"Das ist so, als ob man von Münster aus ein Sandkorn in San Francisco fotografieren will"
Dieser Tage gingen die spektakulären Aufnahmen eines supermassereichen schwarzen Lochs in der Galaxie Messier 87 (M87) um die Welt. Astroteilchenphysiker Prof. Dr. Alexander Kappes vom Institut für Kernphysik der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster (WWU) sprach im Interview mit Svenja Ronge über die wissenschaftliche Bedeutung des Bilds.
Wissenschaftler haben es zum ersten Mal geschafft, mithilfe des „Event Horizon Teleskops“ ein Foto eines schwarzen Lochs im Universum zu machen. Warum war eine solche Aufnahme bisher nicht möglich?
Zunächst handelt es sich beim „Event Horizon Teleskop“ (EHT) nicht um ein einzelnes Teleskop, sondern um einen Verbund aus mehreren Teleskopen, die elektromagnetische Strahlung im Millimeterbereich, tausendmal langwelliger als sichtbares Licht, beobachten. Sie sind über die gesamte Erde, in Nord- und Südamerika, Hawaii, Europa und am Südpol verteilt, da das Auflösungsvermögen eines einzelnen Teleskops nicht ausreicht, um die Umgebung des schwarzen Lochs im Zentrum von M87, einer Galaxie in einer Entfernung von 55 Millionen Lichtjahren, aufzulösen. Das ist so, als ob man von Münster aus ein Sandkorn in San Francisco fotografieren will.
Um diese irrwitzige Auflösung zu erreichen, benötigt man ein Teleskop mit einem Durchmesser so groß wie die Erde. Da dies technisch nicht möglich ist, behilft man sich eines Tricks und schaltet Teleskope in unterschiedlichen Entfernungen zusammen, Interferometrie genannt, die dann hinsichtlich des Auflösungsvermögens effektiv ein Teleskop mit diesem enormen Durchmesser bilden – die Sammelfläche wächst natürlich nicht mit. Dies stellt einen enormen technischen Aufwand dar. So mussten Peta-Byte an Daten auf milliardstel Sekunde genau an den jeweiligen Standorten aufgezeichnet und anschließend mit gleicher Präzision synchronisiert werden. Die dazu notwendigen Technologien und Algorithmen wurden erst in den letzten zehn Jahren entwickelt, und auch deren Aufbau und Tests haben einige Jahre gedauert.
Warum ist diese Aufnahme von einer solchen Bedeutsamkeit?
Bisher waren alle Beweise für die Existenz von schwarzen Löchern, so überzeugend sie auch sind, indirekt – zum Beispiel die Bewegung von Sternen um ein unsichtbares, massives Objekt im Zentrum unserer Milchstraße oder die Detektion von Gravitationswellen von der Verschmelzung zweier schwarzer Löcher. Dies ist das allererste direkte Abbild eines schwarzen Lochs. Dabei „sieht“ man das schwarze Loch auch nur, weil dieses Gravitationsmonster von 6,5 Milliarden Sonnenmassen kontinuierlich ungeheure Mengen an Materie verschluckt. Die in der sogenannten Akkretionsscheibe nahezu auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigte Materie heizt sich dabei so stark auf, dass sie, kurz bevor sie im schwarzen Loch verschwindet, große Mengen an Energie in Form von Röntgenstrahlung abstrahlt.
Da aufgrund der enormen Gravitationskräfte selbst Licht nicht aus einem schwarzen Loch entkommen kann, „sehen“ wir es als einen schwarzen Schatten, umgeben von einem Malstrom von heißer, leuchtender Materie. Diese direkten Bilder von schwarzen Löchern und deren unmittelbarer Umgebung ermöglichen nun einen ganz neuen Zugang zum Verständnis dieser faszinierenden Objekte, die durch ihre extremen Gravitationsfelder unser Verständnis für den Aufbau von Raum und Zeit in einmaliger Weise testen.
Tatsächlich stimmt dieses erste Bild bereits überraschend gut mit unseren Vorsagen aus der allgemeinen Relativitätstheorie überein. Allerdings bleiben aufgrund der niedrigen Auflösung Details der Akkretionsscheibe und damit Informationen über die Eigenschaften des schwarzen Lochs und dessen Umgebung noch verborgen. Dies kann in Zukunft zum Beispiel durch die Verwendung kleinerer Wellenlängen und beziehungsweise oder die Hinzunahme von weiteren Teleskopen sowie einer längeren Beobachtungszeit verbessert werden – entscheidend ist hier, dass das schwarze Loch von M87 über menschliche Zeitskalen unveränderlich sein sollte. In einer etwas ferneren Zukunft könnten mit weltraumbasierten Teleskopen sogar deutlich größere Abstände als der Erddurchmesser realisiert und so das Auflösungsvermögens signifikant gesteigert werden. Weitere Aufschlüsse über die Physik unter extremsten Bedingungen erhofft man sich aus der Analyse der Polarisation der beobachteten Strahlung.
Ein anderes primäres Ziel für die nächsten Jahre wird das schwarze Loch Sgr A* im Zentrum unserer eigenen Galaxie, der Milchstraße, sein. Dies ist zwar tausendmal kleiner, das heißt masseärmer, als das von M87, aber dafür auch zweitausendmal näher. Insbesondere ist dessen Masse deutlich präziser bekannt, womit genauere Tests der Physik möglich sein werden. Allerdings werden die Beobachtungen durch Streuung der Strahlung am interstellaren Medium erschwert, da wir nicht wie bei M87 „von oben“ auf das schwarze Loch schauen, sondern durch die galaktische Ebene hindurch. Es bleibt also auch in Zukunft spannend und ich erwarte noch jede Menge aufregende Ergebnisse von weiteren Beobachtungen.