Ein internationales Netzwerk von Radioteleskopen hat das erste Nahaufnahmebild des Schattens eines Schwarzen Lochs erstellt, das Wissenschaftler heute Morgen (10. April) enthüllt haben. Die Zusammenarbeit, genannt Event Horizon Telescope, bestätigte jahrzehntelange Vorhersagen darüber, wie sich Licht um diese dunklen Objekte verhalten würde, und bereitete die Bühne für eine neue Ära der Schwarzlochastronomie.
"Von einer Skala von Null bis erstaunlich war es erstaunlich", sagte Erin Bonning, Astrophysikerin und Schwarzlochforscherin an der Emory University, die nicht an den Bildgebungsbemühungen beteiligt war.
"Das heißt, es war das, was ich erwartet hatte", sagte sie zu Live Science.
Die Ankündigung, die ungefähr anderthalb Wochen im Voraus gehänselt wurde, war sowohl unglaublich aufregend als auch fast völlig ohne überraschende Details oder neue Physik. Die Physik ist nicht zusammengebrochen. Es wurden keine unerwarteten Merkmale von Schwarzen Löchern festgestellt. Das Bild selbst passte fast perfekt zu Illustrationen von Schwarzen Löchern, die wir in Wissenschaft und Popkultur gewohnt sind. Der große Unterschied ist, dass es viel unschärfer ist.
Es gab mehrere wichtige Fragen im Zusammenhang mit Schwarzen Löchern, die jedoch ungelöst blieben, sagte Bonning.
Wie produzieren Schwarze Löcher ihre riesigen Strahlen heißer, schneller Materie?
Alle supermassiven Schwarzen Löcher haben die Fähigkeit, nahegelegene Materie zu zerkauen, das meiste davon über ihren Ereignishorizont hinaus zu absorbieren und den Rest mit nahezu Lichtgeschwindigkeit in lodernden Türmen, die Astrophysiker "relativistische Jets" nennen, in den Weltraum auszuspucken.
Und das Schwarze Loch im Zentrum von Jungfrau A (auch Messier 87 genannt) ist bekannt für seine beeindruckenden Jets, die Materie und Strahlung im ganzen Weltraum speien. Die relativistischen Jets sind so groß, dass sie der umgebenden Galaxie vollständig entkommen können.
Und Physiker kennen die großen Striche, wie dies geschieht: Das Material beschleunigt auf extreme Geschwindigkeiten, wenn es in die Schwerkraft des Schwarzen Lochs fällt, dann entweicht ein Teil davon, während diese Trägheit erhalten bleibt. Die Wissenschaftler sind sich jedoch nicht einig darüber, wie dies geschieht. Dieses Bild und die dazugehörigen Papiere enthalten noch keine Details.
Um dies herauszufinden, wird es laut Bonning darum gehen, die Beobachtungen des Event Horizons Telescope - die einen relativ kleinen Raum abdecken - mit den viel größeren Bildern relativistischer Jets zu verknüpfen.
Obwohl die Physiker noch keine Antworten haben, besteht eine gute Chance, dass sie bald kommen - besonders wenn die Zusammenarbeit Bilder ihres zweiten Ziels hervorbringt: des supermassiven Schwarzen Lochs Schütze A * im Zentrum unserer eigenen Galaxie, das produziert keine Jets wie Virgo A's. Der Vergleich der beiden Bilder, sagte sie, könnte Klarheit schaffen.
Wie passen allgemeine Relativitätstheorie und Quantenmechanik zusammen?
Wann immer Physiker zusammenkommen, um über eine wirklich aufregende neue Entdeckung zu sprechen, können Sie erwarten, dass jemand vorschlägt, dass dies zur Erklärung der "Quantengravitation" beitragen könnte.
Das liegt daran, dass die Quantengravitation das große Unbekannte in der Physik ist. Seit etwa einem Jahrhundert arbeiten Physiker mit zwei verschiedenen Regeln: der Allgemeinen Relativitätstheorie, die sehr große Dinge wie die Schwerkraft abdeckt, und der Quantenmechanik, die sehr kleine Dinge abdeckt. Das Problem ist, dass sich diese beiden Regelbücher direkt widersprechen. Die Quantenmechanik kann die Schwerkraft nicht erklären, und die Relativitätstheorie kann das Quantenverhalten nicht erklären.
Eines Tages hoffen die Physiker, die beiden in einer großartigen einheitlichen Theorie miteinander zu verbinden, die wahrscheinlich eine Art Quantengravitation beinhaltet.
Und vor der heutigen Ankündigung gab es Spekulationen, dass dies einen Durchbruch in diesem Bereich bedeuten könnte. (Wenn die Vorhersagen der allgemeinen Relativitätstheorie nicht im Bild bestätigt worden wären, hätte dies den Ball nach vorne gebracht.) Während einer Pressekonferenz der National Science Foundation, Avery Broderick, Physiker an der University of Waterloo in Kanada, und Mitarbeiter auf dem Projekt schlug vor, dass diese Art von Antworten kommen könnten.
Aber Bonning war dieser Behauptung skeptisch gegenüber. Dieses Bild sei aus allgemeiner Relativitätsperspektive völlig überraschend, so dass es keine neue Physik biete, die die Lücke zwischen den beiden Feldern schließen könnte, sagte Bonning.
