Das mit Abstand größte Objekt in unserem Nachthimmel ist für uns unsichtbar. Das Objekt ist das Supermassive Schwarze Loch (SMBH) im Zentrum unserer Milchstraßengalaxie, genannt Schütze A. Aber bald haben wir vielleicht ein Bild des Ereignishorizonts von Schütze A. Und dieses Bild könnte eine Herausforderung für Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie darstellen.
Niemand hat jemals den Ereignishorizont eines Schwarzen Lochs gesehen. Die intensive Anziehungskraft verhindert, dass etwas, auch Licht, entweicht. Der Ereignishorizont ist der Punkt ohne Wiederkehr. Egal, kein Licht und keine Informationen können entkommen. Dank des Event Horizon Telescope (EHT) könnten wir uns jedoch dem Bild des Ereignishorizonts von Schütze A nähern.
Das EHT ist eine internationale Zusammenarbeit zur Untersuchung der unmittelbaren Umgebung eines Schwarzen Lochs. Es ist kein einziges Teleskop, sondern ein weltweit verbundenes System von Radioteleskopen, die alle mithilfe von Interferometrie zusammenarbeiten. Durch Messen der elektromagnetischen Energie aus der Region um das Schwarze Loch mit mehreren Funkschalen an mehreren Orten können einige der Eigenschaften der Quelle abgeleitet werden.
Forscher des EHT hoffen, dass ihre Beobachtungen schließlich Bilder der intensiven Gravitationseffekte liefern, die wir in der Nähe des Schwarzen Lochs erwarten. Sie hoffen auch, einen Teil der Dynamik in der Nähe des Lochs zu erkennen, wenn die umlaufende Materie in der Akkretionsscheibe eine relativistische Geschwindigkeit erreicht.
Das EHT-Projekt sammelte über einen Zeitraum von vier Jahren Daten zu Schütze A und einem weiteren Schwarzen Loch namens M87 im Zentrum der Jungfrau-A-Galaxie. Diese vier Jahre endeten im April 2017, aber das Team von 200 Wissenschaftlern und Ingenieuren analysiert die Daten noch immer. In der Zwischenzeit hat das Team Computermodellbilder von dem veröffentlicht, was sie sehen möchten.
Das Bild scheint nicht viel zu sein, aber es ist bedeutend. Dies entspricht dem Lesen einer Zeitungsüberschrift auf dem Mond, während Sie auf der Erde stehen. Das Bild kann uns helfen, einige verwirrende Fragen zu Schwarzen Löchern zu beantworten:
- Welche Rolle spielten Schwarze Löcher bei der Bildung von Galaxien?
- Wie sehen Licht und Materie aus, wenn sie auf ein Schwarzes Loch fallen?
- Woraus schießen die Energieströme aus Schwarzen Löchern?
Es besteht auch die Möglichkeit, dass das Bild, das EHT von Schütze A erzeugt, bedeutet, dass Einsteins Theorie der Allgemeinen Relativitätstheorie aktualisiert werden muss. (Obwohl es normalerweise eine schlechte Idee ist, gegen Einstein zu wetten.)
Schwarze Löcher und der Ereignishorizont
Schwarze Löcher sind im Grunde die Leiche eines Sterns. Wenn ein sehr massereicher Stern seinen gesamten Brennstoff verbrennt, fällt er zu einem extrem dichten Punkt oder einer Singularität zusammen. Das Schwarze Loch hat eine unglaublich starke Anziehungskraft, die Gas und Staub dorthin zieht. Etwa alle 10.000 Jahre verbraucht Schütze A sogar einen Stern.
Der Ereignishorizont ist wie eine Muschel um das Schwarze Loch. Sobald eine Materie - oder sogar ein Licht - den Ereignishorizont erreicht hat, ist das Spiel vorbei. Das Schwarze Loch wächst an Größe, wenn es Materie verbraucht, und der Ereignishorizont erweitert sich ebenfalls.
Schütze A, unser eigenes supermassives Schwarzes Loch (SMBH), ist massiv. Es hat eine Masse, die 4 Millionen Mal größer ist als die Sonne. Trotzdem ist es im Vergleich zu anderen SMBHs nicht so groß. Das andere SMBH im EHT-Projekt ist mit einer 7-Milliarden-fachen Masse der Sonne viel größer.
Das EHT erstellt ein Bild des Ereignishorizonts, indem es den Bereich um das Schwarze Loch untersucht. Etwas passiert mit dem Material, wenn es in das Schwarze Loch fällt. Es bildet eine Akkretionsscheibe aus wirbelndem Gas und Staub, die sich im Grunde genommen in einem Haltemuster befindet, bis sie in das Loch gesaugt wird. Dieses Material beschleunigt auf relativistische Geschwindigkeiten, was nahe an der Lichtgeschwindigkeit liegt. In diesem Fall wird das Material überhitzt und es wird Energie abgegeben.
Aber das Schwarze Loch ist gravitativ so stark, dass es dieses Licht in einem Phänomen biegt, das als Gravitationslinsen bezeichnet wird. Diese Linse erzeugt einen dunklen Bereich, der als Schatten des Schwarzen Lochs bezeichnet wird. Theoretisch sollte der Ereignishorizont etwa 2,5-mal größer sein als der Schatten. Sobald Wissenschaftler ein Bild des Schattens haben, kennen sie die Größe des Ereignishorizonts. Die Größe des Ereignishorizonts ist proportional zur Masse des Schwarzen Lochs. Im Fall von Schütze A sollte der Durchmesser also etwa 24 Millionen km (15 Millionen Meilen) betragen.
