Was das Bild des Schwarzen Lochs uns sagt

Als Wissenschaftler ein unsichtbares Schwarzes Loch „fotografierten“: Das Bild erfasst die Umgebung um es herum, generiert aus Daten, die von einer Reihe von Teleskopen gesammelt wurden, und bietet eine Plattform, um Schwarze Löcher besser zu verstehen.

Erstes Bild eines Schwarzen Lochs. Aufgenommen vom Event Horizon Telescope-Projekt. (Bildquelle: National Science Foundation)

Schwarze Löcher sollen die dunkelsten Regionen im gesamten Universum sein. Doch als Wissenschaftler letzte Woche bekannt gaben, dass sie zum ersten Mal überhaupt ein Foto eines Schwarzen Lochs machen konnten, war das Bild, das sie enthüllten, alles andere als dunkel. Es erschien in einem der am weitesten verbreiteten Bilder der letzten Woche in leuchtendem Orange und Donut-Form. Wenn Licht einem Schwarzen Loch nicht entkommen kann, wie wurde dann das Foto gemacht und was macht das Ergebnis so wichtig?

Was das Bild zeigt

Das Hauptmotiv des Fotos, ein 55 Millionen Lichtjahre von der Erde entferntes Schwarzes Loch im Zentrum einer Galaxie namens Messier 87, war auf den kleinen und dunklen zentralen Kern der Donutform im Bild beschränkt, die nur aufgrund von identifizierbar war die helle Umgebung, in der es eingeschlossen war. Nur so konnte ein Schwarzes Loch fotografiert werden – durch die Erfassung der gesamten Umgebung. Das Schwarze Loch selbst emittiert oder strahlt weder Licht noch andere elektromagnetische Wellen aus, die von von Menschenhand gebauten Instrumenten erfasst werden können. Aber der Bereich direkt außerhalb der Grenze des Schwarzen Lochs – der als Ereignishorizont bezeichnet wird –, in dem riesige Mengen von Gas, Wolken und Plasma heftig verwirbelt werden, emittiert alle Arten von Strahlungen, einschließlich sichtbarem Licht.

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Auch das Äußere des Schwarzen Lochs war nicht einfach zu fotografieren. Das fragliche Schwarze Loch hatte einen Durchmesser von 1,5 Lichttagen oder etwa 40 Milliarden Kilometern. Der Ring außerhalb eines Schwarzen Lochs hat normalerweise eine 4- bis 5-mal größere Ausdehnung. Aber die sehr große Entfernung von der Erde machte es physikalisch nicht möglich, mit den verfügbaren Instrumenten etwas Besseres als ein punktgroßes Bild aufzunehmen. Wissenschaftler hatten berechnet, dass ein höher aufgelöstes Bild, wie das, das sie schließlich einfangen konnten, ein Teleskop erforderte, dessen Antenne so groß wie die Erde selbst war.

Warum es wichtig ist

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Wissenschaftler verwenden seit mehreren Jahren computersimulierte Bilder von Schwarzen Löchern, um diese Regionen zu untersuchen. Zum ersten Mal haben sie ein tatsächliches Bild. Obwohl sie ziemlich ähnlich erscheinen, werden Wissenschaftler nun beginnen, sich das tatsächliche Bild genau anzusehen, um zu sehen, ob es sich in den Details von den computersimulierten Bildern unterscheidet und ob diese Unterschiede durch Instrumentierung, Beobachtung oder andere Fehler erklärt werden könnten. Dies kann einen Test für bestehende Theorien des Universums darstellen und zu einem besseren Verständnis von Schwarzen Löchern und der Natur des Universums selbst führen.

Das Schwarze Loch auswählen

Es gab eine Alternative zum Fotografieren des Schwarzen Lochs in der M87-Galaxie – der Versuch, ein viel näheres Schwarzes Loch zu fotografieren. Es gibt Tausende, möglicherweise Millionen von Schwarzen Löchern, die viel näher an der Erde sind, aber nicht jedes Schwarze Loch könnte ein Kandidat für eine Fotografie sein. Wissenschaftler suchten nach einem Schwarzen Loch einer bestimmten Größe, das groß genug war, um von auf der Erde verfügbaren Instrumenten erfasst zu werden. Das Schwarze Loch in der Galaxie M87 ist etwa 6 Milliarden Mal so groß wie die Sonne und eines der größten bekannten. Näher an der Erde gibt es kein Schwarzes Loch vergleichbarer Größe.

