Forschung

Schwarzes Loch in der Mitte der Milchstraße

13.05.2022 - Beobachtung mit dem Event Horizon Telescope verbessert das Verständnis der Vorgänge im galaktischen Zentrum.

Es sitzt tief im Herzen der Milchstraße, ist 27.000 Lichtjahre von der Erde entfernt und ähnelt einem Donut: So präsentiert sich das schwarze Loch im Zentrum unserer Galaxis auf dem Bild, das Forschende mit dem Event Horizon Telescope (EHT) gewonnen haben. Dabei liefert das Team den Beweis, dass dieses Objekt wie vermutet zur Familie der kosmischen Schwer­kraftfalle gehört. Die Radiodaten der im weltweiten EHT-Netz verbundenen Obser­vatorien wurden an zwei Supercomputern am Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn und am Haystack Obser­vatory im US-amerikanischen Massachusetts gewonnen. Beteiligt an der Beobachtung waren auch das Apex-Teleskop des Bonner Instituts sowie die Dreißig-Meter-Antenne des Institut de Radio­astronomie Milli­métrique (IRAM).

Das jetzt veröffentlichte Bild ist der lang erwartete direkte Blick auf das Objekt im Zentrum unserer Galaxis, das unter dem Namen Sagittarius A* bekannt ist. Schon seit vielen Jahren nehmen Forschende diesen Bereich der Milchstraße unter die Lupe und beobachten beispiels­weise Sterne, die um ein unsichtbares, kompaktes und sehr masse­reiches Etwas kreisen. Für diese Arbeiten wurden Andrea Ghez von der University of California sowie Reinhard Genzel vom Garchinger Max-Planck-Institut für extra­terrestrische Physik im Jahr 2020 mit dem Nobelpreis ausge­zeichnet. „Unsere Entdeckung zeigt, dass es sich bei dem Objekt im galaktischen Zentrum tatsächlich um ein schwarzes Loch handelt“, sagt Anton Zensus, Direktor am Max-Planck-Institut für Radio­astronomie und Gründungs­vorsitzender des EHT-Aufsichtsrats.

Das Bild liefere den ersten direkten visuellen Beweis dafür. Das schwarze Loch selbst ist auf der Aufnahme zwar nicht zu sehen, weil es naturgemäß keine Strahlung aussendet. Doch zeigt das glühende Gas darum herum eine verräte­rische Signatur – eine dunkle zentrale Region („Schatten“), die von einer hellen ringartigen Struktur umgeben ist. Deren Licht wird durch die immense Gravitation des schwarzen Lochs gleichsam gebeugt. „Wir waren verblüfft, wie gut die Größe des beobachteten Rings mit den Vorhersagen von Einsteins All­gemeiner Relativitäts­theorie übereinstimmt“, sagt EHT-Projekt­wissenschaftler Geoffrey Bower vom Institut für Astronomie und Astrophysik der Academia Sinica in Taipeh. Die Beobachtungen hätten das Verständnis der physikalischen Prozesse in den Zentren von Galaxien erheblich verbessert und würden Erkenntnisse darüber liefern, wie solche riesige Schwerkraft­fallen mit ihrer Umgebung wechselwirken.

Da das schwarze Loch im Zentrum der Milchstraße 27.000 Lichtjahre von der Erde entfernt ist, erscheint es uns am Himmel etwa so groß wie ein Donut auf dem Mond. Um es abzubilden, schuf das Team das leistungs­starke EHT, das erst acht, heute elf Radio­observatorien auf der ganzen Welt zu einem einzigen virtuellen Teleskop von Erdgröße verbindet. Mit der Inter­ferometrie-Methode beobachteten die Astronominnen und Astronomen während mehrerer Nächte im April 2017 das Objekt Sagittarius A*. Bei einer Wellenlänge von 1,3 Millimeter sammelten sie über viele Stunden am Stück Daten, ähnlich wie bei der langen Belichtungs­zeit einer Kamera. Ausgewertet wurden diese Daten von zwei Korrelatoren – Hochleistungs­rechner, die am Max-Planck-Institut für Radio­astronomie und am Haystack Observatory stehen.

Neben anderen Einrichtungen umfasst das EHT-Netzwerk von Radio­observatorien das Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) und das Atacama Pathfinder EXperiment (APEX) in der Atacama-Wüste in Chile, die von der ESO im Namen ihrer europäischen Mitglieds­staaten mitbetreut werden. Europa trägt auch mit anderen Radio­observatorien zu den EHT-Beobachtungen bei – dem Dreißig-Meter-Teleskop IRAM in Spanien und, seit 2018, dem Northern Extended Millimeter Array (NOEMA) in Frankreich. „Der Beitrag unseres Apex-Teleskops war essenziell, um eine perfekte Kalibrierung der sich verändernden Helligkeit der Quelle zu erreichen und den endgültigen Beweis für den Schatten des schwarzen Lochs im galak­tischen Zentrum zu erbringen“, sagt Apex-Direktor Karl Menten.

