FRANKFURT. Sechs Jahre nach der historischen Veröffentlichung des ersten Bildes eines Schwarzen Lochs stellt die Event Horizon Telescope (EHT) Collaboration eine neue Analyse des supermassereichen Schwarzen Lochs im Herzen der Galaxie M87 vor, dass M87* genannt wird. Diese Analyse kombiniert Beobachtungen aus den Jahren 2017 und 2018 und liefert neue Erkenntnisse über die Struktur und Dynamik des Plasmas in der Nähe des Ereignishorizonts – jenseits dessen keinen Informationen mehr aus dem Schwarzen Loch herausdringen können.
Diese Studie stellt einen bedeutenden Fortschritt im Verständnis der extremen Prozesse dar, die Schwarze Löcher und ihre Umgebung steuern, und liefert neue theoretische Erkenntnisse über einige der geheimnisvollsten Phänomene des Universums.
„Die Akkretionsumgebung von Schwarzen Löchern ist turbulent und dynamisch. Da wir die Beobachtungen von 2017 und 2018 als unabhängige Messungen betrachten können, können wir die Umgebung des Schwarzen Lochs mit einer neuen Perspektive einschränken“, sagt Hung-Yi Pu, Assistenzprofessor an der National Taiwan Normal University. „Diese Arbeit unterstreicht das transformative Potenzial der Beobachtung der sich im Laufe der Zeit entwickelnden Umgebung des Schwarzen Lochs.“
Die Beobachtungen von 2018 bestätigen das Vorhandensein des leuchtenden Rings, der erstmals 2017 aufgenommen wurde, mit einem Durchmesser von etwa 43 Mikrobogensekunden - dies entspricht den theoretischen Vorhersagen für den Schatten eines Schwarzen Lochs mit einer Masse von 6,5 Milliarden Sonnenmassen.
Bemerkenswert ist, dass sich die hellste Region des Rings um 30 Grad gegen den Uhrzeigersinn verschoben hat. „Die Verschiebung der hellsten Region ist eine natürliche Folge der Turbulenzen in der Akkretionsscheibe um das Schwarze Loch“, erklärt Abhishek Joshi, Doktorand an der University of Illinois Urbana-Champaign. „In unserer ursprünglichen theoretischen Interpretation der Beobachtungen von 2017 haben wir vorhergesagt, dass sich die hellste Region höchstwahrscheinlich gegen den Uhrzeigersinn verschieben würde. Wir freuen uns sehr, dass die Beobachtungen im Jahr 2018 diese Vorhersage bestätigt haben!“
Die Tatsache, dass der Ring an der Unterseite am hellsten bleibt, verrät die Ausrichtung des Spins des Schwarzen Lochs. Bidisha Bandyopadhyay, Postdoktorandin an der Universidad de Concepción, sagt: „Die Lage der hellsten Region im Jahr 2018 bekräftigt auch unsere frühere Interpretation der Ausrichtung des Schwarzen Lochs aus den Beobachtungen von 2017: Die Rotationsachse des Schwarzen Lochs zeigt von der Erde weg!“
Luciano Rezzolla, Professor für Theoretische Astrophysik an der Goethe-Universität Frankfurt, sagt: „Schwarze Löcher, die so gigantisch sind wie M87*, verändern sich nur auf sehr langen Zeitskalen, und es ist daher nicht überraschend, dass vieles von dem, was wir 2017 gemessen haben, auch im Jahr 2018 sehen. Dennoch sind die kleinen Unterschiede, die wir gefunden haben, sehr wichtig, um zu verstehen, was in der Nähe von M87* tatsächlich passiert. Wenn wir zum Beispiel zwei Fotos des Mount Everest vergleichen, die im Abstand von einem Jahr aufgenommen wurden, erwarten wir keinen Unterschied in der Struktur des Gesteins. Wir erwarten jedoch, dass wir Unterschiede in den Wolken in der Nähe des Gipfels sehen, und daraus können wir zum Beispiel die Richtung der vorherrschenden Winde oder die dreidimensionalen Eigenschaften des Gesteins ableiten, die wir aus einem einfachen zweidimensionalen Foto nicht ableiten können. Dies haben wir in unserer theoretischen Analyse der neuen Daten getan, die zu einem großen Teil in Frankfurt durchgeführt wurde, und die es uns ermöglicht hat, besser zu verstehen, wie Materie auf M87* fällt und welche Eigenschaften M87* als Schwarzes Loch tatsächlich hat. In den kommenden Jahren werden wir weitere Beobachtungen dieser Art mit zunehmender Präzision durchführen, mit dem Ziel, einen Film darüber zu erstellen, was in der Nähe von M87* tatsächlich passiert.“
Unter Verwendung einer neu entwickelten und umfangreichen Bibliothek von Super-Computer-generierten Bildern - dreimal größer als die Bibliothek, die für die Interpretation der Beobachtungen von 2017 verwendet wurde - evaluierte das EHT-Team Akkretionsmodelle mit Daten sowohl die Beobachtungen von 2017 als auch von 2018.
„Wenn Gas aus der Ferne spiralförmig in ein Schwarzes Loch strömt, kann es entweder in dieselbe Richtung fließen, in der das Schwarze Loch rotiert, oder in die entgegengesetzte Richtung. Wir haben festgestellt, dass der letztere Fall aufgrund der relativ höheren turbulenten Variabilität eher zu den mehrjährigen Beobachtungen passt“, erklärt León Sosapanta Salas, Doktorand an der Universität Amsterdam. „Die Analyse der EHT-Daten für M87 aus späteren Jahren (2021 und 2022) ist bereits im Gange und verspricht, noch robustere statistische Einschränkungen und tiefere Einblicke in die Natur der turbulenten Strömung um das Schwarze Loch von M87 zu liefern.“
An der EHT-Kollaboration sind mehr als 400 Forscher aus Afrika, Asien, Europa sowie Nord- und Südamerika beteiligt. Die internationale Kollaboration arbeitet daran, die detailliertesten Bilder von Schwarzen Löchern zu erfassen, die je gemacht wurden, indem sie ein virtuelles Teleskop in Erdgröße schafft. Unterstützt durch beträchtliche internationale Investitionen verbindet das EHT bestehende Teleskope mit neuartigen Systemen und schafft so ein grundlegend neues Instrument mit dem höchsten Winkelauflösungsvermögen, das bisher erreicht wurde.
Die einzelnen beteiligten Teleskope: ALMA, APEX, das IRAM 30-Meter-Teleskop, das IRAM NOEMA Observatorium, das James Clerk Maxwell Teleskop (JCMT), das Large Millimeter Telescope (LMT), das Submillimeter Array (SMA), das Submillimeter Telescope (SMT), das South Pole Telescope (SPT), das Kitt Peak Telescope und das Greenland Telescope (GLT). Die Daten wurden am Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR) und am MIT Haystack Observatory korreliert. Die Nachbearbeitung erfolgte im Rahmen der Kollaboration durch ein internationales Team an verschiedenen Institutionen.
Das EHT-Konsortium besteht aus 13 beteiligten Instituten: dem Academia Sinica Institute of Astronomy and Astrophysics, der University of Arizona, der University of Chicago, dem East Asian Observatory, der Goethe-Universität Frankfurt, dem Institut de Radioastronomie Millimétrique, dem Large Millimeter Telescope, dem Max-Planck-Institut für Radioastronomie, dem MIT Haystack Observatory, dem National Astronomical Observatory of Japan, dem Perimeter Institute for Theoretical Physics, der Radboud University und dem Smithsonian Astrophysical Observatory.