Am 12. Mai 2022 wurde bekannt gegeben, dass es endlich gelungen ist, ein Bild des schwarzen Lochs im Zentrum der Milchstraße zu machen. Drei Jahre nachdem überhaupt das erste Mal ein Bild eines schwarzen Lochs gemacht werden konnte, sehen wir nun also auch, was im Zentrum unserer eigenen Galaxis abgeht. Obwohl “sehen” vielleicht nicht das richtige Wort ist, und genau darum geht es in diesem Artikel. Gleichzeitig mit dem Bild wurden auch 10 wissenschaftliche Fachartikel veröffentlicht, in denen sehr genau erklärt wird, wie das Bild gemacht wurde, welche wissenschaftlichen Erkenntnisse man daraus gewonnen hat, und so weiter. Mittlerweile hatte ich die Zeit, diese Artikel zu lesen und weil da durchaus ein paar interessante Sachen drin stehen, gibt es jetzt einen längeren Text mit einer Zusammenfassung von (fast) allem, was wir durch das Bild über das schwarze Loch im Zentrum der Milchstraße herausgefunden haben.
Und wem der Text zu lang ist, kann auch einfach direkt ans Ende springen oder hier klicken und sich eine Podcastfolge darüber anhören.
Die Beobachtung
Das Event Horizon Telescope (EHT) ist schon seit Jahren damit beschäftigt, ein Bild von einem schwarzen Loch zu machen (und was mit “Bild” genau gemeint ist, erkläre ich weiter unten noch). So wie überall sonst auch in der Astronomie kann man aber nicht mit jedem Gerät alles beobachten. Es geht auch hier um das Auflösungsvermögen. Kurz gesagt: Je größer ein Teleskop ist, desto kleinere Strukturen kann man damit noch sehen. Und wenn es um schwarze Löcher geht, sind die Strukturen wirklich sehr klein. Das schwarze Loch im Zentrum unserer eigenen Galaxie ist gute 26.000 Lichtjahre weit weg; die schwarzen Löcher in den Zentren anderer Galaxien natürlich noch viel weiter. Es kommt aber nicht nur auf die Distanz an, sondern auch auf die Größe. Und wenn ich jetzt im folgenden von der “Größe” eines schwarzen Lochs spreche, dann meine ich die Größe dessen, was wir tatsächlich sehen können. Das, was wir von außen als “schwarzes Loch” beschreiben, ist im Wesentlichen der Ereignishorizont. Kommt man einer ausreichend großen Masse ausreichend nahe (was nur geht, wenn diese Masse ausreichend dicht zusammengequetscht ist), dann müsste man schneller als das Licht sein, um sich dauerhaft wieder entfernen zu können. Das ist unmöglich und deswegen gibt es um die Masse die ein schwarzes Loch ausmacht immer einen Bereich, der dunkel ist. Der Abstand, den man nicht unterschreiten darf, wenn man wieder weg will, ist genau der “Ereignishorizont” und hängt von der Masse des schwarzen Lochs ab.
Den Ereignishorizont an sich kann man aber noch nicht sehen; der ist ja einfach nur die Abwesenheit von Licht. Und kein Licht vor dem Hintergrund eines dunklen Universums beobachtet sich schlecht. Wir können nur dann etwas sehen, wenn es um den Ereignishorizont noch anderes Zeug gibt. Gas und Staub zum Beispiel. Sterne schleudern ja immer wieder Material aus ihrer eigenen Atmosphäre hinaus ins All; es gibt zwischen den Sternen gigantisch große Wolken aus Gas und Staub und gerade in den Zentralregionen einer Galaxie sind die Abstände zwischen den Himmelskörpern vergleichsweise klein. Es ist also durchaus damit zu rechnen, dass man dort diverses Material findet, dass in den Einflussbereich des schwarzen Lochs gerät. Dann wirbelt es um den Ereignishorizont herum und wird durch die Gravitation des schwarzen Lochs stark beschleunigt und aufgheizt. Wenn die Atome und Teilchen elektrisch geladen sind, dann wechselwirken sie auch mit dem Magetfeld des schwarzen Lochs. All das führt dazu, dass das Material in der Umgebung des Ereignishorizonts jede Menge Strahlung abgibt, die wir prinzipiell beobachten können. Und wenn wir das mit einem Teleskop tun, dass ein ausreichend gutes Auflösungsvermögen hat, dann sehen wir eben nicht nur einen hellen Blob im Zentrum einer Galaxie, sondern in seiner Mitte auch einen dunklen Fleck.
