Das Event Horizon Telescope, eine Anordnung von acht bodengestützten Radioteleskopen im Planetenmaßstab, die durch internationale Zusammenarbeit hergestellt wurden, hat dieses Bild des supermassiven Schwarzen Lochs im Zentrum der Galaxie M87 und seines Schattens aufgenommen.
(Bild: © EHT Collaboration)
Schwarze Löcher wurden endlich aus den Schatten gezogen.
Zum ersten Mal hat die Menschheit eines dieser schwer fassbaren kosmischen Tiere fotografiert und ein exotisches Raum-Zeit-Reich beleuchtet, das lange Zeit jenseits unseres Wissens lag.
"Wir haben gesehen, was wir für unsichtbar hielten", sagte Sheperd Doeleman von der Harvard University und dem Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics heute (10. April) während einer Pressekonferenz im National Press Club in Washington, D.C.
Doeleman leitet das Event Horizon Telescope (EHT) -Projekt, das die epischen Bilder festhält. Diese vier Fotos, die heute bei Presseveranstaltungen auf der ganzen Welt und in einer Reihe veröffentlichter Artikel enthüllt wurden, skizzieren die Konturen des schwarzen Lochs des Monsters, das im Herzen der elliptischen Galaxie M87 lauert.
Die Bilder sind an sich schon umwerfend genug. Noch bedeutender ist jedoch der Weg, den die neuen Ergebnisse wahrscheinlich beschreiten werden, sagten Forscher.
"Es gibt wirklich ein neues Gebiet zu erkunden", sagte Peter Galison, Professor für Physik und Wissenschaftsgeschichte in Harvard, in einem EHT-Vortrag letzten Monat beim South by Southwest (SXSW) -Festival in Austin, Texas. "Und das ist letztendlich das Spannende daran."
Galison, Mitbegründer der interdisziplinären Black Hole Initiative (BHI) von Harvard, verglich die möglichen Auswirkungen der Bilder mit denen der Zeichnungen des englischen Wissenschaftlers Robert Hooke aus dem 17. Jahrhundert. Diese Abbildungen zeigten Menschen, wie Insekten und Pflanzen durch ein Mikroskop aussehen.
"Es hat eine Welt geöffnet", sagte Galison über Hookes Arbeit.
Ein Teleskop von der Größe der Erde
Das EHT ist ein Konsortium von mehr als 200 Wissenschaftlern, das seit etwa zwei Jahrzehnten in Arbeit ist. Es ist ein wahrhaft internationales Unterfangen. Die Finanzierung erfolgte im Laufe der Jahre durch die US-amerikanische National Science Foundation und viele andere Organisationen in Ländern auf der ganzen Welt.
Das Projekt hat seinen Namen von dem berühmten Punkt ohne Wiederkehr eines Schwarzen Lochs - der Grenze, über die nichts, nicht einmal Licht, den Gravitationskupplungen des Objekts entkommen kann.
"Der Ereignishorizont ist die ultimative Gefängnismauer", sagte BHI-Gründungsdirektor Avi Loeb, Vorsitzender der Harvard-Astronomieabteilung, gegenüber Space.com. (Loeb ist nicht Teil des EHT-Teams.) "Wenn Sie erst einmal drin sind, können Sie nie mehr raus."
Es ist daher unmöglich, das Innere eines Schwarzen Lochs zu fotografieren, es sei denn, Sie schaffen es irgendwie, selbst hineinzukommen. (Sie und Ihre Bilder konnten es natürlich nicht zurück in die Außenwelt schaffen.)
Das EHT bildet also den Ereignishorizont ab und bildet die dunkle Silhouette des Schwarzen Lochs ab. (Die Scheibe aus sich schnell bewegendem Gas, die um und in schwarze Löcher wirbelt, sendet viel Strahlung aus, sodass solche Silhouetten hervorstechen.)
"Wir suchen nach dem Verlust von Photonen", sagte Dan Marrone, Mitglied des EHT-Wissenschaftsrates, Associate Professor für Astronomie an der Universität von Arizona, gegenüber Space.com.
Das Projekt hat zwei Schwarze Löcher untersucht - das M87-Ungetüm, das etwa die 6,5-Milliarden-fache Masse der Erdsonne beherbergt, und das zentrale Schwarze Loch unserer eigenen Milchstraße, bekannt als Schütze A *. Dieses letztere Objekt ist zwar immer noch ein supermassereiches Schwarzes Loch, aber im Vergleich zu M87s Biest, das nur 4,3 Millionen Sonnenmassen enthält, eine Kleinigkeit.
Beide Objekte sind aufgrund ihrer immensen Entfernung von der Erde harte Ziele. Schütze A * liegt ungefähr 26.000 Lichtjahre von uns entfernt, und das Schwarze Loch von M87 ist satte 53,5 Millionen Lichtjahre entfernt.
Aus unserer Sicht ist der Ereignishorizont von Sagittarius A * "so klein, dass er einer Orange auf dem Mond entspricht oder in Los Angeles Zeitung lesen kann, während Sie in New York City sitzen", sagte Doeleman während das SXSW-Event im letzten Monat.