Die aktuelle Beobachtung folgt auf die bereits im Jahr 2019 veröffentlichte erste Aufnahme eines schwarzen Lochs (M 87*) im Zentrum der Galaxie Messier 87, die in wesentlich größerer Entfernung zur Erde liegt. Die beiden Objekte gleichen sich, obwohl das schwarze Loch im Zentrum unserer Milchstraße mehr als tausendmal kleiner und viel leichter ist als M 87*. „Wir haben es mit zwei völlig unterschiedlichen Arten von Galaxien und zwei sehr unterschiedliche Massen von schwarzen Löchern zu tun, aber in der Nähe ihrer Ränder sehen sie sich verblüffend ähnlich“, sagt Sera Markoff, Ko-Vorsitzende des EHT-Wissen­schaftsrats von der Universität von Amsterdam. 

Dieses Mal war die Auswertung der Daten wesentlich schwieriger als bei der 55 Millionen Lichtjahre entfernten Galaxie M 87, obwohl uns das Milchstraßen­zentrum mit 27.000 Lichtjahren viel näher liegt. Zwar strudelt das Gas praktisch mit derselben Geschwindigkeit um die beiden schwarzen Löcher – fast so schnell wie das Licht. Doch während es Tage bis Wochen braucht, um das größere Objekt M 87* zu umkreisen, vollendet es bei dem viel kleineren Sagittarius A* seine Umlaufbahn in nur wenigen Minuten. „Daher änderten sich Helligkeit und Erscheinungs­bild des Gases um Sagittarius A* während unserer Beobachtung sehr rasch“, sagt Chi-kwan Chan von der University of Arizona. „Das ist so, als würde man versuchen, ein scharfes Bild von einem Hund aufzunehmen, der unentwegt mit dem Schwanz wedelt.“

Die Forschenden mussten ausgeklügelte neue Methoden entwickeln, um die Gas­bewegungen um das schwarze Loch Sagittarius A* erklären zu können, das rund vier Millionen Sonnenmassen „wiegt“. Dagegen war M 87* mit seinen sechseinhalb Milliarden Sonnen­massen ein einfacheres, stabileres Ziel gewesen. Zudem befinden wir uns mit der Erde in der galaktischen Ebene, was einen Streueffekt in den Radio­messungen verursacht. Zusätzlich erschwert heißes Gas mit geladenen Teilchen und Magnetfeldern in der Sichtlinie die Analyse. So ist das Bild von Sagittarius A* ein Mittelwert von verschiedenen Bildern, die das Team aus den Daten extrahiert hat. Maßgeblich an der Kalibrierung beteiligt waren Maciek Wielgus sowie Michael Janßen, beide vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie. Für Tests der Allgemeinen Relativitäts­theorie und den Nachweis eines Ereignis­horizonts trug ihr Instituts­kollege Gunther Witzel die Ergebnisse anderer Beobachtungen zusammen.

Der EHT-Kollaboration gehören weltweit mehr als 300 Forschende aus achtzig Instituten an. In den vergangenen fünf Jahren hat das Team unter anderem komplexe Instrumente entwickelt und eine einzigartige Bibliothek von numerisch simulierten schwarzen Löchern zum Vergleich mit den Beobachtungen zusammen­gestellt. Diese dienen unter anderem dazu, die Theorien der Gravitation zu überprüfen. Nach den Worten von Michael Kramer, Direktor am Max-Planck-Institut und einem der Projektleiter des Black Hole Cam-Projekts, war das frühere Bild von M 87* dafür nur bedingt geeignet. „Bei Messier 87 hatten wir keine verlässlichen Vorkennt­nisse über die Masse des schwarzen Lochs. Im aktuellen Fall ist das ganz anders. Dank vorhergehender Messungen wie denen von Reinhard Genzel kennen wir sowohl die Entfernung als auch die Masse von Sagittarius A* sehr genau, sodass wir die erwartete Schattengröße berechnen konnten, um sie mit den Beobachtungen zu vergleichen. Und sie passt sehr gut!“

Anhand der Bilder von nunmehr zwei schwarzen Löchern unter­schiedlicher Größe können die Forschenden die beiden Objekte miteinander vergleichen und prüfen, wodurch sie sich unterscheiden. Zudem lassen sich mit den neuen Daten etwa Theorien und Modelle darüber testen, wie sich Schwerkraft und Materie in der extremen Umgebung von supermasse­reichen schwarzen Löchern verhalten. Dies ist noch nicht vollständig geklärt, spielt aber offenbar eine Schlüsselrolle bei der Entstehung und Entwicklung von Galaxien. „Die Ergebnisse des Event Horizon Telescope sind eine ideale Ergänzung der Resultate, die von der Gruppe um Reinhard Genzel am Max-Planck-Institut für extra­terrestrische Physik im Infrarot­bereich mit dem Instrument Gravity erzielt wurden“, sagt IRAM-Direktor Karl Schuster. Unterdessen gehen die Messungen mit dem Event Horizon Telescope weiter: An einer großen Kampagne im März 2022 waren elf Obser­vatorien beteiligt. „Jetzt sind wir natürlich alle sehr gespannt, was die EHT-Beobachtungen in den Jahren 2021 und 2022 unter Mitwirkung unseres leistungs­starken Noema-Obser­vatoriums ergeben werden“, sagt Schuster.

MPG / ESO / JOL

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