Neue Bilder von Schwarzen Löchern zeigen einen leuchtenden, flauschigen Ring und ein Hoch

May 13, 2024

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Im Jahr 2017 nahmen Astronomen das erste Bild eines Schwarzen Lochs auf, indem sie Radioschüsseln auf der ganzen Welt so koordinierten, dass sie als ein einziges Teleskop in Planetengröße fungierten. Das synchronisierte Netzwerk, das zusammen als Event Horizon Telescope (EHT) bekannt ist, konzentrierte sich auf M87*, das Schwarze Loch im Zentrum der nahegelegenen Messier-87-Galaxie. Die laserfokussierte Auflösung des Teleskops zeigte einen sehr dünnen leuchtenden Ring um ein dunkles Zentrum, der das erste Bild des Schattens eines Schwarzen Lochs darstellt.

Jetzt haben Astronomen ihre Sicht neu ausgerichtet, um eine neue Schicht von M87* einzufangen. Das Team, zu dem auch Wissenschaftler am Haystack Observatory des MIT gehören, hat ein weiteres globales Netz von Observatorien – das Global Millimeter VLBI Array (GMVA) – genutzt, um eine stärker verkleinerte Ansicht des Schwarzen Lochs aufzunehmen.

Die neuen Bilder, die ein Jahr nach den ersten Beobachtungen des EHT aufgenommen wurden, zeigen einen dickeren, flauschigeren Ring, der 50 Prozent größer ist als der zuerst gemeldete Ring. Dieser größere Ring spiegelt die Auflösung des Teleskoparrays wider, die darauf abgestimmt wurde, mehr von dem superheißen, leuchtenden Plasma rund um das Schwarze Loch aufzunehmen.

Zum ersten Mal konnten Wissenschaftler sehen, dass ein Teil des Rings des Schwarzen Lochs aus Plasma einer umgebenden Akkretionsscheibe besteht – einem wirbelnden Pfannkuchen weißglühender Elektronen, der nach Schätzungen des Teams auf Milliarden Grad Celsius erhitzt wird, während das Plasma in die Scheibe strömt Schwarzes Loch mit nahezu Lichtgeschwindigkeit.

Die Bilder zeigen auch Plasma, das aus dem Zentralring austritt und von dem Wissenschaftler glauben, dass es Teil eines relativistischen Jets ist, der aus dem Schwarzen Loch austritt. Die Wissenschaftler verfolgten diese Emissionen zurück zum Schwarzen Loch und beobachteten zum ersten Mal, dass die Basis des Jets offenbar mit dem zentralen Ring verbunden ist.

„Dies ist das erste Bild, auf dem wir genau bestimmen können, wo sich der Ring im Verhältnis zu dem mächtigen Jet befindet, der aus dem zentralen Schwarzen Loch austritt“, sagt Kazunori Akiyama, ein Forscher am Haystack Observatory des MIT, der die verwendete Bildgebungssoftware entwickelt hat um das Schwarze Loch zu visualisieren. „Jetzt können wir damit beginnen, uns mit Fragen zu befassen, wie zum Beispiel, wie Materie von einem Schwarzen Loch eingefangen wird und wie es ihr manchmal gelingt, zu entkommen.“

Akiyama ist Teil eines internationalen Teams von Astronomen, die die neuen Bilder zusammen mit ihrer Analyse heute in einem Artikel in Nature vorstellen.

Ein erweitertes Auge

Um Bilder von M87* aufzunehmen, verwendeten Astronomen eine Technik der Radioastronomie, die als Very-Long-Baseline-Interferometrie oder VLBI bekannt ist. Wenn ein Funksignal an der Erde vorbeigeht, beispielsweise von den Plasmaemissionen eines Schwarzen Lochs, können Radioschüsseln auf der ganzen Welt das Signal empfangen. Wissenschaftler können dann den Zeitpunkt bestimmen, zu dem jede Schüssel das Signal registriert, sowie den Abstand zwischen den Schüsseln und diese Informationen auf eine Weise kombinieren, die dem Signal ähnelt, das von einem sehr großen Teleskop im Planetenmaßstab gesehen wird.