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Dennoch gab es einen Kandidaten in unserer eigenen Milchstraße. Das Schwarze Loch Sagittarius A* im Zentrum der Milchstraße ist etwa 4,3 Millionen Mal so groß wie die Sonne und nur 25.000 Lichtjahre von der Erde entfernt. Sie ist der Erde etwa 2.000-mal näher als die in der M87-Galaxie, aber auch etwa 1.500-mal kleiner. Vom Maßstab her boten die beiden Kandidaten für Schwarze Löcher daher ähnliche Möglichkeiten, fotografiert zu werden.

Teleskop aufstellen

Ein erdgroßes Teleskop konnte nicht zur Verfügung gestellt werden. Daher mussten Wissenschaftler ausgeklügelte neue Methoden entwickeln, um die Grenzen ihrer Instrumente zu überwinden. Sie entschieden sich für den Einsatz von acht der größten und modernsten Radioteleskope der Welt und verknüpften sie mit einer Technik, die sie wie ein virtuelles erdgroßes Teleskop verhalten könnte. Die Teleskope nahmen gleichzeitig die Strahlungen auf, die von der Schwarzen-Loch-Region einfielen. Jedes der Teleskope war mit Atomuhren ausgestattet, um deren Aufzeichnungen später mit höchster Präzision abzugleichen.

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Die einzelnen Teleskope sammelten jeweils die Strahlung, die von der Schwarzen-Loch-Region einfiel. Aber aufgrund von Größenbeschränkungen hatten sie alle nur sehr begrenzte Informationen über das Schwarze Loch. Das Abgleichen der Daten, die von jedem dieser Teleskope zu genauen Zeitpunkten aufgenommen wurden, gab den Wissenschaftlern einige weitere Informationen, aber nichts konnte gegen die riesige Menge an Informationen unternommen werden, die von diesen Teleskopen nicht erfasst werden konnten.

Bild aus Daten erstellen

Hier haben Wissenschaftler mit Hilfe von Supercomputern das vollständige Bild des Schwarzen Lochs mit den begrenzten Informationen, die die Teleskope aufgenommen hatten, neu erstellt. Das Neuaufbauen ganzer Bilder mit begrenzten Daten ist nicht ungewöhnlich. Die Komprimierungstechniken, die wir verwenden, um die Größe von Musik-, Bild- oder Videodateien auf unseren Computern zu reduzieren, funktionieren nach ähnlichen Prinzipien. Wir werfen viele Informationen weg, während wir die Größe reduzieren, aber der Computer ist immer noch in der Lage, die Musik oder das Video neu zu erstellen, wenn auch mit einem gewissen Qualitätsverlust.

Natürlich war die Herausforderung für die Wissenschaftler, die an dem Bild des Schwarzen Lochs arbeiteten, komplizierter als die Techniken zur Komprimierung von Dateien. Sie hatten eine riesige Menge an Daten zu verarbeiten und dennoch extrem begrenzte Informationen, die direkt aus der Strahlung gewonnen wurden. Es überrascht daher nicht, dass sie mit bahnbrechenden Ansätzen völlig neue Algorithmen schreiben mussten, um das Bild zu regenerieren.

Als Ergebnis könnte eine große Anzahl von Pixeln auf diesem der Welt präsentierten Foto vom Computer erzeugt worden sein. Aber sie wurden aus den Informationen in den Pixeln generiert, die das Ergebnis der direkten Beobachtung der Teleskope waren, und nicht aus mathematischen Modellen, wie dies bei computersimulierten Bildern der Fall ist.

Es dauerte zwei Jahre, bis einige der schnellsten Supercomputer der Welt die riesigen Datenmengen verarbeiteten und das Bild des Schwarzen Lochs in der M87-Galaxie neu erstellten. Ein Foto des Schwarzen Lochs Sagittarius A* muss noch veröffentlicht werden, anscheinend weil das Bild noch nicht fertig ist.

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