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Erstes Bild vom Schwarzen Loch im Zentrum der Milchstraße


Astronomen ist es zum ersten Mal gelungen, eine Aufnahme des supermassereichen Schwarzen Lochs im Zentrum der Milchstraße zu machen. Das Bild wurde am Donnerstag von der Europäische Südsternwarte (ESO) und dem internationalen Teleskop-Projekt "Event Horizon Telescope" (EHT) bei gleichzeitigen Pressekonferenzen auf der ganzen Welt vorgestellt. Das Beobachtungsergebnis liefert nach Angaben der Forscher "überwältigende Beweise" dafür, dass es sich bei dem Objekt tatsächlich um ein Schwarzes Loch handele.

Das Bild stelle einen lang erwarteten direkten Blick auf das massereiche Objekt im Zentrum der Galaxie dar, welches unter dem Namen Sagittarius A* (Sgr A*) bekannt ist. Obwohl man das Schwarze Loch selbst nicht sehen könne, weil es keine Strahlung aussende, zeige das glühende Gas drumherum eine verräterische Signatur: eine dunkle zentrale Region, die von einer hellen ringartigen Struktur umgeben ist. "Wir waren verblüfft, wie gut die Größe des Rings mit den Vorhersagen von Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie übereinstimmte", sagte der EHT-Projektwissenschaftler Geoffrey Bower vom Institut für Astronomie und Astrophysik der Academia Sinica in Taipeh. "Diese beispiellosen Beobachtungen haben unser Verständnis dessen, was im Zentrum unserer Galaxie geschieht, erheblich verbessert und bieten neue Erkenntnisse darüber, wie diese riesigen schwarzen Löcher mit ihrer Umgebung in Verbindung stehen." Das Schwarze Loch im Zentrum der Milchstraße ist etwa 27.000 Lichtjahre von der Erde entfernt. Die Aufnahmen wurden mit einem globalen Netzwerk aus Radioteleskopen gemacht - das Bild wurde im Radiowellenbereiche aufgenommen.

 

Dieses Bild zeigt das Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array (ALMA) mit Blick auf die Milchstraße sowie die Position von Sagittarius A*, dem supermassereichen schwarzen Loch in unserem galaktischen Zentrum. Im Kasten hervorgehoben ist das Bild von Sagittarius A*, das von der Event Horizon Telescope (EHT) Collaboration aufgenommen wurde. Das in der chilenischen Atacama-Wüste gelegene ALMA ist das empfindlichste aller Observatorien des EHT-Arrays. Die ESO ist im Namen ihrer europäischen Mitgliedstaaten Miteigentümerin von ALMA.

Bild: ESO/José Francisco Salgado (josefrancisco.org), EHT Collaboration

 

 

Die Event Horizon Telescope (EHT) Collaboration hat ein einzelnes Bild (oberes Bild) des supermassereichen schwarzen Lochs im Zentrum unserer Galaxie, Sagittarius A* oder kurz Sgr A* genannt, erstellt, indem sie Bilder aus den EHT-Beobachtungen kombiniert hat.

Das Hauptbild wurde durch die Mittelung von Tausenden von Bildern erstellt, die mit verschiedenen Berechnungsmethoden erstellt wurden - die alle genau zu den EHT-Daten passten. Dieses gemittelte Bild enthält Merkmale, die in den verschiedenen Bildern häufiger zu sehen sind, und unterdrückt Merkmale, die seltener auftreten.

Die Bilder können außerdem auf der Grundlage ähnlicher Merkmale in vier Gruppen eingeteilt werden. Ein gemitteltes, repräsentatives Bild für jede der vier Gruppen ist in der unteren Reihe zu sehen. Drei der Gruppen zeigen eine Ringstruktur, allerdings mit unterschiedlich verteilter Helligkeit rund um den Ring. Die vierte Gruppe enthält Bilder, die ebenfalls zu den Daten passen, aber nicht ringförmig erscheinen.

Die Balkendiagramme zeigen die relative Anzahl der Bilder, die zu den einzelnen Gruppen gehören. Die ersten drei Cluster enthalten jeweils Tausende von Bildern, während die vierte und kleinste Gruppe nur Hunderte von Bildern enthält. Die Höhe der Balken zeigt die relativen „Gewichte“ oder Beiträge jeder Gruppe zu dem gemittelten Bild oben an.

Das EHT-Netzwerk von Radioobservatorien, das dieses Bild ermöglicht hat, umfasst neben anderen Einrichtungen auch das Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array (ALMA) und das Atacama Pathfinder EXperiment (APEX) in der Atacama-Wüste in Chile, an dem die ESO im Auftrag ihrer europäischen Mitgliedsstaaten als Partner beteiligt ist und mitarbeitet.

Bild: EHT Collaboration

ESO:

Das Bild ist ein lang erwarteter Blick auf das massereiche Objekt, das sich im Zentrum unserer Galaxie befindet. Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen hatten zuvor Sterne gesehen, die um ein unsichtbares, kompaktes und sehr massereiches Objekt im Zentrum der Milchstraße kreisen. Dies deutete stark darauf hin, dass es sich bei diesem Objekt – bekannt als Sagittarius A* (Sgr A*) – um ein schwarzes Loch handelt, und die heutige Aufnahme liefert den ersten direkten visuellen Beweis dafür.