Wenn jedes Radioteleskop auf eine bestimmte Frequenz eingestellt ist, kann sich das Array als Ganzes auf ein bestimmtes Merkmal des Radiosignals konzentrieren. Das Netzwerk des EHT war auf 1,3 Millimeter eingestellt – eine Auflösung, die der Betrachtung eines Reiskorns in Kalifornien von Massachusetts aus entspricht. Bei dieser Auflösung konnten Astronomen über den größten Teil des Plasmas rund um M87* hinaussehen und den dünnsten Ring abbilden, wodurch der Schatten des Schwarzen Lochs hervorgehoben wurde.

Im Gegensatz dazu arbeitet das GMVA-Netzwerk mit einer etwas längeren Wellenlänge von 3 Millimetern, was zu einer etwas geringeren Winkelauflösung führt. Mit diesem Fokus könnte das Array eher einen Kürbiskern als ein Reiskorn auflösen. Das Netzwerk selbst besteht aus etwa einem Dutzend Radioteleskopen, die über die Vereinigten Staaten und Europa verteilt sind und sich größtenteils entlang der Ost-West-Achse der Erde befinden. Um ein wirklich planetengroßes Teleskop in die Lage zu versetzen, ein weit entferntes Radiosignal von M87* einzufangen, mussten Astronomen das „Auge“ des Arrays nach Norden und Süden erweitern.

Dazu beteiligte das Team zwei weitere Radioobservatorien: das Greenland Telescope im Norden und das Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) im Süden. ALMA ist eine Anordnung von 66 Radioschüsseln in der chilenischen Atacama-Wüste. Wissenschaftler des MIT Haystack, darunter die leitende Forschungswissenschaftlerin Lynn Matthews, arbeiteten daran, die ALMA-Gerichte in Phasen zu unterteilen oder zu synchronisieren, um als ein leistungsstarker und wesentlicher Teil des GMVA-Netzwerks zu fungieren.

„Die Anwesenheit dieser beiden Teleskope [als Teil] des globalen Arrays führte zu einer Steigerung der Winkelauflösung um den Faktor vier in der Nord-Süd-Richtung“, sagt Matthews. „Dies verbessert den Detaillierungsgrad, den wir sehen können, erheblich. Und in diesem Fall war die Konsequenz ein dramatischer Sprung in unserem Verständnis der Physik, die in der Nähe des Schwarzen Lochs im Zentrum der M87-Galaxie wirkt.“

Einschalten

Am 14. und 15. April 2018 koordinierten Astronomen die Teleskope der GMVA zusammen mit den Observatorien Grönland und ALMA, um Radioemissionen mit einer Wellenlänge von 3 Millimetern aufzuzeichnen, die aus der Richtung der Galaxie M87 kamen. Anschließend verwendeten die Wissenschaftler mehrere Bildverarbeitungsalgorithmen, darunter einen von Akiyama, um die Beobachtungen der GMVA in visuelle Bilder zu verarbeiten.

Die resultierenden Bilder zeigen mehr Plasma, das das Schwarze Loch umgibt, in Form eines größeren, flauschigeren Rings. Die Astronomen konnten auch Plasma beobachten, das aus dem zentralen leuchtenden Ring aufsteigt und herausströmt.

„Das Aufregende ist, dass wir immer noch einen zentralen dunklen Bereich sehen, der das Schwarze Loch umschließt, aber wir beginnen auch, einen ausgedehnteren Jet zu sehen, der von diesem zentralen Ring ausgeht“, sagt Akiyama.

