramassive im Zentrum der etwa 60 Millionen Lichtjahre entfernten Galaxie M87 sein wird.

Single-Dish-Radioteleskope sind möglicherweise in der Lage, die Emissionen von beiden zu erfassen - dh sie verfügen über eine ausreichende Lichtsammelkraft -, können jedoch den Ereignishorizont nicht auflösen. Aber eine Reihe von Teleskopen, die alle gemeinsam das Ziel beobachten, können uns dorthin bringen.

Ein Blick auf die verschiedenen Teleskope von einer der Erdhalbkugeln aus, die zur Bildgebung des Event Horizon Telescope beitragen. Die Daten von 2011 bis 2017 (insbesondere 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)

Schwarze Löcher sollten von Materie umgeben sein, die sich langsam verschlingt. Dieses Material wird über die Außenseiten des Schwarzen Lochs gestreut, dreht sich herum, erwärmt sich und emittiert Strahlung, wenn es hineinfällt. Diese Strahlung sollte in den Funkbereich des Spektrums kommen und für ein ausreichend empfindliches Teleskoparray beobachtbar sein.

Das Event Horizon Telescope (EHT) ist genau das Funkarray, das wir benötigen - mit den erstaunlichsten Fortschritten, die sich aus der Einbeziehung von ALMA in Südamerika ergeben -, um nicht nur die Funkinformationen zu sammeln, sondern auch diese übermäßige Auflösung zu erzielen. Das EHT besteht aus Dutzenden einzelner Schalen mit genügend kombinierter Lichtsammelkraft, um die das Schwarze Loch umgebende Strahlung freizulegen, wobei die Abstände zwischen den Schalen die Auflösung liefern, die erforderlich ist, um die fraglichen Ereignishorizonte selbst abzubilden.

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. Das Hinzufügen von ALMA zum Ereignishorizont-Teleskop ermöglicht die Erstellung eines Bildes des Ereignishorizonts. (ESO / C. MALIN)

Wir haben diese Technik der Interferometrie mit langer Basislinie bereits verwendet, um Details aufzudecken, die selbst mit einem riesigen Einzelschalenteleskop unsichtbar wären. Solange die Merkmale, die Sie beobachten möchten, hell genug sind und in den Teleskopen angezeigt werden, mit denen Sie die Beobachtungen gleichzeitig aufnehmen, können Sie Bildauflösungen erzielen, die dem Abstand zwischen den Teleskopen und nicht dem Durchmesser von entsprechen die einzelnen Teleskope selbst.

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)

Am spektakulärsten ist, dass Teleskop-Arrays bisher verwendet wurden, um ausbrechende Vulkane auf der Oberfläche von Jupiters Mond Io abzubilden, selbst in dem Moment, in dem Io in den Schatten eines anderen Jupitermondes fällt.

Das EHT verwendet genau dieses Konzept, um die Strahlung zu untersuchen, die von den Schwarzen Löchern mit den größten Winkeldurchmessern von der Erde aus kommt. Hier sind die sechs Dinge, die wir lernen werden, wenn die ersten Bilder veröffentlicht werden.

Das hier simulierte Schwarze Loch in der Mitte unserer Milchstraße ist das größte aus der Sicht der Erde. Das Ereignishorizont-Teleskop sollte am 10. April 2019 sein erstes Bild davon veröffentlichen, wie der Ereignishorizont dieses zentralen Schwarzen Lochs aussieht, während das im Zentrum von M87, dem zweitgrößten, ebenfalls mit dieser Technologie sichtbar sein könnte . Der weiße Kreis repräsentiert den Schwarzschild-Radius des Schwarzen Lochs, während der dunkle Bereich aufgrund der Instabilität der Umlaufbahnen um ihn herum emissionsfrei sein sollte. (UTE KRAUS, PHYSIKBILDUNGSGRUPPE KRAUS, UNIVERSITÄT HILDESHEIM; HINTERGRUND: AXEL MELLINGER)

1.) Haben Schwarze Löcher die richtigen Größen, die die Allgemeine Relativitätstheorie vorhersagt? Nach Einsteins Theorie, basierend auf der gemessenen Gravitationsmasse des Schwarzen Lochs im Zentrum der Milchstraße, sollte der Ereignishorizont selbst einen Durchmesser von 11 Mikrobogensekunden (μas) haben, es sollten jedoch keine Emissionen innerhalb von 37 μas auftreten Aufgrund der Tatsache, dass innerhalb dieses Winkeldurchmessers die Materie schnell in Richtung der Singularität spiralförmig sein sollte. Mit einer Auflösung von 15 μas sollte der EHT in der Lage sein, einen Horizont zu sehen und zu messen, ob die Größe unseren Vorhersagen entspricht oder nicht. Es wird ein fabelhafter Test der Allgemeinen Relativitätstheorie sein.