Kein einziges Teleskop auf der Erde kann diese Beobachtung machen, daher mussten Doeleman und der Rest des EHT-Teams kreativ werden. Die Forscher haben Radioteleskope in Arizona, Spanien, Mexiko, der Antarktis und anderen Orten auf der ganzen Welt miteinander verbunden und so ein virtuelles Instrument von der Größe der Erde gebildet.
So viele Daten
Das EHT-Team hat dieses Megaskop verwendet, um die beiden supermassiven Schwarzen Löcher für zwei einwöchige Strecken zu untersuchen - einmal im April 2017 und erneut im folgenden Jahr. Die neuen Bilder stammen aus dem ersten Beobachtungslauf.
Es gibt gute Gründe, warum es zwei Jahre gedauert hat, bis das erste Ergebnis des Projekts veröffentlicht wurde. Zum einen wurden bei jeder Beobachtungsnacht etwa 1 Petabyte Daten generiert, was zu einem solchen Transport führte, dass das Team seine Informationen auf altmodische Weise von Ort zu Ort verschieben muss.
"Es gibt keine Möglichkeit, diese Daten über das Internet zu übertragen", sagte der EHT-Projektwissenschaftler Dimitrios Psaltis, Astronomieprofessor an der Universität von Arizona, auf der SXSW-Veranstaltung. "Also nehmen wir unsere Festplatten und FedEx sie von Ort zu Ort. Dies ist viel schneller als jedes Kabel, das Sie jemals finden können."
Dies verlangsamt und erschwert natürlich die Analyse. Daten aus dem EHT-Bereich in der Nähe des Südpols konnten beispielsweise die Antarktis erst im Dezember 2017 verlassen, als es warm genug war, damit Flugzeuge ein- und aussteigen konnten, sagte Marrone.
Das Korrelieren und Kalibrieren der Daten sei ebenfalls schwierig, fügte er hinzu. Und das Team hat sich angesichts der Bedeutung des Funds sehr um diese Arbeit gekümmert.
"Wenn Sie mit der großen Behauptung kommen wollen, ein Schwarzes Loch abzubilden, müssen Sie große Beweise haben, sehr starke Beweise", sagte Doeleman auf der SXSW-Veranstaltung (die als Erklärung für die EHT-Bemühungen diente, aber nicht ankündigte Ergebnisse).
"Und bei unserem Projekt denken wir oft, dass Leute wie [Albert] Einstein, [Arthur] Eddington [und Karl] Schwarzschild uns irgendwie über die Schulter schauen", fügte er hinzu und bezog sich auf Physiker, die dazu beigetragen haben, unser Verständnis von Schwarzen Löchern voranzutreiben. "Und wenn Sie Leuchten haben, die Ihre Arbeit virtuell überprüfen, möchten Sie es wirklich richtig machen."
Was das alles bedeutet
Das EHT-Projekt hat laut Psaltis zwei Hauptziele: Zum ersten Mal einen Ereignishorizont abzubilden und festzustellen, ob Einsteins allgemeine Relativitätstheorie überarbeitet werden muss.
Bevor Einstein kam, wurde die Schwerkraft allgemein als eine mysteriöse Kraft in der Ferne angesehen. Die allgemeine Relativitätstheorie beschreibt es jedoch als Verzerrung der Raumzeit: Massive Objekte wie Planeten, Sterne und Schwarze Löcher erzeugen eine Art Durchhang in der Raumzeit, ähnlich wie eine Bowlingkugel, wenn sie auf ein Trampolin gestellt würde. Objekte in der Nähe folgen dieser Kurve und werden in Richtung der zentralen Masse geleitet.
Die allgemeine Relativitätstheorie hat sich seit ihrer Einführung über das Jahrhundert hinweg unglaublich gut behauptet und jeden Test bestanden, den Wissenschaftler durchgeführt haben. Die Beobachtungen des EHT bieten jedoch einen weiteren Versuch in einem extremen Bereich, in dem Vorhersagen möglicherweise nicht mit der Realität übereinstimmen. Das liegt daran, dass Astronomen die erwartete Größe und Form eines Ereignishorizonts mithilfe der allgemeinen Relativitätstheorie berechnen können, erklärte Psaltis.
Wenn die beobachtete Silhouette mit den theoretisch fundierten Simulationen übereinstimmt, "hatte Einstein 100% Recht", sagte Psaltis. "Wenn die Antwort nein ist, müssen wir seine Theorie optimieren, damit sie mit Experimenten funktioniert. So geht die Wissenschaft."
Und wir haben heute erfahren, dass zumindest im Moment keine Optimierungen erforderlich sind: Die M87-Beobachtungen von EHT stimmen mit der allgemeinen Relativitätstheorie überein, sagten Teammitglieder. Der Ereignishorizont ist nämlich nahezu kreisförmig und hat die "richtige" Größe für ein Schwarzes Loch dieser immensen Masse.
