Wie Data Science Selfie von einem Schwarzen Loch nahm.

******* POP-QUIZ **************************************************************************************************** Was Personen) von Ort A nach B? Option A: Breitbandverbindung Option B: Frachtflugzeug

Wie viele Personen und Zeitleisten sind erforderlich, um diese fünf Petabyte an Daten in ein fünf MB großes Image zu konvertieren, das auf Facebook viral wird? Option A: 200 Wissenschaftler und ein Jahrzehnt Option B: Ein Genie und ein Jahrhundert ***

Vor genau 100 Jahren, genau im Mai 1919, reiste eine Expedition englischer Wissenschaftler - angeführt von Sir Arthur Eddington - zur Insel Principe vor der Westküste Afrikas, um eine totale Sonnenfinsternis zu beobachten. Während der Sonnenfinsternis konnten Sterne am Rand der Sonne gesehen werden, während der Mond das Sonnenlicht blockierte.

Albert Einstein selbst war zu dieser Zeit relativ unbekannt. Er hatte 1915 die allgemeine Relativitätstheorie vorgeschlagen, und die Wissenschaftler waren von der völlig neuen Art des Denkens über die Schwerkraft fasziniert - zum Beispiel von der Idee, dass die Masse die Krümmung des Raums verursacht -, aber niemand hatte Einsteins Richtigkeit bewiesen.

Während dieser totalen Sonnenfinsternis schienen die Orte der Sterne verschoben zu sein, weil ihr Licht nicht auf einem geraden Pfad, sondern auf dem gekrümmten Raum um die Sonne zu uns wandern musste, wie von Einstein beschrieben.

Sir Arthur Eddington beobachtete die Biegung des Lichts um die Sonne und bewies damit Einsteins allgemeine Relativitätstheorie und katapultierte Einstein in den Ruhm eines Rockstars.

Während Karl Schwarzschild während des Ersten Weltkriegs in der deutschen Armee an der Front in Russland im Jahr 1915 diente, bot er die erste exakte Lösung für die Einstein-Feldgleichungen der allgemeinen Relativitätstheorie für den begrenzten Fall einer einzelnen kugelförmigen nicht rotierenden Masse .

Das führte zu einer Ableitung des Schwarzschild-Radius. Es gab Stellen in seinen neuen Gleichungen, die die Schwerkraft beschreiben, die durcheinander zu gehen schien. In ihnen war ein bizarrer Ort, an dem die Zeit stehen blieb und der Raum unendlich wurde. Die Existenz seltsamer Objekte, die als Singularitäten bekannt sind.

Zu dieser Zeit hielten viele Wissenschaftler, darunter auch Einstein, sie für zu seltsam, um ernsthaft recherchiert zu werden. Über die hundert Jahre Seitdem häufen sich jedoch Beweise dafür, dass Singularitäten in unserem Universum existieren. Als schwarze Löcher.

Jetzt, ein ganzes Jahrhundert später, machten sich Wissenschaftler erneut auf den Weg zu noch entlegeneren Orten auf vier Kontinenten. Sie stießen an die Grenzen des astronomischen Wissens und testeten dieselbe Theorie auf eine Weise, die Einstein und Schwarzschild sich niemals hätten vorstellen können.

Ihr Ziel: Ein Bild von einem Schwarzen Loch zu machen, etwas, das so ehrgeizig ist, dass es unmöglich schien… bis jetzt!

Ein Schwarzes Loch ist das mysteriöseste Objekt im Universum. Es ist, wenn die Materie auf so kleinem Raum sein wird und so dicht ist, dass die Schwerkraft verhindert, dass selbst Licht austritt. Das ist eine Einbahnstraße von unserem Universum.

Sie direkt zu sehen, blieb ein unmöglicher Traum. Um die notwendige Auflösung zu erreichen, um Schwarze Löcher direkt in einem einzelnen Teleskop zu sehen, müsste die Größe des Planeten Erde erreicht werden. Offensichtlich zu groß, um machbar zu sein. Stattdessen haben Astronomen jahrzehntelang untersucht, welche Auswirkungen Schwarze Löcher auf die Materie um sie herum haben. Aber der Traum, genauere Beweise für diese exotischen Objekte zu erhalten, war zu verlockend, um einfach vergessen zu werden. Wir alle verstehen mathematisch, dass es Schwarze Löcher gibt.