Die Astronomen hoffen, weitere Eigenschaften des Plasmas des Schwarzen Lochs zu bestimmen, etwa sein Temperaturprofil und seine Zusammensetzung. Zu diesem Zweck planen sie, EHT und GMVA an neue Auflösungen anzupassen. Durch die Beobachtung von M87* bei mehreren Wellenlängen können sie dann ein mehrschichtiges Bild erstellen und ein detaillierteres Verständnis der Schwarzen Löcher und der von ihnen erzeugten Jets erlangen.

„Wenn auf der Welt etwas Großes passiert, können Sie sowohl AM als auch FM einschalten, um ein ‚vollständiges Bild‘ des Ereignisses zu erhalten“, sagt Geoffrey Crew, ein Haystack-Forscher, der ALMA und das EHT unterstützt. „Das ist nicht anders. Man könnte sich vorstellen, dass das EHT M87*-Bild in FM erstellt wurde und dieses Ergebnis aus AM stammt. Beide erzählen eine Geschichte, und zusammen ist es eine bessere Geschichte.“

Ein internationales Team von Astronomen, darunter MIT-Wissenschaftler, hat neue Bilder eines Schwarzen Lochs in einer nahegelegenen Galaxie aufgenommen, berichtet Jon Kelvey für Popular Science. „In Zukunft planen Astronomen, das Schwarze Loch bei anderen Wellenlängen zu beobachten, um verschiedene Teile und Schichten seiner Struktur hervorzuheben und besser zu verstehen, wie solche kosmischen Giganten im Herzen von Galaxien entstehen und zur galaktischen Entwicklung beitragen“, schreibt Kelvey.

Der Reporter der New York Times, Dennis Overbye, beleuchtet, wie Wissenschaftler ein neues Bild des Schwarzen Lochs im Zentrum der Messier-87-Galaxie aufgenommen haben und damit die „kühleren äußeren Regionen der feurigen Akkretionsscheibe des Schwarzen Lochs“ sichtbar machen. Der Forschungswissenschaftler Kazunori Akiyama erklärte: „Ich freue mich wirklich über dieses Ergebnis, denn jetzt haben wir ein neues Werkzeug, um die Umgebung des berühmten Schwarzen Lochs des EHT zu erfassen.“ Wir werden filmen können, wie die Materie in ein Schwarzes Loch fällt und schließlich entkommen kann.“

Ein Forscherteam hat ein neues Bild des Schwarzen Lochs im Zentrum der Galaxie Messier 87 erstellt, berichtet Isaac Schultz für Gizmodo. „Das neue Bild zeigt einen größeren Ring aus akkretiertem Material, als die ersten Bilder des Schwarzen Lochs vermuten ließen. Im Zentrum des Rings befindet sich das Schwarze Loch – oder sein „Schatten“, wie Wissenschaftler sagen, weil das Schwarze Loch selbst nicht abgebildet werden kann“, schreibt Schultz.

Der Forschungswissenschaftler Kazunori Akiyama spricht mit der Guardian-Reporterin Hannah Delvin über das erste Bild eines Jets, der vom Rand eines Schwarzen Lochs abgefeuert wird. „Dies ist das erste Bild, auf dem wir genau bestimmen können, wo sich der Ring im Verhältnis zu dem mächtigen Jet befindet, der aus dem zentralen Schwarzen Loch austritt“, sagt Akiyama. „Jetzt können wir damit beginnen, uns eingehender mit Fragen wie der Beschleunigung und Erwärmung von Teilchen und vielen anderen Geheimnissen rund um das Schwarze Loch zu befassen.“

Wissenschaftler haben ein neues Bild von M87*, dem Schwarzen Loch im Zentrum der Messier-87-Galaxie, aufgenommen, das den „Startpunkt eines kolossalen Strahls hochenergetischer Teilchen zeigt, der in den Weltraum schießt“, berichtet Will Dunham für Reuters. „Das ist es, was Astronomen und Astrophysiker seit mehr als einem halben Jahrhundert sehen wollten“, erklärt der Forscher Kazunori Akiyama. „Dies ist der Beginn einer aufregenden neuen Ära.“

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