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Event Horizon Telescope

ein Projekt zur Schaffung eines Verbundes aus Radioteleskopen
Einzelobservatorien des Event Horizon Telescope

Das Event Horizon Telescope (EHT, deutsch Ereignishorizontteleskop) ist ein Verbund von Radioteleskopen, um mittels Very Long Baseline Interferometry (VLBI) weit entfernte Schwarze Löcher zu untersuchen. Radioteleskope auf der ganzen Welt nehmen dafür Signale auf, die durch die Schwarzen Löcher verursacht werden. Die sich daraus ergebenden Messreihen werden gespeichert (für Internet-Versand sind die Datenmengen zu groß) und auf Datenträgern (Racks mit Festplatten[1]) zu Computerzentren (wie dem VLBI-Korrelator am Bonner Max-Planck-Institut für Radioastronomie) gebracht, wo sie ausgewertet werden. Der große Abstand der Teleskope auf der Erdoberfläche macht dabei eine Winkelauflösung möglich, die weit über jener der einzelnen Radioteleskope liegt.

Die ersten beiden Ziele des Verbunds sind das supermassereiche Schwarze Loch Sagittarius A* im Zentrum der Milchstraße und das Schwarze Loch im Zentrum der elliptischen Riesengalaxie M87. Damit sollen Vorhersagen der Allgemeinen Relativitätstheorie überprüft sowie Erklärungsansätze zur Entstehung der äußerst energetischen Jets supermassereicher Schwarzer Löcher gefunden werden.[1][2]

Erste Vorschläge, wie der Ereignishorizont mit zusammengeschalteten Radioteleskopen beobachtet werden könnte, wurden im Jahr 2000 von Heino Falcke, Fulvio Melia und Eric Agol gemacht[3]. Die Pläne für das EHT wurden konkretisiert bei einem Treffen der Radioastronomen im Januar 2012 in Tucson („Bringing Black Holes into Focus: The Event Horizon Telescope“). Beobachtet wird bei einer Wellenlänge von 1,3 mm (230 GHz); erste Versuche wurden bei der noch kürzeren Wellenlänge von 0,85 mm gemacht. (Eine erste Veröffentlichung über diese Tests ist in Vorbereitung.) Das Schlüsselelement zum Erfolg des EHTs ist, dass das Radio-Interferometer ALMA im Jahr 2016 bei 230 GHz VLBI-fähig gemacht wurde (ebenso im 86-GHz-Band im Global Millimeter VLBI Array, GMVA). Es nahm am Anfang April 2017 erstmals an VLBI-Beobachtungen bei 86 GHz (GMVA) und 230 GHz (EHT) teil, was die Auflösung in Nord-Süd-Richtung um einen Faktor drei und die Empfindlichkeit stark verbesserte.[4][5]

Direktor des EHTs ist seit 2017 Shep Doeleman. Der Vorsitzende des EHT-Boards ist Anton Zensus, der wissenschaftliche Beirat wird geleitet von Heino Falcke. Der EHT-Kooperation wurde der Breakthrough Prize in Fundamental Physics 2020 zugesprochen.

Schwarzes Loch in der Galaxie M87Bearbeiten

 
Erste veröffentlichte Darstellung des „Schattens“ und der Akkretionszuflüsse eines Schwarzen Lochs, berechnet aus Aufnahmen des Event-Horizon-Teleskops (Kern der Galaxie Messier 87)
 
Rückseite des 15 Meter großen James-Clerk-Maxwell-Teleskops

Am 10. April 2019 wurden die ersten hochauflösenden Aufnahmen des aktiven Kerns der Galaxie M87 der Öffentlichkeit vorgestellt.[6] Dabei handelte es sich um das Endergebnis einer monatelangen Analyse mit komplexen Bildverarbeitungsalgorithmen und Ausschluss von Störeffekten.[7][8] M87 ist 55 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt, und das Schwarze Loch im Zentrum hat eine Masse, die vor der nunmehr vorliegenden Beobachtung mit dem EHT auf 6,6 Milliarden Sonnenmassen geschätzt wurde. Abgebildet wurden erstmals die durch Gravitation ringförmig verzerrt abgebildeten Akkretionsflüsse von aufgeheizter Materie um ein Schwarzes Loch. Der dargestellte Ring hat einen Durchmesser von 42 ± 3 Mikro-Bogensekunden und eine Breite von weniger als 20 Mikro-Bogensekunden. Der innere Rand des Rings kann aus dem Vergleich mit verschiedenen Computersimulationen mit dem sogenannten Schatten des Schwarzen Lochs identifiziert werden. Als Schatten wird die gravitativ verzerrte Projektion des Bereichs bezeichnet, aus dem kein Licht entkommt und der durch den Photonenorbit begrenzt ist, auf dem das eingefangene Licht das Schwarze Loch umkreist und durch Störungen entweder entkommen kann oder vom Schwarzen Loch aufgenommen wird. Das Schwarze Loch rotiert bei Draufsicht von der Erde wie in den veröffentlichten Abbildungen im Uhrzeigersinn. Die hellen Stellen am unteren Rand des Rings sind durch eine um 17 bis 18 Grad zur Sichtlinie des Betrachters geneigte Rotationsachse und relativistisches Beaming in Richtung des Beobachters erklärbar.[2] Der Schwarzschildradius als kennzeichnende Größe für den Ereignishorizont beträgt dagegen 4 bis 7 Mikrobogensekunden, der dunkle Bereich im Bild entspricht dem sogenannten Schatten des Schwarzen Lochs, der sich aus Gravitationslinseneffekten der Photonemissionen in unmittelbarer Nähe des Schwarzen Lochs ergibt. Er ist bis zu fünfmal größer als der Ereignishorizont.[9] Die berechneten Bilder zeigen sehr gute Übereinstimmung mit Simulationen auf Basis der allgemeinen Relativitätstheorie und übertraf die Erwartungen und überraschte beteiligte Wissenschaftler wie Anton Zensus, den Direktor des Bonner Max-Planck-Instituts für Radioastronomie.[10]