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))

2.) Sind die Akkretionsscheiben auf das Schwarze Loch, die Wirtsgalaxie oder zufällig ausgerichtet? Wir haben noch nie zuvor eine Akkretionsscheibe beobachtet, und tatsächlich kommt der einzige wirkliche Hinweis auf die Ausrichtung der Materie um die Schwarzen Löcher aus den Fällen, in denen entweder:

  • Es gibt einen ausgestrahlten Strahl, den wir vom Schwarzen Loch aus erkennen können.
  • oder es kommt eine erweiterte Emission aus der umliegenden Region.

Keine dieser Beobachtungen ersetzt jedoch eine direkte Messung. Wenn diese ersten Bilder herauskommen, sollte das EHT in der Lage sein, uns zu sagen, ob die Akkretionsscheibe kantenförmig, frontal oder in einer anderen Ausrichtung ist.

Einige der möglichen Profilsignale des Ereignishorizonts des Schwarzen Lochs, wie Simulationen des Ereignishorizonten-Teleskops zeigen. (HIGH-ANGULAR-RESOLUTION UND HIGH-EMPFINDLICHKEITSWISSENSCHAFT VON BEAMFORMED ALMA, V. FISH ET AL., ARXIV: 1309.3519)

3.) Ist der Ereignishorizont eines Schwarzen Lochs wie vorhergesagt kreisförmig oder nimmt er eine andere Form an? Obwohl erwartet wird, dass sich alle physikalisch realistischen Schwarzen Löcher bis zu einem gewissen Grad drehen, wird vorausgesagt, dass die Form des Ereignishorizonts nicht von der einer perfekten Kugel zu unterscheiden ist.

Es sind aber auch andere Formen möglich. Einige Objekte wölben sich entlang ihrer Äquatoren, wenn sie sich drehen, und erzeugen eine Form, die als abgeflachte Sphäriode bekannt ist, wie beispielsweise der Planet Erde. Andere kriechen entlang ihrer Rotationsachsen hoch, was zu einer fußballähnlichen Form führt, die als prolateraler Sphäroid bekannt ist. Wenn die Allgemeine Relativitätstheorie korrekt ist, erwarten wir eine Kugel, aber es gibt keinen Ersatz dafür, die kritischen Beobachtungen selbst zu machen. Wenn die Bilder am 10. April erscheinen, sollten wir unsere Antworten haben.

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, aber auch, wie sie je nach Turbulenz, Magnetfeldstärke usw. im Detail unterschiedlich aussehen können. (GRMHD-SIMULATIONEN DER SICHTBARKEIT AMPLITUDE VARIABILITÄT FÜR EVENT HORIZON TELESCOPE IMAGES OF SGR A *, L. MEDEIROS ET AL., ARXIV: 1601.06799)

4.) Warum flackern Schwarze Löcher? Wenn sich ein Schwarzes Loch in einem nicht aufflammenden Zustand befindet, gibt es bestimmte Signaturen, von denen wir erwarten, dass sie am Ereignishorizont angezeigt werden. Aber wenn ein Schwarzes Loch aufflackert, gibt es verschiedene Merkmale, die die Strahlung, die es umgibt, aufweist.

Aber wie werden diese Emissionen aussehen? Wird es jederzeit turbulente Funktionen auf der Festplatte geben? Wird es, wie vorhergesagt, „Hot Spots“ geben, die im aufflammenden Zustand am sichtbarsten sind? Wenn wir Glück haben und eine dieser Signaturen sehen, sind wir vielleicht auf dem besten Weg zu erfahren, warum Schwarze Löcher aufflammen, indem wir nur die ausgedehnten Funkemissionen beobachten, die sie umgeben. Basierend auf diesen Beobachtungen sollten wir auch zusätzliche Informationen über die Stärke der Magnetfelder erhalten, die diese Schwarzen Löcher umgeben.

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 aufgelöst werden oder nicht, aber wenn das Universum freundlich ist, erhalten wir nicht nur ein Bild, sondern erfahren auch, ob die Röntgenemissionen genaue Massenschätzungen für Schwarze Löcher liefern oder nicht. (TOP, OPTISCH, HUBBLE SPACE TELESCOPE / NASA / WIKISKY; UNTER LINKS, RADIO, NRAO / SEHR GROSSER ARRAY (VLA); UNTER RECHTS, RÖNTGENSTRAHL, NASA / CHANDRA-RÖNTGEN-TELESKOP)

5.) Sind die Röntgenschätzungen der Masse eines Schwarzen Lochs auf niedrigere Werte ausgerichtet? Gegenwärtig gibt es zwei Möglichkeiten, auf die Masse eines Schwarzen Lochs zu schließen: aus der Messung seiner Gravitationseffekte auf Sterne (und andere Objekte), die es umkreisen, und aus den (Röntgen-) Emissionen des Gases, das es umkreist. Wir können die gasbasierten Messungen für die meisten Schwarzen Löcher leicht durchführen, einschließlich der Messungen im Zentrum der Milchstraße, die eine Masse von ungefähr 2,5 bis 2,7 Millionen Sonnenmassen ergeben.