Das Zentrum der Milchstraße – schwarzes Loch ist aber nicht zu sehen (Bild: NASA/JPL-Caltech/S. Stolovy (Spitzer Science Center/Caltech))
Genau um diesen dunklen Fleck geht es. Es handelt sich dabei nicht um den Ereignishorizont selbst (dazu gleich mehr), sondern etwas, was die Forscherinnen und Forscher den “Schatten” eines schwarzen Lochs nennen. Dessen Größe hängt von der Masse des schwarzen Lochs ab und die scheinbare Größe (also das, was wir dann tatsächlich am Himmel sehen) auch vom Abstand zur Erde. Das schwarze Loch im Zentrum der Milchstraße hat die circa 4millionenfache Masse der Sonne, was vergleichsweise wenig ist für solche schwarze Löcher. Aber mit 26.000 Lichtjahren ist es eben auch vergleichsweise nahe. Als man 2019 das erste Bild eines schwarzen Lochs überhaupt gemacht hat, war es allerdings das schwarze Loch in der Galaxie Messier 87 (M87). Die ist 54 Millionen Lichtjahre von uns entfernt – aber das zentrale schwarze Loch dort hat eine Masse von gewaltigen 6,5 Milliarden Sonnenmassen. Führt man die entsprechenden Rechnungen durch, dann kommt man zu dem Ergebnis, dass die scheinbare Größe der Schatten der schwarzen Löcher in der Milchstraße und M87 mehr oder weniger gleich groß ist. Und schaut man sich dann auch noch andere Galaxien in unserer kosmischen Umgebung an, dann zeigt sich, dass M87 und Milchstraße die Galaxien sind, bei denen die scheinbare Schattengröße der schwarzen Löcher am größten ist.
Deswegen hat man sich M87 und die Milchstraße als erste Ziele für die ersten Beobachtungen mit dem EHT ausgesucht. Beide schwarzen Löcher wurden im April 2017 beobachtet, aber bei M87 war man schon 2019 mit der Auswertung der Daten fertig; bei der Milchstraße hat es bis 2022 gedauert. Das lag auch an Corona-Pandemie, die für Verzögerungen gesorgt hat. Es hatte aber auch astronomische Gründe.
Teleskope mit Löchern: Wie man schwarze Löcher sieht
Bevor wir dazu kommen, schauen wir aber kurz noch einmal, was es eigentlich zu schauen gibt und wie man das anstellt. Das Event Horizon Telescope ist kein normales Teleskop. Zuerst einmal handelt es sich um ein Teleskop, das Radiowellen sieht und zum anderen nicht um ein einzelnes Gerät, sondern einen ganzen Verbund an Teleskopen, die über die gesamte Erde verteilt sind. Das ist wichtig, denn um eine Chance zu haben, den Schatten eines schwarzen Lochs zu beobachten, braucht man ein WIRKLICH großes Teleskop. Es muss fast so groß wie die gesamte Erde sein und das ist schwer zu bauen. Zum Glück gibt es aber die Technik der “Interferometrie”: Was das ist und wie das funktioniert, habe ich hier im Detail erklärt. Die Kurzfassung lautet: Es ist eigentlich nicht schlimm, wenn man ein kleines Loch in ein Teleskop macht. Dann funktioniert es immer noch, man sammelt halt nur ein bisschen weniger Strahlung ein. Das geht sogar noch, wenn das Loch größer ist. Und selbst dann, wenn man das Teleskop in der Mitte auseinander schneidet und die beiden Hälften in großem Abstand voneinander aufstellt. Dann hat man halt ein sehr großes “Loch”, aber wenn man es richtig anstellt, dann kann man damit immer noch super beobachten.
Einige Teleskope des EHT (Bild: EHT)
Und richtig anstellen tut man es mit Interferometrie. Stellen wir uns vor, wir haben zwei Teleskope in einem Abstand von 100 Metern. Wenn beide zur gleichen Zeit die gleiche Stelle am Himmel beobachten, dann muss ich “nur” die jeweiligen Daten exakt synchron zusammenführen und kann dann mit jeder Menge Mathematik berechnen, was ein Teleskop mit einem Durchmesser von 100 Metern gesehen hätte. Das Problem an der Sache ist das “synchron”. Das, was man beobachtet, sind ja elektromagnetische Wellen. Die müssen irgendwie zusammengeführt und überlagert werden. Das kann man natürlich “live” machen, wenn man entsprechende Glasfaserkabel o.ä. verwendet. Aber das ist ersten nicht einfach und zweitens kann man nicht beliebig lange Kabel über die Erde verlegen. Man kann aber auch probieren, die Daten einfach aufzuzeichnen. Dann kann man die Beobachtungen der einzelnen Teleskope später alle in einen Computer kopieren und dort dann quasi nochmal in der Wiederholung abspielen und jetzt eben die Daten aller Teleskope gleichzeitig laufen lassen.