In den späten 1960er Jahren veränderte eine neue Technik die Astronomie. Sehr lange Basislinieninterferometrie (VLBI). Einfach ausgedrückt handelt es sich um ein virtuelles Teleskop mit höherer Auflösung, das durch Kombination von Daten von zwei oder mehr kleineren Teleskopen erstellt wird.

Es ermöglichte es mehreren Teleskopen, als Team zu beobachten, wie sie ein größeres virtuelles Teleskop entwickelten, das die Einschränkungen der Teleskopgröße überwinden konnte. Als sich diese Methode ausbreitete, wurde klar, dass die direkte Abbildung eines Schwarzen Lochs eine echte Möglichkeit war. 2009 wurde das Event Horizon Telescope-Projekt EHT ins Leben gerufen, um dieses aufregende Ziel zu verfolgen.

Die Event Horizon Telescope Collaboration ist eine Zusammenarbeit von Wissenschaftlern auf der ganzen Welt aus vielen verschiedenen Ländern, Kontinenten und Institutionen, um ein Teleskop auf die Größe der Erde zu bringen. Dies gibt uns die höchste Auflösung, die derzeit mit Teleskopen erreichbar ist. Es ist wie ein riesiges virtuelles Teleskop auf Steroiden. Die Sterioden waren hochpräzise Atomuhren zur Synchronisation der Daten, die diese einzelnen Teleskope erfassten.

Es war von Anfang an klar, dass jedes Team mit einzigartigen Hürden konfrontiert sein würde, aber Sehen ist Glauben und das Team war bestrebt, zum ersten Mal ein Schwarzes Loch aufzudecken.

Um es zu schaffen, wurden acht Teleskope auf der ganzen Welt miteinander verbunden. Zwei dieser Schlüsselfernrohre befinden sich auf dem Chajnantor-Plateau in Chile. Das Atacama Large Millimeter Sub Millimeter Array, bekannt als ALMA. Und das Atacama Pathfinder-Experiment, bekannt als APEX. Die anderen Teleskope, aus denen sich das EHT zusammensetzt, sind das IRAM 30-Meter-Teleskop in Spanien, das Large Millimeter-Teleskop in Mexiko, das Sub Millimeter-Teleskop in Arizona, das James Clerk Maxwell-Teleskop und das Sub Millimeter-Array in Hawaii. Und schließlich das Südpol-Teleskop in der Antarktis.

Zusammen können sie eine Lösung erreichen, die dem Lesen einer Zeitung in Paris entspricht, während sie in New York sitzen.

Die immensen Herausforderungen des Projekts wurden schnell klar. Die Teleskope, die alle für sich genommen hochentwickelte Instrumente waren, waren nicht dafür gebaut, zusammenzuarbeiten. Damit sie als ein einziges zusammengeschaltetes Interferenzmessgerät zusammenarbeiten konnten, war ein riesiges Team erforderlich. Dies sind Ingenieure, Beobachter, Theoretiker und sie arbeiten alle zusammen, um nicht nur den Ereignishorizont eines Schwarzen Lochs abzubilden, sondern auch um zu verstehen, was wir sehen. Das Projekt hatte mehr als 200 Wissenschaftler aus über 100 Institutionen zusammengebracht. Alle mussten beim Aufbau dieser brandneuen Organisation nach Gehör spielen.

Die Koordination eines so großen Teams auf der ganzen Welt war nur eine von vielen bedeutenden Herausforderungen. Mit einem Projekt, das neue Maßstäbe für menschlichen Einfallsreichtum setzt. Es gibt viel Spielraum, um etwas falsch zu machen. Und einer nach dem anderen. Sie taten. Geräteausfälle. Stromausfälle, nicht genügend Festplatten zum Speichern von Daten. Ob Sie es glauben oder nicht, irgendwann wurden einige der Wissenschaftler sogar während ihrer Beobachtungen mit vorgehaltener Waffe festgehalten. Bald befand sich das Projekt in einer schwierigen Lage. Die Standorte des Teleskops stellten auch große praktische Herausforderungen.