Es werden also keine Bilder des Schwarzen Lochs selbst angezeigt, aber es werden Bilder des Schattens angezeigt, den das Schwarze Loch wirft. Wissenschaftlich gesehen ist dies ein großer Sprung in unserem Verständnis von Schwarzen Löchern. Und falls Zweifel an der Existenz von Schwarzen Löchern bestehen, liefert das Bild des Schattens einen soliden Beweis dafür, dass Schwarze Löcher tatsächlich da draußen sind.
Die EHT und die Jets
Trotz der massiven Größe von Schütze A ist es am Himmel winzig. Es ist viel zu klein für ein einzelnes Teleskop. Deshalb wurde das EHT implementiert. Es kombiniert 7 separate Radioteleskope auf der ganzen Welt zu einem großen virtuellen Teleskop. Dabei wird eine Technik namens Very Long Baseline Interferometry (VLBI) verwendet, mit der Astronomie-Fans vertraut sind. Das virtuelle Teleskop hat ein viel größeres Auflösungsvermögen als ein einzelnes Zielfernrohr und ermöglichte es Astronomen, das Gebiet in der Nähe von Sgr zu untersuchen. EIN.
Während eines Zeitraums von einer Woche im April 2017 richtete das EHT-Team alle sieben Bereiche auf Sgr A, und sieben Atomuhren zeichneten den Zeitpunkt des Eintreffens von Signalen an jedem Teleskop auf. Durch das Studieren und Kombinieren der Signale können Wissenschaftler ein Bild von Sgr A erstellen. Dies ist ein zeitaufwändiger Prozess, der noch andauert.
Die energetischen Jets, die aus der Nähe eines Schwarzen Lochs strömen, sind für Forscher von besonderem Interesse. Die Materie, die in der Akkretionsscheibe eines Schwarzen Lochs herumwirbelt, erwärmt sich auf Milliarden Grad. Ein Teil davon gelangt in das Schwarze Loch, aber nicht alles.
Die energetischen Jets sind der Teil, der der Akkretionsscheibe entweicht. Sie bewegen sich Zehntausende von Lichtjahren mit nahezu Lichtgeschwindigkeit. Wissenschaftler wollen mehr über sie wissen.
Wenn es um Sgr. A, wir wissen nicht, ob es Jets gibt. Es war in den letzten Jahrzehnten nicht sehr aktiv, daher gibt es möglicherweise keine Jets. Wenn sie dort sind, empfängt der EHT dort Funksignale. Dann erhalten wir möglicherweise Antworten auf einige grundlegende Fragen zu den Jets:
- Wie fangen sie an?
- Wie beschleunigen sie auf relativistische Geschwindigkeiten?
- Wie bleiben sie konzentriert?
- Woraus bestehen sie genau?
Ist Einsteins Theorie der Allgemeinen Relativitätstheorie in Schwierigkeiten?
Wahrscheinlich nicht. Aber es gibt eine Chance.
Der größte Teil unseres Sonnensystems ist ein ziemlich prosaischer Arbeitsort. Und hier kommen die meisten unserer Beobachtungsergebnisse zur Unterstützung der Allgemeinen Relativitätstheorie her. Aber die Region um ein Schwarzes Loch ist keine normale Nachbarschaft.
Die Bedingungen dort sind extrem. Intensive Schwerkraft, überhitzte Materialstrahlen, die sich nahezu mit Lichtgeschwindigkeit bewegen, und der Ereignishorizont. In Bezug auf die Allgemeine Relativitätstheorie geht es jedoch hauptsächlich um Schwerkraft und Licht.
Die Allgemeine Relativitätstheorie sagt voraus, dass die Schwerkraft des Schwarzen Lochs die Raumzeit krümmt und alles darauf zu zieht, einschließlich Licht. Die von EHT gesammelten Daten liefern Messungen dieses Phänomens, die mit Einsteins Vorhersagen verglichen werden können. Wenn die Daten mit Vorhersagen übereinstimmen, gewinnt Einstein erneut.
Die Allgemeine Relativitätstheorie macht eine weitere Vorhersage: Der von der Akkretionsscheibe geworfene Schatten sollte kreisförmig sein. Wenn es nicht kreisförmig und eher eiförmig ist, sind die Formeln in der Allgemeinen Relativitätstheorie nicht vollständig korrekt.
John Wardle ist ein Astronom, der seit Jahrzehnten Schwarze Löcher untersucht, als sie noch ein theoretisches Konstrukt waren. Er ist stark am EHT-Projekt beteiligt. Wardle glaubt, dass die Allgemeine Relativitätstheorie diesem Test standhalten wird und dass Einstein wieder gewinnen wird. Wenn die Allgemeine Relativitätstheorie diesen Test nicht besteht, befinden wir uns in einer sehr schwierigen und seltsamen Situation.
"Dann tragen wir eine strenge Zwangsjacke, weil Sie keine Änderungen vornehmen können, die alle anderen Teile, die funktionieren, durcheinander bringen", sagte Wardle. "Das wäre sehr aufregend."
- Pressemitteilung der Brandeis University: „Wie sieht ein Schwarzes Loch aus?“
- Event Horizon Telescope
- Wikipedia-Eintrag: Interferometrie
- Wikipedia-Eintrag: Ereignishorizont