Das geht aber nur, wenn die aufgezeichnete Strahlung ausreichend langwellig ist. Das normale Licht, das wir auch mit unseren Augen beobachten hat dafür eine zu kurze Wellenlänge. Simpel gesagt: Es schwingt zu schnell auf und ab; das kriegen wir mit unserer Technik nicht ausreichend genau aufgezeichnet. Mit Radiowellen geht es aber. Und genau deswegen ist das Event Horizon Telescope 1) ein Verbund vieler Einzelteleskope und 2) ein Radioteleskop. Es braucht die vielen über die ganze Welt verteilten Geräte, damit man ein virtuelles Teleskop von der Größe der Erde bekommt und es müssen Radioteleskope sein, damit man die Technik der Interferometrie auf diesem Maßstab nutzen kann. Radioteleskope sind außerdem noch praktisch, wenn man das Zentrum der Milchstraße sehen will, denn da ist jede Menge Staub drum rum und im Gegensatz zu normalem Licht kann Radiostrahlung gut durch diesen Staub hindurch.
Photonensphäre und Schatten
So. Jetzt haben wir ein Teleskop und wir haben zwei Beobachtungsziele. Jetzt müssen wir uns noch überlegen, was wir da eigentlich erwarten zu sehen. Da ist, wie gesagt, der Ereignishorizont, der von einer Menge herumwirbelnden und hell leuchtenden Gas- und Staubmassen umgeben ist. Aber so einfach ist es in der Umgebung eines schwarzen Lochs nicht. Hier haben wir es mit relativistischen Effekten der allgemeinen Relativitätstheorie zu tun. Zum Beispiel der Tatsache, dass große Massen den Raum krümmen. Und Lichtstrahlen bei ihrer Bewegung der Krümmung des Raums folgen. Ein schwarzes Loch kann den Raum in seiner Umgebung jetzt so stark krümmen, dass Licht nicht einfach nur ein wenig von seiner eigentlich geraden Bahn abgelenkt wird. Lichtstrahlen können dort in eine regelrechte “Umlaufbahn” um den Ereignishorizont gezwungen werden und das hat seltsame Auswirkungen. Man kann berechnen, wie es aussehen müsste, wenn leuchtendes Zeug um einen Ereignishorizont wirbelt. Nämlich so:
In gelb-rot sieht man die Strahlung, die von dem Gas in der Umgebung des schwarzen Lochs abgeben wird. Es bildet eine Scheibe um den Ereignishorizont herum. Weil aber der Raum so stark gekrümmt wird, sehen wir nicht nur die Vorderseite der Scheibe sondern gleichzeitig auch die Rückseite und die Unterseite. Wenn wir – wie im Video – unseren Blickwinkel ändern, dann ändern sich zwar Details; das grobe Bild bleibt aber gleich. Wir sehe immer in der Mitte Dunkelheit und außenrum leuchtendes Material. Wir können also davon ausgehen, dass unser Bild des schwarzen Lochs immer einen hellen Ring zeigt, egal aus welchem Winkel wir auf die Scheibe aus Gas und Staub schauen.
Ganz innen erkennt man auch eine dünne helle Linie. Das ist die Photonensphäre und sie kommt von Licht, dass nicht einfach nur abgelenkt wird, sondern das schwarze Loch tatsächlich umkreist. Einmal, zweimal, mehrfach; im Prinzip auch unendlich lange, aber nur, wenn sie unter exakt dem richtigen Winkel auf das schwarze Loch zufliegen. In der Praxis besteht die Photonensphäre aus jeder Menge stark verzerrten Bildern der Materialscheibe; wir sehen Licht, dass mehrfach um das Loch herum geflogen und dann doch ins All hinaus entkommen ist. Irgendwo innerhalb der Photonensphäre befindet sich das Ereignishorizont selbst; aber das sehen wir natürlich nicht. Wir sehen den “Schatten”; einen dunklen Bereich um den Ereignishorizont herum der entsteht, weil das Licht schon abgeschwächt wird, bevor es den Ereignishorizont erreicht. Eben weil das Licht dort mehrfach um das Loch herum gebogen wird und weil es auf Grund relativistischer Effekt zu immer größeren Wellenlängen verschoben wird, wird es immer dunkle. Der Schatten hat circa die doppelte Größe des Ereignishorizonts aber er ist das, was wir sehen, wenn wir sagen, dass wir ein schwarzes Loch gesehen haben.