Die Gravitationsmessung ist jedoch weitaus direkter, obwohl sie eine größere Herausforderung für die Beobachtung darstellt. Trotzdem haben wir es in unserer eigenen Galaxie getan und auf eine Masse von ungefähr 4 Millionen Sonnenmassen geschlossen: ungefähr 50% höher als die Röntgenbeobachtung anzeigt. Wir gehen davon aus, dass dies die Größe des von uns gemessenen Ereignishorizonts sein wird. Wenn die Messungen von M87 einen höheren Wert zeigen, als die Röntgenemission anzeigt, können wir feststellen, dass die Röntgenschätzungen systematisch niedrig sind, was zeigt, dass neue Astrophysik (aber keine neue Grundlagenphysik) im Spiel ist.

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 geben wird, aber ihre Entdeckung hatte sich bis Anfang 2018 als schwer fassbar erwiesen. Das zentrale Schwarze Loch wurde aufgelöst ist eine Aufgabe, zu der nur das Event Horizon Telescope aufsteigen kann und die seine Bewegung im Laufe der Zeit möglicherweise noch erkennt. (S. SAKAI / A. GHEZ / WM KECK BEOBACHTUNG / UCLA GALACTIC CENTER GROUP)

6.) Können wir sehen, dass das Schwarze Loch wie vorhergesagt im Laufe der Zeit „zittert“? Dieses kommt möglicherweise nicht sofort heraus, insbesondere wenn wir aus diesen ersten Beobachtungen nur ein einzelnes Bild von einem oder zwei Schwarzen Löchern erhalten. Eines der wissenschaftlichen Ziele des EHT ist es jedoch zu beobachten, wie sich Schwarze Löcher mit der Zeit entwickeln, was bedeutet, dass sie mehrere Bilder zu unterschiedlichen Zeiten aufnehmen und einen Film dieser Schwarzen Löcher rekonstruieren möchten.

Aufgrund des Vorhandenseins von Sternen und anderen Massen ändert sich die scheinbare Position des Schwarzen Lochs im Laufe der Zeit erheblich, da es durch die Schwerkraft herumgeschoben wird. Obwohl es wahrscheinlich Jahre dauern wird, bis sich ein Schwarzes Loch in nennenswertem Umfang bewegt, haben wir Daten, die über einen langen Zeitraum hinweg erfasst wurden. In den Zentren von Galaxien können EHT-abgebildete Schwarze Löcher Anzeichen dieses Jitters aufweisen: das kosmische Äquivalent der Brownschen Bewegung.

Das supermassereiche Schwarze Loch im Zentrum unserer Galaxie, Schütze A *, flackert in Röntgenstrahlen hell auf, wenn Materie verschlungen wird. In anderen Wellenlängen des Lichts, vom Infrarot bis zum Radio, können wir die einzelnen Sterne in diesem innersten Teil der Galaxie sehen. (Röntgen: NASA / UMASS / D. Wang et al., IR: NASA / STSCI)

Die kritischen Beobachtungen für die Erstellung des ersten Bildes eines Schwarzen Lochs, vorausgesetzt, die EHT veröffentlicht eines der Schwarzen Löcher im Zentrum der Milchstraße, wurden bereits vor zwei Jahren aufgenommen. Es hat so lange gedauert, die gesamte Datenreihe zu analysieren, zu bereinigen, zu schneiden, anzupassen und zu synthetisieren, was für die kritische Beobachtung etwa 27 Petabyte entspricht. (Obwohl nur etwa 15% dieser Daten für die Erstellung eines Bildes relevant und verwendbar sind.)

Am 10. April um 9 Uhr Eastern Time (6 Uhr Pacific Time) wird die EHT-Kollaboration eine Pressekonferenz abhalten, bei der das erste Bild eines Ereignishorizonts veröffentlicht werden soll, und es ist möglich, dass viele - oder möglicherweise sogar alle - von Diese Fragen werden beantwortet. Was auch immer die Ergebnisse sein mögen, dies ist ein monumentaler Schritt vorwärts für Physik und Astrophysik und läutet eine neue Ära der Wissenschaft ein: direkte Tests und Bilder des Ereignishorizonts eines Schwarzen Lochs selbst!

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.