Forschung

Funkelnder Ring um schwarzes Loch

24.09.2020 - Orientierung und Feinstruktur des Rings ändert sich mit der Zeit.

Im vergangenen Jahr veröffent­lichte die „Event Horizon Telescope“-Kollabo­ration das erste Bild eines schwarzen Lochs und enthüllte damit das super­masse­reiche Objekt im Zentrum der Galaxie M87. Das EHT-Team hat jetzt Archiv­daten von 2009 bis 2013 analysiert, wobei die Beteiligung des APEX-Teleskops seit 2013 eine wichtige Rolle spielt. Die Auswertung zeigt zum ersten Mal, wie sich das Bild des schwarzen Lochs über mehrere Jahre hinweg entwickelt. Der ring­förmige Schatten ist tatsäch­lich immer vorhanden, verändert jedoch seine Ausrichtung und Hellig­keits­verteilung - der Ring um das schwarze Loch scheint zu funkeln.

Das EHT ist ein globaler Zusammen­schluss von Radio­teleskopen. Zusammen­geschaltet bilden sie ein virtuelles Teleskop, dessen Durch­messer dem der Erde entspricht. Bei dieser Very Long Baseline Inter­fero­metrie werden die Signale der Einzel­antennen gleichsam über­lagert. Die Synchro­ni­sation geschieht mithilfe von hoch­präzisen Atom­uhren auf die Nano­sekunde genau. In den Jahren vor 2017 wurde M87 von einem kleineren VLBI-Netzwerk beobachtet, das als Vorläufer des EHT den Weg zu nach­folgenden Beobachtungen geebnet hat. Zwischen 2009 und 2012 waren Teleskope in Kalifornien, Arizona, und Hawaii beteiligt. Im Jahr 2013 kam das APEX-Teleskop in Chile dazu. Im Jahr 2017 kamen weitere Antennen hinzu, insbesondere das ALMA-Inter­fero­meter in Chile, das IRAM-30m-Teleskop in Spanien und das South Pole Telescope.

„Durch die Teilnahme von APEX und ALMA, beide auf der Süd­halb­kugel, konnte die Winkel­auf­lösung des EHT dramatisch verbessert werden“, erläutert Alan Roy, VLBI-Projekt­wissen­schaftler für APEX am MPI für Radio­astronomie. „So wurde der Weg für eine Bildgebung in höchster Qualität geebnet.”

„Die im April 2019 präsentierten Ergebnisse ergeben das Bild eines schwarzen Lochs mit zwei wesent­lichen Elementen: einem Ring, der das um das schwarze Loch wirbelnde Plasma zeigt, und einem dunklen inneren Bereich, in dem wir den Ereignis­horizont des schwarzen Lochs vermuten“, sagt Maciek Wielgus von der Harvard University in den USA. Das im Jahr 2019 präsentierte Ergebnis basiert auf Beobachtungen über einen Zeitraum von nur einer Woche im April 2017 – das ist zu kurz, um lang­fristige Verände­rungen zu sehen. Auch nach der sorg­fältigen Analyse blieben einige Fragen bezüglich der zeitlichen Statio­narität des Rings offen. Deshalb wurden vorhandene ältere Archiv­daten noch­mals unter­sucht.

Die Beobachtungen von 2009 bis 2013 basieren auf deutlich weniger Daten als die von 2017. Deshalb ist es schwierig, M87 ohne einige Annahmen zu kartieren. Das EHT-Team verwendete daher geometrisch basierte, ausge­feilte statistische Modell­verfahren, um nach zeit­lichen Verände­rungen im Erscheinungs­bild des schwarzen Lochs in den Archiv­daten zu suchen.

Die Beobachtungen zwischen 2009 und 2017 zeigen, dass das schwarze Loch weit­gehend den Erwartungen entspricht. Der Durch­messer vom Schatten des schwarzen Lochs stimmt mit den Vorher­sagen der Allgemeinen Relativitäts­theorie für ein schwarzes Loch mit 6,5 Milliarden Sonnen­massen überein. Die Tatsache, dass sich die Morpho­logie des asymme­trischen Rings über mehrere Jahre nicht ändert, schafft Vertrauen in die Realität des publi­zierten Rings als Schatten eines schwarzen Lochs sowie in dessen physika­lische Inter­pretation.

Zwischen 2009 und 2017 bleibt der Durch­messer des Schattens also unverändert. Dennoch halten die Daten für das EHT-Team noch eine kleine Über­raschung bereit. „Die Orien­tierung und Fein­struktur des Rings ändert sich ein wenig mit der Zeit. Das erlaubt einen ersten Blick auf den Materie­strom, der auf das schwarze Loch einfällt, sowie auf seine Dynamik nahe des Ereignis­horizonts“, sagt Thomas Krich­baum vom MPI für Radio­astronomie. „Um zu verstehen, wie genau relati­vistische Jets im Umfeld eines schwarzen Lochs erzeugt werden, ist es wichtig, diese Region im Detail zu unter­suchen. Die genaue Form des Schattens wird es Wissen­schaftlern in Zukunft ermöglichen, neue Tests der Allge­meinen Relativitäts­theorie zu entwickeln.“

Während das Gas auf das schwarze Loch fällt, wird es auf mehrere Milliarden Kelvin aufge­heizt und ionisiert. Da der magneti­sierte Materie­strom turbulent ist, scheint der Ring im Laufe der Zeit zu funkeln, wodurch einige theoretische Modelle der Akkretion hinter­fragt werden müssen.

„In den kommenden Jahren möchten wir unter­suchen, wie sich die Struktur des schwarzen Lochs mit der Zeit verändert“, sagt Anton Zensus, Direktor am MPI für Radio­astronomie und Gründungs­vorsitzender des EHT-Kollabo­rations­gremiums. „Daher analysieren wir gerade die EHT-Daten aus dem Jahr 2018 und bereiten die neuen Beobachtungen für 2021 vor. Dann werden drei weitere Teleskope teilnehmen: das NOEMA-Inter­ferometer in den französischen Alpen, ein Teleskop in Grönland nahe Thule und das Kitt-Peak-Teleskop in Arizona. Unser virtuelles welt­um­spannendes Teleskop wird also größer und empfind­licher und die bild­gebenden Verfahren werden damit genauer. Ich gehe davon aus, dass wir viel Neues über den Schatten des schwarzen Lochs und den inneren Jet der Radio­galaxie M87 lernen werden.“

MPIfR / RK

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