Das Bild
Was hat man nun gesehen? Das hier:
Wir sehen genau das, von dem eben die Rede war: Einen hellen Ring mit einem dunklen Bereich in der Mitte und dieser dunkle Bereich ist der Schatten des schwarzen Lochs im Zentrum der Milchstraße. Aber was sieht man da genau? Dafür müssen wir tatsächlich in ein paar der zehn wissenschaftlichen Veröffentlichungen hinein schauen. Die erste davon trägt den Titel “The Shadow of the Supermassive Black Hole in the Center of the Milky Way” und fasst alles zusammen, was in den anderen Fachartikeln im Detail erklärt wird. Und weil wir heute die Details wissen wollen, schauen wir da natürlich auch rein und gegen daher gleich zu Artikel Nummer 2 mit dem Titel “EHT and Multiwavelength Observations, Data Processing, and Calibration”. Das klingt sehr technisch, und ist es auch. Aber wir erfahren darin zum Beispiel, dass das schwarze Loch im Zentrum der Milchstraße in den Nächten vom 5, 6, 7, 10 und 11 April 2017 beobachtet wurde. Und dass nicht nur die einzelnen Einrichtungen des EHT genutzt wurden, sondern parallel auch noch andere Großteleskope auf der Erde um Weltall ihren Blick auf das schwarze Loch gerichtet haben, um zu schauen, ob es da zum Beispiel gerade Röntgenausbrüche gibt. Das könnte ein Hinweis sein, dass dort gerade eine größere Menge an Material hinter dem Ereignishorizont verschwunden ist und so etwas will und muss man wissen, wenn man aus den Beobachtungsdaten ein Bild machen will.
Das ist nämlich gar nicht so einfach. Das EHT ist ja kein Fotoapparat, wo man auf nen Knopf drückt und dann kommt ein Bild wie das von oben raus. Wie die ganze Sache wirklich funktioniert, kann man in Imaging of the Galactic Center Supermassive Black Hole” nachlesen, dem dritten Fachartikel. Da wird zuerst einmal erklärt, welche Phänomene die Beobachtung stören. Das ist 1) das ganze Zeug, dass zwischen uns und dem Zentrum der Milchstraße liegt. Es gibt ja überall Gas und Staub in der Galaxis und der kann Teile des Lichts absorbieren und die Beobachtung stören. Das muss man wissen und man muss entsprechende – sehr aufwendige – Korrekturen an den Daten durchführen, damit man sie benutzen kann. Dazu muss man zuerst mal die Verteilung von Gas und Staub in der Milchstraße konkret vermessen; daraus entsprechende Modelle entwickeln die einem sagen, wie stark Licht gestreut oder absorbiert wird, das aus einer bestimmten Richtung zu uns kommt, und so weiter. Und wenn man das geschafft hat, ist man noch lange nicht fertig. Denn das, was man abbilden will, ist leider nicht so freundlich, schön ruhig zu halten. Die Intensität der Strahlung die aus der Umgebung des schwarzen Lochs kommt, verändert sich. Da wirbelt Material ja sehr schnell um den Ereignishorizont herum . Es können sich Klumpen bilden, die dann heller sind als der Rest. Wie sich die Intensität verändert hängt zuerst einmal davon ab, wie viel Material überhaupt da ist. Das ist bei einem schwarzen Loch wie dem in unserer Milchstraße eher wenig; bei einem wie in M87 aber sehr viel. Es spielt aber auch die Größe eine Rolle. Um den Ereignishorizont von M87 zu umkreisen braucht das Material ein paar Tage bis ein paar Wochen. Bei dem kleineren schwarzen Loch in der Milchstraße dauert es aber nur ein paar bis ein paar Dutzend Minuten. Und da eine typische Beobachtung mit dem EHT circa 10 Minuten dauert, ist das ein Problem.
Bei M87 war das egal; wenn ich etwas betrachte, was sich auf einer Zeitskala von Tagen oder Wochen verändert, wird sich während der 10 Minuten die ich hinschaue nicht viel tun. Aber wenn sich alle paar Minuten was tut und ich zehn Minuten lang beobachte, dann sind meine Beobachtungsdaten auch sehr “unruhig”. Das heißt, die nachträgliche Interpretation der Daten wird viel schwieriger. Und DAS war der Hauptgrund, warum es so viel länger gedauert hat, bis das Bild des schwarzen Lochs im Zentrum der Milchstraße fertig war.