Die Umgebungen, in denen wir den Nachthimmel am besten beobachten können, sind oft die schwierigsten Orte, um Observatorien zu bauen, und die Teleskope des IHT bilden keine Ausnahme. Dort verteilen sich abgelegene Standorte auf vier Kontinente. Einschließlich Observatorien in der kargen chilenischen Atacama-Wüste. Auf einem Gefrierplateau in der Antarktis und auf einem schlafenden Vulkan in Hawaii. Alle diese Teleskope befinden sich weit entfernt von der Zivilisation, wo die Lichter der Stadt den Nachthimmel nicht verschmutzen. Aber für die Astronomen, die sich an die Teleskope wagten, um die Datenisolierung vorzunehmen, war dies das geringste Problem. Sehr trockene Orte in großer Höhe sind ideal für Beobachtungen, da sie verhindern, dass Wasserdampf in der Atmosphäre das Licht von astronomischen Objekten beeinträchtigt.

Alma und Apex befinden sich auf dem tschechischen Mentorenplateau auf 5000 Metern Höhe in der kargen chilenischen Atacama-Wüste. Ein Ort, der so unwirtlich ist, dass er als Testgelände für Marsrover dient, die hier arbeiten, musste Sauerstofftanks verwenden, da die Luft zu dünn ist, um zu atmen. Die Gefahren der Höhenkrankheit wurden auch von Beobachtern des James Clerk Maxwell Telescope und des Submillimeter-Arrays in der Nähe des Gipfels des schlafenden Vulkantrauers Keir an diesem exponierten Ort hoch über dem Meeresspiegel geteilt. Astronomen laufen Gefahr, stark zu dehydrieren und sich zu sonnen.

Auf der anderen Seite der Temperaturskala mussten Beobachter am Südpol-Teleskop in der Antarktis lange Zeit Temperaturen unter Null aushalten. Es gab einzigartige Herausforderungen. Im Winter geht die Sonne nie über den Horizont auf. Erstellen einer einzigen Nacht, die Monate dauert. Wunderbar für die Teleskope, aber es fordert einen psychologischen Tribut für den Menschen. In diesen feindlichen Regionen wurden schlaflose Nächte verbracht.

Nach fast einem Jahrzehnt der Vorbereitung war das EHT am 5. April 2017 endlich bereit, alle acht Teleskope als ein Instrument einzusetzen. Das IHT richtete sich erstmals gegen das gewählte Ziel M 87 star. Das Schwarze Loch im Zentrum der riesigen Galaxie. Messier 87 etwa 55 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt. Der Versuch, in das dunkle Herz einer Galaxie zu blicken. Dutzende Millionen Lichtjahre entfernt scheint eine seltsame Wahl zu sein. Es gibt viele schwarze Löcher näher zu Hause. Aber der Stern M 87 wurde sorgfältig ausgewählt.

Es hatte zwei große Vorteile. Es ist eines der größten Schwarzen Löcher, von dem bekannt ist, dass es den Astronomen eine bessere Chance bietet, es zu sehen, als kleinere Schwarze Löcher in unserer Nachbarschaft und nicht zu weit nördlich oder südlich am Himmel. Entscheidend, wenn Teleskope auf der ganzen Welt es gleichzeitig beobachten müssen. Wenn diese schlaflosen Nächte der Beobachtung ein Ende haben. Eine neue Arbeitsphase begann. Um herauszufinden, was sie gesehen hatten. Die Wissenschaftler mussten die Daten sorgfältig kombinieren und analysieren.

Zwei Rechenzentren, eines in Europa und eines in den USA, kombinierten eine erstaunliche Datenmenge von etwa 350 Terabyte pro Tag von jedem Teleskop. Die Daten mussten mit Atomuhren so genau synchronisiert werden, dass sie alle 10 Millionen Jahre nur eine Sekunde verlieren und dann auf speziellen heliumgefüllten Festplatten transportiert werden. Die Hand, die diese kostbare Ladung trägt, scheint eine Low-Tech-Lösung zu sein. Die Laufwerke enthalten jedoch so viele Daten, dass das Verschieben von Hand zeitweise die schnellste Datenübertragung in der Geschichte war.

Nach unzähligen Stunden Arbeit an den Daten. Ein Bild nahm Gestalt an. Dieses Bild würde Hunderten von Wissenschaftlern sagen, ob jahrzehntelange Arbeit das Unerreichbare erreicht hatte oder vergebens war. Obwohl schwarze Löcher selbst völlig dunkel sind. Sie beeinflussten den Weg der Photonen in ihrer Nähe und hinterlassen eine unverwechselbare Signatur auf dem Licht der Akkretionsscheibe, die das Schwarze Loch umgibt. Eine große Materiescheibe schlingert allmählich auf ihren Wirt zu.