"Ich muss zugeben, ich war ein wenig verblüfft, dass es so genau mit den Vorhersagen übereinstimmte, die wir gemacht hatten", sagte EHT-Teammitglied Avery Broderick von der University of Waterloo und dem Perimeter Institute for Theoretical Physics in Kanada während der heutigen Pressekonferenz .
Eine solche Bodenbearbeitung ist natürlich für den wissenschaftlichen Prozess von entscheidender Bedeutung. In der Tat wird die Bereitstellung besserer Informationen für Theorien und Simulationen wahrscheinlich einer der größten Beiträge der EHT sein, sagte Loeb.
"Physik zu machen ist ein Dialog mit der Natur", sagte er. "Wir testen unsere Ideen, indem wir sie mit Experimenten vergleichen. Experimentelle Daten sind entscheidend."
Die neuen Ergebnisse sollen Wissenschaftlern auch helfen, Schwarze Löcher besser in den Griff zu bekommen, sagten er und andere Forscher. Zum Beispiel werden EHT-Bilder wahrscheinlich ein signifikantes Licht darauf werfen, wie sich Gasspiralen in den Schlund eines Schwarzen Lochs hinunterbewegen. Dieser Akkretionsprozess, der zur Erzeugung starker Strahlungsstrahlen führen kann, sei wenig bekannt, sagte Loeb.
Darüber hinaus kann die Form eines Ereignishorizonts Aufschluss darüber geben, ob sich ein Schwarzes Loch dreht, sagte Fiona Harrison vom California Institute of Technology, der Hauptforscherin der NASA-Untersuchung von Schwarzen Löchern Nuklearspektroskopisches Teleskoparray (NuSTAR) Mission.
"Wir haben indirekt auf den Spin von Schwarzen Löchern geschlossen", sagte Harrison, der nicht zum EHT-Team gehört, gegenüber Space.com. EHT-Bilder bieten "einen direkten Test, der sehr aufregend ist", fügte sie hinzu.
Die Daten von EHT zeigten, dass sich das Schwarze Loch M87 im Uhrzeigersinn dreht, sagten die Teammitglieder heute.
Das Projekt sollte auch zeigen, wie Materie um ein Schwarzes Loch verteilt ist, und EHT-Beobachtungen könnten Astronomen schließlich viel darüber lehren, wie supermassereiche Schwarze Löcher die Entwicklung ihrer Wirtsgalaxien über lange Zeiträume hinweg beeinflussen, sagte Harrison.
Die Ergebnisse von EHT stimmen auch gut mit denen der Laserinterferometer-Gravitationswellenobservatorium (LIGO), das die Raum-Zeit-Wellen entdeckt hat, die durch Fusionen mit Schwarzen Löchern entstehen, die nur ein paar Dutzend Mal so massereich sind wie die Sonne.
"Trotz der Variation über einen Faktor von einer Milliarde Masse stimmen bekannte Schwarze Löcher alle mit einer einzigen Beschreibung überein", sagte Broderick heute. "Große und kleine Schwarze Löcher sind in wichtigen Punkten analog. Was wir von einem [Typ] lernen, gilt notwendigerweise für den anderen."
Und falls Sie sich über Schütze A * wundern: Das EHT-Team hofft, bald Bilder von diesem supermassiven Schwarzen Loch zu bekommen, sagte Doeleman heute. Die Forscher haben sich zuerst M87 angesehen, und es ist etwas einfacher zu lösen als Schütze A *, da es über kurze Zeiträume weniger variabel ist, erklärte er.
Eine neue Perspektive?
Dann gibt es den breiteren Reiz der neu veröffentlichten Bilder - wie sie zu denen von uns sprechen, die keine Astrophysiker sind.
Die Beiträge in diesem Bereich könnten erheblich sein, sagten Mitglieder des EHT-Teams und externe Wissenschaftler. Fotos können die Art und Weise verändern, wie wir über uns selbst und unseren Platz im Universum denken, bemerkte Marrone und zitierte das berühmte "Earthrise" -Foto, das der Apollo 8-Astronaut Bill Anders im Dezember 1968 aufgenommen hatte. Dieses Bild gab den Massen einen Einblick in unseren Planeten als Es ist wirklich so - ein einsamer Außenposten des Lebens in einem unendlichen Meer der Dunkelheit -, dem allgemein zugeschrieben wird, dass es dazu beiträgt, die Umweltbewegung voranzutreiben.
Ein echtes Schwarzes Loch zu sehen - oder zumindest seine Silhouette - "ist das Zeug der Science-Fiction", sagte Harrison. Und wir haben nur die ersten Fotos des Projekts gesehen, fügte sie hinzu: "Sie werden nur besser."
- Astronomen blicken zum ersten Mal mit dem Event Horizon Telescope in ein Schwarzes Loch
- Dieses riesige schwarze Loch dreht sich mit halber Lichtgeschwindigkeit!
- 8 Verwirrende Geheimnisse der Astronomie
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