Wir basteln uns einen Ring
Jetzt hat man also Beobachtungsdaten. Und eine halbwegs gute Idee, was man sehen sollte. Aber eben kein “Bild”, wie bei einer normalen Kamera. Die Details der Bildrekonstruktion sind enorm komplex, aber sehr vereinfacht gesagt läuft das so ab: Man hat Computermodelle, die einem sagen können, wie ein schwarzes Loch samt Schatten, Photonensphäre, Licht von der Materialscheibe, und so weiter aussehen könnten. Je nachdem welche Masse das Loch hat, wie schnell es rotiert, wie stark sein Magnetfeld ist, und so weiter. Man kann ebenfalls berechnen, wie es für das EHT aussehen würde, wenn es so ein “Modell-Loch” beobachten würde; also die theoretische Vorhersage auf das Auflösungsvermögen des Teleskops runterechnen; die ganzen Störungen berücksichtigen, und so weiter. Und dann kann man das mit dem vergleichen, was man tatsächlich beobachtet hat und schauen, wo Modell und Beobachtungsdaten am besten zusammenpassen. Ohne viel weitere Erklärungen könnt ihr euch mal ein Bild aus der Arbeit anschauen:
Wie gesagt, ich will die Details gar nicht erklären (kann ich auch bei vielen nicht), aber man sieht, dass das VIELE Möglichkeiten durchprobiert worden sind. Von diversen Teams, die auch komplett unabhängig voneinander gearbeitet haben. Und wenn am Ende alle ihr “bestes” Bild präsentieren, schaut das idealerweise in allen Fällen gleich aus, ansonsten hat man ein Problem.
Hier sieht man das Ergebnis am Ende des Prozesses:
Wir konzentrieren uns mal auf die vier kleinen Bilder unten. Sie zeigen vier theoretische Modelle, die alle mehr oder weniger gut aber doch besser als der ganze Rest zu den Beobachtungsdaten passen. Die kleinen Balken zeigen im Wesentlichen, WIE gut sie passen (je höher desto besser). Drei der vier Möglichkeiten zeigen, wie erwartet, einen Ring mit einem dunklen Schatten in der Mitte. Die vierte – ganz rechts – aber nicht; da ist kein Ring (aber dazu später mehr). Die beiden ersten Varianten sehen ähnlich aus und sind auch ähnlich passend, aber eben auch nicht komplett identisch. Beim ersten Bild ist der unterer Blob im Ring etwas heller; beim zweiten Bild der obere. Es ist schwer bis unmöglich, ein einziges Bild zu finden, dass dann “DAS” Bild des schwarzen Lochs ist.
Deswegen halten die Forscherinnen und Forscher auch fest, dass es quasi nicht entscheidbar ist, welche der Details jetzt “real” sind. Die drei hellen Blobs im Ring, die man im “offiziellen” Bild sieht, sind mit ziemlicher Sicherheit insofern nicht real, als dass sie bei anderen Modellen auch an anderer Stelle auftauchen können. Das Zeug wirbelt einfach zu schnell um das schwarze Loch, als das man mit den vorhandenen Beobachtungsdaten eindeutig sagen könnte, wie die Feinstruktur im Ring aussieht.
Die wichtigste Frage um die es im dritten Fachartikel ging lautete aber: Ist es wirklich ein Ring? Denn die allermeisten passenden Modelle haben zwar einen Ring gezeigt. Aber es gab eben – so wie das vierte Bild oben in der Reihe – auch halbwegs passende Modelle ohne Ring. Also hat man zuerst geschaut, ob die oben erwähnten Störungen bei der Beobachtung vielleicht dazu geführt haben, dass man einen Ring sieht, wo keiner ist. Was nicht der Fall war. Dann hat man geschaut, ob die ganzen Methoden, Modelle und Prozesse zur Bildrekonstruktion vielleicht dazu neigen, Ringbilder zu bevorzugen. Was sie auch nicht tun. Aber man hat festgestellt, dass die Methoden in wenigen Fällen Bilder ohne Ring produzieren, obwohl da eigentlich ein Ring ist. Und kam zu dem Ergebnis: Das Bild des schwarzen Lochs im Zentrum der Milchstraße zeigt tatsächlich einen Ring!
Was haben wir über das schwarze Loch gelernt?
Nachdem wir jetzt wissen, wie man ein Bild von nem schwarzen Loch macht und dass man sich drauf verlassen kann, dass das Bild das wir haben einigermaßen korrekt ist, wollen wir natürlich auch noch wissen, was man daraus jetzt lernen kann. Ein Bild ist schön und gut, aber man sich die Mühe mit dem EHT ja nicht gemacht, damit wir alle einen neuen Bildschirmhintergrund kriegen! Deswegen hat sich Fachartikel 4 mit der “Variability, Morphology, and Black Hole Mass” beschäftigt. Und vor allem der Frage: Wenn da ein schwarzes Loch ist und unsere Beobachtungsdaten so aussehen, wie sie aussehen: Welche Masse wird es dann haben? Denn wir kennen die Masse des schwarzen Lochs ja aus anderen Beobachtungen (zum Beispiel aus der Geschwindigkeit mit der es von Sternen umkreist wird) und es wäre blöd, wenn die direkte Beobachtung da nun ganz andere Werte liefern würde. Zum Glück ist das aber nicht so; aus dem Bild kann man ableiten, dass die Masse des zentralen schwarzen Lochs bei 4 Millionen Sonnenmassen liegt und innerhalb der Fehlergrenzen perfekt zu den bisherigen Werten passt. Auch die scheinbare Größe des Rings konnte sehr genau vermessen werden und weil wir ja auch wissen, wie weit es bis dorthin ist, können wir daraus auch die tatsächliche Größe des Schattens berechnen:
Links sehen wir das schwarze Loch in M87, dessen Schatten deutlich größer ist als die Umlaufbahn des Pluto. Unser ganzes Sonnensystem würde darin verschwinden. Im Vergleich dazu ist der Schatten des schwarzen Lochs in unserer Milchstraße sehr viel kleiner und würde locker in die Umlaufbahn des Merkur hinein passen.
