Astronomie: Bilder vom schwarzen Loch im Zentrum der Milchstraße
Der Zusammenschluss des Event Horizon Telescopes (EHT) hat erstmals Bilder der leuchtenden heißen Gasmassen um das schwarze Loch herum ermitteln können.(öffnet im neuen Fenster) Die Beobachtungsdaten stammen aus dem Jahr 2017 – demselben Jahr, in dem auch schon das schwarze Loch im Zentrum der Galaxie M87 beobachtet wurde, das als M87* bezeichnet wird. Ausgerechnet dieses 55 Millionen Lichtjahre entferntes Objekt war leichter zu sichten als das schwarze Loch Sagittarius A* (Sgr A*) in unserer Milchstraße, das mit 27.000 Lichtjahren quasi um die Ecke liegt.
Schon seit 1974 ist bekannt, dass sich im Zentrum unserer Galaxie ein schweres Objekt befindet, das Radiowellen abstrahlt. Durch Beobachtungen der Bewegung von Sternen in dieser Region des Sternbilds Schützen, dem Zentrum unserer Milchstraße, konnte die Masse des Objekts aus den Umlaufbahnen von Sternen in der Nähe berechnet werden. Dabei wurde klar, dass sich dort auf sehr kleinem Raum etwa vier Millionen Sonnenmassen befinden müssen – wahrscheinlich also ein schwarzes Loch.
Dieses war jedoch viel schwerer zu beobachten als M87*, dessen Bild schon 2019 um die Welt ging. Das liegt unter anderem daran, dass M87* enorm viel größer ist. Es ist mit 6 Milliarden Sonnenmassen 1.500-mal so schwer. Damit hat es nach den Gravitationsgesetzen auch den 1.500-fachen Durchmesser. Im Ergebnis ist so ein schwarzes Loch deshalb sehr viel größer, als es intuitiv sein sollte. Es hat das 3,4-milliardenfache Volumen des schwarzen Lochs im Zentrum unserer Milchstraße. Es ist riesig. Gleichzeitig hat es eine Dichte von gerade einmal 590 Gramm pro Kubikmeter – das ist weniger als die Dichte von Luft.
Kleiner, schwächer und zappliger
Noch dazu fällt zwischen 100.000 und 1 Million Mal so viel Material auf das schwarze Loch von M87* wie auf das in der Milchstraße, was es leuchtstärker macht. Außerdem müssen wir durch die galaktische Scheibe der Milchstraße hindurch ins Zentrum blicken, wo dichte Bänder von Staub und Gas viel Licht und Radiowellen absorbieren. Bei der Beobachtung von M87* sehen wir hingegen direkt aus der Scheibe der Milchstraße hinaus und können mitten ins Zentrum der Galaxie M87 sehen.
Die geringe Größe des schwarzen Lochs Sgr A* hat noch einen Nachteil bei der Beobachtung: Wir sehen heißes Gas in einer Umlaufbahn um das schwarze Loch. Bei M87* dauert ein Umlauf fünf Tage bis etwa einen Monat. Da ist es kein Problem, dass die Bilddaten durch eine komplizierte Technik gewonnen werden, die auf die Erdrotation angewiesen ist. Aber bei Sgr A* liegen die Umlaufzeiten nur noch bei 4 bis 30 Minuten, so dass sich sein Aussehen noch während der Messung deutlich ändert.
Die Beobachtung von Sgr A* in der Mitte der Milchstraße war also am Rande der Möglichkeiten des erdumspannenden Event Horizon Telescopes, wie es 2017 zur Messung benutzt wurde. Damals wurden die Beobachtungen mit acht Radioteleskopen durchgeführt. Inzwischen gehören elf Teleskope zu dem Verbund, die Sgr A* im Jahr 2022 auch schon beobachtet haben. Die Auswertung der Daten wird jedoch deutlich mehr als nur einen Monat in Anspruch nehmen, der seit der Messung vergangen ist.
Das Verfahren zur Bildgewinnung ist viel komplizierter als einfach nur ein Foto zu machen.
Viele Daten, aber wenige Details
Das Event Horizon Telescope macht keine Fotos, sondern nimmt Messungen zur Bestimmung spezieller Muster vor, die ein Bild haben könnte. Am Ende muss durch Simulationen und statistische Auswertungen entschieden werden, welche Bilder am ehesten mit den gemessenen Daten übereinstimmen könnten. Die Details des Verfahrens beschrieb Golem.de 2019. Das Verfahren ist umso schwerer mit schwächeren Signalen und einem schnell veränderlichen Signal des heißen Gases im Orbit um das schwarze Loch.
Besonders bei schwächeren Details in den Bildern des schwarzen Lochs, wie der Verteilung hellerer Flächen auf dem Ring, ist Vorsicht geboten. Es gibt viele mögliche Bilder mit unterschiedlichen Flecken, die alle mit den gemessenen Daten vereinbar sind. Anders ist es bei der allgemeinen Form und den Ausmaßen des Rings.
Aus der Form wissen wir, dass wir im rechten Winkel auf die Gaswolken schauen, die das schwarze Loch gegen den Uhrzeigersinn umkreisen – was beides bislang nicht bekannt war. Der Durchmesser der dunklen inneren Fläche entspricht mit 50 Mikrobogensekunden genau den Erwartungen aus der Massebestimmung und früheren Beobachtungen mit nur zwei oder drei Radioteleskopen, die noch zu wenige Daten für irgendeine Form von Bildgebung lieferten.
Dieser Durchmesser ist außerordentlich klein. Um den Ring um Sgr A* von der Erdoberfläche mit einem normalen Teleskop sehen zu können, müsste er 10.000-mal so groß sein. Auch das James Webb Telescope hat mit seinem 6,5 Meter großen Spiegel keine Chance. Für ein ähnlich gutes Bild wie vom Event Horizon Telescope müsste der Spiegel eher 6,5 Kilometer groß sein.
Die Beobachtung ist wissenschaftlicher Alltag
Insgesamt steht in den sechs Arbeiten mit den veröffentlichten wissenschaftlichen Ergebnissen wenig Neues oder Überraschendes, auch wenn auf Grundlage der Daten nun einige Möglichkeiten zur physikalischen Modellierung der Plasmawolken um das schwarze Loch ausgeschlossen werden können. Die Messgenauigkeit ist wegen der schwierigen Beobachtungsbedingungen für viele Untersuchungen nicht ausreichend. Was präsentiert wurde, ist Wissenschaftsalltag, keine wissenschaftliche Sensation.
Die erst vor einem Monat abgeschlossene neue Beobachtungskampagne mit dem EHT soll in einigen Jahren bessere Daten liefern, die auch zeitliche Veränderungen um das schwarze Loch beobachtbar machen sollen und so vielleicht Erklärungsansätze für die immer wieder auftretenden Flares des schwarzen Lochs liefern, also kurzzeitig auftretender höherer Helligkeit. Die Arbeit an der Auswertung der Daten aus dem Jahr 2017 bildet die unabdingbare Grundlage zur Auswertung dieser und weiterer Beobachtungen mit weltweit verteilten Radioteleskopen.
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