Obwohl wir das schwarze Loch selbst nicht sehen können, weil es völlig dunkel ist, zeigt das umgebende glühende Gas eine verräterische Signatur: eine dunkle zentrale Region (Schatten genannt), die von einer hellen ringförmigen Struktur umgeben ist. Dieser neue Blick zeigt das Licht, das durch die starke Schwerkraft des schwarzen Lochs, das vier Millionen Mal massereicher als unsere Sonne ist, gebeugt wird.

Wir waren verblüfft, wie gut die Größe des Rings mit den Vorhersagen von Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie übereinstimmte“, sagte EHT-Projektwissenschaftler Geoffrey Bower vom Institut für Astronomie und Astrophysik der Academia Sinica in Taipeh. „Diese beispiellosen Beobachtungen haben unser Verständnis dessen, was im Zentrum unserer Galaxie geschieht, erheblich verbessert und bieten neue Erkenntnisse darüber, wie diese riesigen schwarzen Löcher mit ihrer Umgebung in Verbindung stehen.“ Die Ergebnisse des EHT-Teams werden heute in einer Sonderausgabe der Zeitschrift The Astrophysical Journal Letters veröffentlicht.

Da das schwarze Loch etwa 27.000 Lichtjahre von der Erde entfernt ist, erscheint es uns am Himmel etwa so groß wie ein Krapfen auf dem Mond. Zur Abbildung des schwarzen Lochs schuf das Team das leistungsstarke EHT, das acht bestehende Radio-Observatorien auf der ganzen Welt zu einem einzigen virtuellen Teleskop in Erdgröße verband [1]. Das EHT beobachtete Sgr A* in mehreren Nächten im Jahr 2017 und sammelte viele Stunden am Stück Daten, ähnlich wie bei einer langen Belichtungszeit einer Kamera.

Neben anderen Einrichtungen umfasst das EHT-Netzwerk von Radioobservatorien auch 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 30-Meter-Teleskop IRAM in Spanien und, seit 2018, dem NOrthern Extended Millimeter Array (NOEMA) in Frankreich – sowie mit einem Supercomputer zur Kombination von EHT-Daten, der vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Deutschland betrieben wird. Darüber hinaus hat Europa das EHT-Konsortiumsprojekt durch Zuschüsse des Europäischen Forschungsrats und der Max-Planck-Gesellschaft in Deutschland finanziell unterstützt.

Es ist sehr faszinierend für die ESO, dass sie über so viele Jahre hinweg eine so wichtige Rolle bei der Entschlüsselung der Geheimnisse schwarzer Löcher und insbesondere von Sgr A* gespielt hat“, kommentierte ESO-Generaldirektor Xavier Barcons. „Die ESO hat nicht nur durch die ALMA- und APEX-Anlagen zu den EHT-Beobachtungen beigetragen, sondern mit ihren anderen Observatorien in Chile auch einige der früheren bahnbrechenden Beobachtungen des galaktischen Zentrums ermöglicht.[2]

Der EHT-Erfolg folgt auf die Veröffentlichung des ersten Bildes eines schwarzen Lochs, genannt M87*, im Zentrum der weiter entfernten Galaxie Messier 87 im Jahr 2019.

Die beiden schwarzen Löcher sehen sich bemerkenswert ähnlich, obwohl das schwarze Loch unserer Galaxie mehr als tausendmal kleiner und weniger massereich ist als M87* [3]. „Wir haben zwei völlig unterschiedliche Arten von Galaxien und zwei sehr unterschiedliche Massen von schwarzen Löchern, aber in der Nähe des Randes dieser schwarzen Löcher sehen sie sich verblüffend ähnlich“, sagt Sera Markoff, Co-Vorsitzende des EHT-Wissenschaftsrats und Professorin für theoretische Astrophysik an der Universität von Amsterdam in den Niederlanden. „Das sagt uns, dass die Allgemeine Relativitätstheorie im Nahbereich für diese Objekte dominiert und alle Unterschiede, die wir in größerer Entfernung sehen, auf Abweichungen im Material zurückzuführen sein müssen, das die schwarzen Löcher umgibt.

Diese Leistung war wesentlich schwieriger als bei M87*, obwohl uns Sgr A* viel näher ist. Der EHT-Wissenschaftler Chi-kwan ('CK') Chan vom Steward Observatory und dem Department of Astronomy und dem Data Science Institute der University of Arizona, USA, erklärt: „Das Gas in der Nähe der schwarzen Löcher bewegt sich mit der gleichen Geschwindigkeit – fast so schnell wie das Licht – sowohl um Sgr A* als auch um M87*. Aber während das Gas Tage bis Wochen braucht, um das größere M87* zu umkreisen, vollendet es eine Umkreisung um das viel kleinere Sgr A* in nur wenigen Minuten. Das bedeutet, dass sich die Helligkeit und das Muster des Gases um Sgr A* schnell änderten, während die EHT Collaboration es beobachtete – ein bisschen wie der Versuch, ein klares Bild von einem Welpen zu machen, der schnell seinem Schwanz nachjagt.

Die Forschenden mussten raffinierte neue Methoden entwickeln, um die Gasbewegung um Sgr A* zu berücksichtigen. Während M87* ein einfacheres, stabileres Ziel war, bei dem fast alle Bilder gleich aussahen, war dies bei Sgr A* nicht der Fall. Das Bild des schwarzen Lochs Sgr A* ist ein Durchschnitt der verschiedenen Bilder, die das Team extrahiert hat, und offenbart schließlich zum ersten Mal den Riesen, der im Zentrum unserer Galaxie lauert.

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