Verrückte Magnetfelder und gekippte Achsen
In Artikel 5 der Serie geht es um die astrophysikalischen Eigenschaften des schwarzen Lochs: “Testing Astrophysical Models of the Galactic Center Black Hole”. Insbesondere darum, ob es “verrückt” oder “normal” ist. Beziehungsweise MAD oder SANE und diese Akronyme stehen für “magnetically arrested disk” und “standard and normal evolution”. Es geht dabei um die Frage, wie die Wechselwirkung zwischen Magnetfeld und dem Material in der Scheibe aussieht. Im SANE-Fall ist der Einfluss des Magnetfelds gering und die Bewegung des Gases dominiert. MAD dagegen heißt, dass man es mit sehr starken Magnetfeldern zu tun hat, die unter Umständen auch dafür sorgen können, dass das Material wieder aus der Scheibe geschleudert wird. Die beiden Fälle äußern sich in unterschiedlichen Veränderungen der Intensität der Strahlung die beobachtet wird und beim Vergleich zwischen Modellen und Beobachtungen hat man zwar keine perfekte Übereinstimmung gefunden, aber immerhin festgestellt, dass die besten Modelle alle MAD sind. So wie es aussieht verschluckt das schwarze Loch pro Jahr eine Menge an Material, die 0,002 bis 0,003 Erdmassen entspricht (oder 3/4 bis 1,5 Plutomassen). Das ist nicht viel für ein schwarzes Loch; bei M87 ist es deutlich mehr, nämlich circa 330 Erdmassen pro Jahr.
Ein weiterer Unterschied zwischen M87 und unserer Galaxie ist ebenfalls in den beiden Bildern der schwarzen Löcher erkennbar. Der Ring um den Schatten von M87 ist auf einer Seite helle, auf der anderen dunkel. Bei unserem schwarzen Loch gibt es zwar die drei hellen Blobs, die aber – wie schon gesagt – eher aus der Bildrekonstruktion stammen. Man kann leicht erklären, wieso der Ring von M87 so aussieht, wie er es tut. Wenn Material in einer Scheibe kreist und wir von der Seite auf diese Scheibe schauen, dann kommt das Zeug auf der einen Seite des Rings auf uns zu und bewegt sich auf der anderen Seite von uns weg. Und ein Effekt der relativistischer Dopplereffekt heißt sorgt jetzt dafür, dass das auf uns zu kommende Material heller leuchtet als das, was sich von uns entfernt. Die Details dazu sind ein wenig knifflig; es hat etwas damit zu tun, wie die Bewegungsrichtung der vom leuchtenden Material ausgesandten Lichtstrahlen sich verändern, wenn es sich sehr schnell bewegt. Das sehen wir bei M87 und es legt nahe, dass wir tatsächlich ziemlich genau auf den Rand der wirbelnden Scheibe schauen. Der Ring unseres schwarzen Lochs zeigt so etwas aber nicht. Und das ist komisch. Denn das Sonnensystem befindet sich ja in der galaktischen Scheibe; also mehr oder weniger genau in der Ebene, in der sich die meisten Sterne befinden. Entlang und durch diese Scheibe schauen wir auf das schwarze Loch und wir sind eigentlich davon ausgegangen, dass die Achse, um die sich das schwarze Loch dreht, mehr oder weniger senkrecht auf die galaktische Scheibe steht und wir deswegen auch auf die Kante des wirbelnden Materialrings schauen.
Unter anderem, weil wir die Fermiblasen beobachten können; sehr, sehr große Bereiche über- und unterhalb des galaktischen Zentrums in denen Gammastrahlung erzeugt wird.