Trotzdem ist es nicht verrückt, dass die Leute auf Antworten aus dieser Art von Beobachtung hoffen, sagte sie, denn der Rand des Schattens eines Schwarzen Lochs bringt relativistische Kräfte in winzige, quantengroße Räume.
"Wir würden erwarten, dass die Quantengravitation sehr, sehr nahe am Ereignishorizont oder sehr, sehr früh im frühen Universum liegt", sagte sie.
Bei der immer noch verschwommenen Auflösung von Event Horizons Telescope, sagte sie, werden wir diese Art von Effekten wahrscheinlich nicht finden, selbst wenn geplante Upgrades eingehen.
Waren Stephen Hawkings Theorien so richtig wie die von Einstein?
Der größte Beitrag des Physikers Stephen Hawking zur Physik war die Idee der "Hawking-Strahlung" - dass Schwarze Löcher nicht wirklich schwarz sind, sondern im Laufe der Zeit geringe Mengen an Strahlung emittieren. Das Ergebnis war enorm wichtig, da es zeigte, dass ein Schwarzes Loch, sobald es aufhört zu wachsen, sehr langsam vor dem Energieverlust schrumpft.
Aber das Event Horizons Telescope hat diese Theorie nicht bestätigt oder geleugnet, sagte Bonning, nicht dass irgendjemand damit gerechnet hätte.
Riesige Schwarze Löcher wie das in Jungfrau A, sagte sie, emittieren im Vergleich zu ihrer Gesamtgröße nur minimale Mengen an Hawking-Strahlung. Während unsere fortschrittlichsten Instrumente jetzt die hellen Lichter ihres Ereignishorizonts erkennen können, besteht kaum eine Chance, dass sie jemals das ultra-schwache Leuchten der Oberfläche eines supermassiven Schwarzen Lochs herausfordern.
Diese Ergebnisse, sagte sie, werden wahrscheinlich von den kleinsten Schwarzen Löchern stammen - theoretischen, kurzlebigen Objekten, die so klein sind, dass Sie möglicherweise ihren gesamten Ereignishorizont in Ihre Hand nehmen. Mit der Möglichkeit, Beobachtungen aus nächster Nähe durchzuführen und im Vergleich zu ihrer Gesamtgröße viel mehr Strahlung zur Verfügung zu haben, könnte der Mensch schließlich herausfinden, wie er eine Strahlung erzeugen oder finden und seine Strahlung erfassen kann.
Was haben wir eigentlich aus diesem Bild gelernt?
Zunächst erfuhren die Physiker, dass Einstein wieder einmal Recht hatte. Der Rand des Schattens ist, soweit das Event Horizons Telescope sehen kann, ein perfekter Kreis, genau wie die Physiker im 20. Jahrhundert mit Einsteins vorhergesagten Gleichungen der allgemeinen Relativitätstheorie gearbeitet haben.
"Ich denke, niemand sollte überrascht sein, wenn ein weiterer Test der allgemeinen Relativitätstheorie bestanden wird", sagte Bonning. "Wenn sie auf die Bühne gegangen wären und gesagt hätten, dass die allgemeine Relativitätstheorie gebrochen ist, wäre ich von meinem Stuhl gefallen."
Das Ergebnis mit unmittelbareren praktischen Auswirkungen sei, dass das Bild es Wissenschaftlern ermöglichte, die Masse dieses supermassiven Schwarzen Lochs, das sich 55 Millionen Lichtjahre entfernt im Herzen der Jungfrau-A-Galaxie befindet, genau zu messen. Es ist 6,5 Milliarden Mal so massereich wie unsere Sonne.
Das ist eine große Sache, sagte Bonning, weil es die Art und Weise verändern könnte, wie Physiker die supermassiven Schwarzen Löcher in den Herzen anderer, weiter entfernterer oder kleinerer Galaxien wiegen.
Derzeit haben Physiker eine ziemlich genaue Messung der Masse des supermassiven Schwarzen Lochs im Herzen der Milchstraße, sagte Bonning, weil sie beobachten können, wie seine Schwerkraft einzelne Sterne in ihrer Nachbarschaft bewegt.
Aber in anderen Galaxien können unsere Teleskope die Bewegungen einzelner Sterne nicht sehen, sagte sie. Die Physiker sind also mit gröberen Messungen konfrontiert: Wie die Masse des Schwarzen Lochs das Licht beeinflusst, das von verschiedenen Schichten von Sternen in der Galaxie kommt, oder wie seine Masse das Licht beeinflusst, das von verschiedenen Schichten von frei schwebendem Gas in der Galaxie kommt.
Aber diese Berechnungen sind unvollkommen, sagte sie.
"Man muss ein sehr komplexes System modellieren", sagte sie.
Und die beiden Methoden führen in jeder Galaxie, die Physiker beobachten, zu etwas unterschiedlichen Ergebnissen. Aber zumindest für das Schwarze Loch in Jungfrau A wissen wir jetzt, dass eine Methode richtig ist.
"Unsere Bestimmung von 6,5 Milliarden Sonnenmassen landet direkt über der Bestimmung der schwereren Masse von", sagte Sera Markoff, Astrophysikerin an der Universität Amsterdam und Mitarbeiterin des Projekts, in der Pressekonferenz.
Das bedeutet nicht, dass die Physiker einfach zu diesem Ansatz übergehen werden, um die Masse der Schwarzen Löcher zu messen, sagte Bonning. Es bietet jedoch einen wichtigen Datenpunkt für die Verfeinerung zukünftiger Berechnungen.