Eine direkte Verbindung zum Jet von M 87 ergibt sich nicht aus den Aufnahmen. Aufgrund der Neigung der Rotationsachse zur Sichtlinie und relativistischen Effekten ist auch im Optischen nur einer der beiden Jets von M 87 zu erkennen.

Viele Aussagen ergeben sich aus dem Vergleich der Bilder mit Computersimulationen (durchgeführt von der Gruppe von Luciano Rezzolla von der Universität Frankfurt), aufgrund der Verzerrung durch die starke Gravitation sind aber die Rückschlüsse auf die zugrundeliegenden Szenarien nicht immer eindeutig – beispielsweise würde sich ein ähnliches Bild ergeben, wenn man auf die Kante einer strahlenden Plasmascheibe um das Schwarze Loch sieht, da durch die Raumzeitkrümmung Ober- und Unterseite gleichzeitig sichtbar wären.[11] Die Vergleiche reichen für eine Abschätzung der Masse des Schwarzen Lochs zu 6,5 ±  0,7 Milliarden Sonnenmassen, nicht aber für eine Festlegung des Drehimpulses. Bei einem rotierenden Schwarzen Loch verändert sich die Form des Ereignishorizonts (Kerr-Metrik), die Abweichung beträgt aber nur rund vier Prozent und hängt vom Blickwinkel ab. Ausgeschlossen werden kann eine Nackte Singularität, da der Schatten kleiner und deutlich asymmetrischer wäre.

An der Entstehung der Bilder (insgesamt entstanden vier jeweils an einem Beobachtungstag) waren an vier Tagen im April 2017 acht Teleskope beteiligt. Die acht Teleskope waren weltweit verteilt: in Arizona (SMT, Submillimeter Telescope), Chile (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (Alma) und Atacama Pathfinder Experiment, Apex), Hawaii (Submillimeter Array, SMA, James Clerk Maxwell Telescope, JCMT), Mexiko (Large Millimeter Telescope, LMT), in der Antarktis am Südpol (South Pole Telescope) und in Spanien (Pico del Veleta in der Sierra Nevada, das 30 m IRAM Teleskop, PV). Die effektive Auflösung des Teleskops, die sich aus der Zusammenschaltung der Einzelteleskope ergibt, entspricht dem weitesten Abstand der Beobachtungsstationen (11.000 km); nicht jedoch die Lichtsammelleistung. Die entspricht nur der Summe der beteiligten Teleskope. Die Winkelauflösung entspricht der Auflösung eines Tennisballs auf dem Mond bei Beobachtung von der Erde. Inzwischen ist das EHT Netzwerk noch erweitert worden. Die sehr umfangreichen Daten (viele Petabytes, jedes der acht Teleskope lieferte täglich rund 350 Terabyte),[10] deren physischer Transport zum Beispiel aus der Antarktis ein besonderes Problem darstellte, mussten dann zeitlich und bezüglich der Teleskopausrichtung exakt verglichen werden. Die Datenauswertung erfolgte am Max-Planck-Institut für Radioastronomie und am MIT-Haystack-Observatorium und zog sich zwei Jahre hin, nicht nur wegen der Zusammensetzung der Daten der verschiedenen Teleskope, sondern auch weil die beteiligten Wissenschaftler sichergehen wollten, dass sie am Ende der komplexen Prozedur der Bilderstellung wirklich eine direkte Aufnahme eines Schwarzen Lochs vor sich hatten. Beteiligt waren über 200 Wissenschaftler aus 20 Nationen und von 59 Institutionen. An den vier Beobachtungstagen am 5., 6., 10. und 11. April 2017 herrschte ein Fenster guten Wetters auf allen acht Stationen.[12]