Die Fermi-Blasen Künstlerische Darstellung: NASA’s Goddard Space Flight Center
Bis jetzt dachten wir, dass sie durch das schwarze Loch verursacht werden, dass immer wieder Material aus seiner Umgebung entlang der Rotations- und Magnetfeldachse nach oben und unten schleudert. Aber die Beobachtungsdaten des EHT zeigen, dass wir eben nicht auf die Kante des Materialrings schauen. Die Rotationsachse des schwarzen Lochs muss um circa 60 Grad aus der Vertikalen geneigt sein; wir blicken von unserer Position aus unter einem Winkel von circa 30 Grad auf die Scheibe um das Loch herum. Und da stellt sich die Frage: Warum ist das so? Die Antwort lautet: Wissen wir nicht! Es kann sein, dass unsere Milchstraße in der jüngeren Vergangenheit (das heißt vor ein paar hundert Millionen oder wenigen Milliarden Jahren oder so) mit einer kleineren Galaxie verschmolzen ist. Dabei sind auch die beiden schwarzen Löcher in den Zentren dieser Galaxie kollidiert/verschmolzen, was zu einer Änderung der Rotationsachse geführt hat. Aber ob es wirklich so war, wissen wir noch nicht.
Ist es wirklich ein schwarzes Loch?
Aber, fragt sich jetzt vielleicht der eine oder die andere: Ist es eigentlich wirklich ein schwarzes Loch? Kann es nicht auch was anderes sein? Dieser Frage gehen die Forscherinnen und Forscher in Artikel Nummer 6 nach: “Testing the Black Hole Metric”. Dafür muss man zuerst mal klären: Wenn es kein schwarzes Loch ist, was dann? Genauer gesagt lautet die Frage: Wenn da im Zentrum der Milchstraße kein Ereignishorizont ist, dann muss da irgendwas sein, was eine Oberfläche hat. Der Ereignishorizont ist ja nur ein abstraktes Konzept; ein Abstand, hinter dem das Licht verschwindet. Aber wenn das nicht so ist, muss ja trotzdem etwas da sein, und das muss dann irgendeine Beschaffenheit haben. Vielleicht hat dieses etwas eine Oberfläche, die alles Licht reflektiert. Oder absorbiert. Vielleicht es auch was ganz anderes; irgend ein noch unentdeckter exotischer Typ von Stern (siehe hier und hier für Beispiele). Oder ein Wurmloch. Und so weiter: Die theoretische Physik ist gut im Spekulieren, aber jetzt haben wir ja echte Beobachtungsdaten. Und die – auch das zeigt wieder der ausführliche Vergleich mit den Modellen – passen definitiv nicht zu irgendwelchen alternativen Objekten. Wäre da wirklich etwas, was KEIN schwarzes Loch, dann wäre es absurd unwahrscheinlich, dass wir die Beobachtungsdaten kriegen, die wir bekommen haben.
Das zeigt auch der Vergleich mit M87. Auch dort passen die Beobachtungsdaten perfekt zu einem klassischen schwarzen Loch. Wenn da also KEIN schwarzes Loch ist, dann muss man davon ausgehen, dass man rein durch Zufall ein exotisches Dingens beobachtet hat, dass in den Daten genau so aussieht wie ein schwarzes Loch. Und zwar nicht nur bei uns sondern auch in M87, dessen Masse aber 1500 mal größer ist. Zwei Zufälle, auf so unterschiedlichen Größenskalen, die am Ende genau das gleiche Objekt vortäuschen: Das ist so unwahrscheinlich, dass man definitiv davon ausgehen kann, dass es sich um ein schwarzes Loch handelt.
Fazit: Was haben wir gelernt
Nimmt man alles zusammen (die restlichen vier Artikel der Serie sind ziemlich technisch und speziell, die werde ich jetzt nicht mehr besprechen), dann kann man auf jeden Fall zwei Dinge feststellen_
- 1) Das schwarze Loch im Zentrum der Milchstraße ist dem schwarzen Loch im Zentrum von M87 enorm ähnlich. Betrachtet man nur die unmittelbare Umgebung des Schattens, dann sind sie quasi identisch. Dort also, wo die Effekte der Allgemeinen Relativitätstheorie die Hauptrolle spielen, scheint es auch egal zu sein, ob man ein kleines oder großes schwarzes Loch vor sich hat. Loch ist Loch; da gibt es wenig Raum für Individualität und das berühmte “Keine-Haare-Theorem” scheint korrekt zu sein.
- 2) Dort wo die Strahlung der Materie in der Scheibe um das schwarze Loch dominiert gibt es jede Menge Unterschiede. Das Bild des Rings von M87 ist anders als das in der Milchstraße.