Die fallende Materie konzentriert sich sehr stark und wird durch Reibung erhitzt, um ein leuchtendes Plasma zu bilden. Der Weg des von diesem leuchtenden Gas emittierten Lichts wird durch das Schwarze Loch bestimmt. Das Licht, das in der Nähe vorbeizieht, wird von der enormen Schwerkraft gebogen, die die Ränder umgibt. Aber das Licht, das zu Ende geht, wird eingefangen, um niemals zu entkommen. Gesehen von der Erde mit Radioteleskopen. Diese Effekte manifestieren sich als Schatten eines Schwarzen Lochs. Eine dunkle Zentralregion, die sich gegen das leuchtende Plasma abhebt.

Nach zwei Jahren sorgfältiger Berechnungen. Das Bild war endlich fertig. Katie Boumen, Studentin am MIT, verwendete ihren CHIRP-Algorithmus, um das endgültige Bild mit der höchsten Auflösung unter anderen Teams zu generieren. Sie arbeitete unabhängig an der Bildverarbeitung und war selbst berühmt.

CHIRP (Continuous High Resolution Image Reconstruction unter Verwendung von Patch-Priors) ist ein Bayes-Algorithmus, der zur Dekonvolution von Bildern verwendet wird, die in der Radioastronomie erstellt wurden.

Bouman übernahm eine clevere algebraische Lösung für dieses Problem: Wenn die Messungen von drei Teleskopen multipliziert werden, heben sich die zusätzlichen Verzögerungen durch Umgebungsgeräusche auf. Dies bedeutet, dass für jede neue Messung Daten von drei Teleskopen benötigt werden, nicht nur von zwei. Die Erhöhung der Genauigkeit gleicht den Informationsverlust aus.

Überholt aus der atemberaubenden Distanz von 55 Millionen Lichtjahren. Das Bild zeigte eine ringförmige Struktur mit einem dunklen zentralen Bereich. Zum ersten Mal in der Geschichte der Schatten eines Schwarzen Lochs.

Diese historische Errungenschaft ist ein wichtiger Meilenstein für unser sich weiterentwickelndes Verständnis des Universums und ein neuer Präzedenzfall für die weltweite Zusammenarbeit in der wissenschaftlichen Forschung. Wenn das EHT erweitert wird, können wir die tiefen Fragen untersuchen, die Forscher für Schwarze Löcher interessieren.

Viele unbesungene Helden indischer Herkunft gehörten zu dieser Armee von Wissenschaftlern, die an verschiedenen ausländischen Institutionen arbeiteten. Einige von ihnen sind unten aufgeführt:

  • Ramesh Karuppusamy
  • Neil M. Nagar
  • Ramesh Narayan
  • Gopal Narayanan
  • Iniyan Natarajan
  • Nimesh Patel
  • Kamal Souccar
  • Ramprasad Rao
  • Venkatessh Ramakrishnan
    • Koushik Chatterjee
    • Shami Chatterjee
    • Wie gut halten unsere physikalischen Gesetze unter den extremsten Bedingungen, die wir kennen? Wie funktioniert die Mechanik der Gasstrahlung und der Partikel um ein Schwarzes Loch? Welche Theorien sind richtig und welche werden mit genaueren Beobachtungen zusammenbrechen.

      Nur die Zeit wird zeigen, welche Rätsel die EHT als nächstes lösen wird ...

      Verweise:

      Diese Forschung wurde in einer Reihe von sechs Veröffentlichungen vorgestellt, die heute in einer Sonderausgabe des Astrophysical Journal Letters veröffentlicht wurden, zusammen mit einer Schwerpunktausgabe, die die veröffentlichten Studien zusammenfasst. Einzelne Beiträge können kostenlos über folgende Links abgerufen werden:

    • Papier I: Der Schatten des supermassiven Schwarzen Lochs
    • Referat II: Array und Instrumentierung
    • Papier III: Datenverarbeitung und Kalibrierung
    • Aufsatz IV: Imaging the Central Supermassive Black Hole
    • Schrift V: Physikalischer Ursprung des asymmetrischen Rings
  • Papier VI: Der Schatten und die Masse des zentralen Schwarzen Lochs