Gleichzeitig entstanden Bilder von Sagittarius A*, dem supermassiven Schwarzen Loch im Zentrum der Milchstraße, die inzwischen weiter verbessert wurden. Dieses erscheint etwa gleich groß (es ist zwar mit 26.000 Lichtjahren deutlich – etwa tausendmal – näher, das Schwarze Loch in M 87 dafür aber rund tausendmal schwerer), ist aber dynamischer und die Bilder deshalb unschärfer. Die Materie in unmittelbarer Nähe zirkuliert bei Sagittarius A im Abstand einiger Minuten und nicht in einigen Tagen wie bei M 87.[13] Die Bilder von Sagittarius A sollen ebenfalls bald der Öffentlichkeit vorgestellt werden (Stand: April 2019).[14] In den bisher präsentierten Aufnahmen ist noch kein Schatten zu sehen, sie werden aber noch um Streueffekte im interstellaren Raum zwischen Erde und Sagittarius A korrigiert.[15]

Gegenwärtig (2019) sind nur die Schatten der Schwarzen Löcher von M 87 und unserer Milchstraße groß genug, um beobachtet zu werden.[16]

 
Röntgenbild von Sagittarius A* und zwei Lichtechos (markiert) einer früheren Explosion

Teilnehmende InstitutionenBearbeiten

Zu den teilnehmenden Institutionen gehören:[17]

WeblinksBearbeiten

LiteraturBearbeiten

EinzelnachweiseBearbeiten

  1. a b Davide Castelvecchi: How to hunt for a black hole with a telescope the size of Earth. In: Nature. Band 543, Nr. 7646, 23. März 2017, S. 478–480, doi:10.1038/543478a.
  2. a b Kazunori Akiyama u. a. (Event Horizon Telescope Collaboration): First M87 Event Horizon Telescope Results. I. The Shadow of the Supermassive Black Hole, Astroph. J. Letters, 10. April 2019, IOPScience
  3. Falcke, Melia, Agol: Viewing the Shadow of the Black Hole at the Galactic Center, Astroph. J. Letters, Band 528, 2000, S. 13, bibcode:2000ApJ...528L..13F, doi:10.1086/312423.
  4. Sara Issaoun et al.: The Size, Shape, and Scattering of Sagittarius A* at 86 GHz: First VLBI with ALMA. ApJ, 2019, doi:10.3847/1538-4357/aaf732, arXiv:1901.06226.
  5. The Event Horizon Telescope Collaboration et al.: First M87 Event Horizon Telescope Results. I. The Shadow of the Supermassive Black Hole. 2019 ApJL 875 L1' doi:10.3847/2041-8213/ab0ec7.
  6. European Commission: Breakthrough discovery in astronomy: press conference. 10. April 2019, abgerufen am 10. April 2019.
  7. Frank Wunderlich-Pfeiffer: Kein Foto von einem schwarzen Loch. In: Golem.de. 19. April 2019, abgerufen am 19. April 2019.
  8. The Event Hirzon Telescope Collaboration: First M87 Event Horizon Telescope Results. IV. Imaging the Central Supermassive Black Hole. The Astrophysical Journal Letters, 10. April 2019.
  9. Tief im Innern von M 87, MPI Radioastronomie, 20. April 2017
  10. a b Sybille Anderl, Thiemo Heeg, Tor zur Hölle, Frankfurter Allgemeine Woche, Nr. 16, 12. April 2019, S. 60
  11. Ulf von Rauchhaupt, Eine nackte Singularität ist es schon mal nicht, Frankfurter Allgemeine Sonntagszeitung, 14. April 2019, S. 57
  12. Shep Doeleman: Focus on the First Event Horizon Telescope Results, Astroph. J. Letters, April 2019
  13. Korey Haynes, Event Horizon Telescope releases first ever black hole image, Astronomy.com, 10. April 2019
  14. Johann Grolle, Blick ins Nichts, Der Spiegel, Nr. 16, 13. April 2004, S. 94–103, hier S. 96f
  15. Lüftung des Schleiers um das Schwarze Loch im Zentrum unserer Milchstraße, MPG für Radioastronomie, 21. Januar 2019
  16. Ulf von Rauchhaupt, Eine nackte Singularität ist es schon mal nicht, Frankfurter Allgemeine Sonntagszeitung, 14. April 2019, S. 56
  17. Collaborators. (Nicht mehr online verfügbar.) In: eventhorizontelescope.org. Archiviert vom Original am 15. April 2017; abgerufen am 27. März 2017 (englisch).   Info: Der Archivlink wurde automatisch eingesetzt und noch nicht geprüft. Bitte prüfe Original- und Archivlink gemäß Anleitung und entferne dann diesen Hinweis.@1@2Vorlage:Webachiv/IABot/eventhorizontelescope.org