Wir haben also nach zwei Bildern von schwarzen Löcher schon festgestellt, dass es sich lohnt, auch weitere Löcher zu beobachten (was aber eh auch vorher klar war). Das astrophysikalische Objekt selbst hat zwar wenig Eigenschaften, ist vor allem schwarz und ein Ereignishorizont unterscheidet sich hauptsächlich in der Größe von einem anderen. Aber was runderhum passiert ist eine ganz andere Sache und kann uns viel über die Vorgänge in der Galaxie selbst verraten. Wenn wir es denn verstehen; bei der Frage nach der Neigung der Rotationsachse des Lochs in der Milchstraße müssen wir ja noch ein wenig weiterarbeiten…
Was kommt noch
Ihr erinnert euch: Die Daten, auf denen die Bilder basieren stammen aus dem April 2017. Man hat aber natürlich auch danach noch Beobachtungen gemacht. Die sind nur noch nicht ausgewertet! Das heißt, wir können in Zukunft auf jeden Fall mit neuen Daten und Erkenntnissen rechnen. Das EHT selbst wird auch immer wieder erweitert; immer neue Beobachtungspositionen auf der Welt kommen dazu. Unser Radioauge wird also schärfer und wir werden dann bald auch hoffentlich ein drittes, viertes oder fünftes Bild eines schwarzen Lochs haben. Und was wir dann alles entdecken werden: Das wird spannend!
Hören
Wer das ganze lieber anhören statt lesen will, kann sich diese Folge des Podcast “Das Universum” anhören, da diskutieren meine Kollegin Ruth und ich ausführlich über das Thema:
Ich will noch mehr wissen!
Hier sind ein paar Texte zu diversen Eigenschaften schwarzer Löcher:
- Physik-Nobelpreis 2020: Schwarze Löcher und schnelle Sterne!
- Das mittelgroße schwarze Loch und die (eventuelle) Lösung eines ungelösten Problems
- Der spaghettisierte Stern und das schwarze Loch: Ein anderer Blick
- Gravitation macht schwarze Löcher: Der Physik-Nobelpreis von Roger Penrose und das Singularitäten-Theorem
- Wenn “Blaneten” riesige schwarze Löcher umkreisen…
- Ein schwarzes Loch zerreißt einen Stern und wir haben von Anfang an zugesehen!
- Die unerwartete Helligkeit des schwarzen Lochs im Zentrum der Milchstraße
- Wie weit ist das der Erde am nächsten gelegene schwarze Loch entfernt?”>Schwarze Löcher sind keine Staubsauger!
- Wie weit ist das der Erde am nächsten gelegene schwarze Loch entfernt?”>Zehntausend Schwarze Löcher im Zentrum der Milchstraße
- Wie weit ist das der Erde am nächsten gelegene schwarze Loch entfernt?”>Wie man schwarze Löcher ein- und ausschaltet
- Wie weit ist das der Erde am nächsten gelegene schwarze Loch entfernt?”>Schwarze Löcher und die dunkle Materie
- Wie weit ist das der Erde am nächsten gelegene schwarze Loch entfernt?
- Schwarze Löcher und vierdimensionale Würfel: Die Wissenschaft von “Interstellar”
- Wie kommt die Gravitation aus dem schwarzen Loch heraus?
- Der Einfluss des Zentrums auf das Ganze: Quasare und die Evolution von Galaxien
- Was hat das schwarze Loch gefressen?
- Das schwarze Loch im Zentrum der Milchstraße frisst Asteroiden!
- Ein schwarzes Loch schluckt einen Stern
Ganz besonders intensiv hat sich natürlich Stephen Hawking mit schwarzen Löchern beschäftigt. Was genau er da gemacht hat, könnt ihr in meiner Serie dazu nachlesen oder auch ausführlicher in meinem Buch zum Thema: “Hawking in der Nussschale: Der Kosmos des großen Physikers”*.
Wer lieber hört als liest, kann sich auch ein paar Folgen meines Sternengeschichten-Podcasts über schwarze Löcher anhören:
- Sternengeschichten Folge 471: Primordiale Schwarze Löcher
- Sternengeschichten Folge 459: Ist das Universum ein schwarzes Loch?
- Sternengeschichten Folge 455: Die Geschichte der aktive Galaxienkerne
- Sternengeschichten Folge 430: Weiße Löcher
- Sternengeschichten Folge 406: Cygnus X-1
- Sternengeschichten Folge 383: Das Keine-Haare-Theorem der schwarzen Löcher
- Sternengeschichten Folge 358: Very Long Baseline Interferometry
- Sternengeschichten Folge 357: Wie man schwarze Löcher sehen kann
- Folge 40: Das böse schwarze Loch
- Folge 52: Was sind Quasare?
- Folge 223: Die Geschichte der Radioastronomie
- Folge 238: Die Hawking-Strahlung
- Folge 279: Exotische Sterne Teil 1 – Quark-Sterne und seltsame Sterne
- Folge 280: Exotische Sterne Teil 2 – Elektroschwache Sterne und Planck-Sterne
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