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Astronomie+Physik

Wackeln am Ereignishorizont

M87*
Modellierung des hellen Ringes in M87 von 2009 bis 2017: Die helle Zone wandert. (Bild: M. Wielgus & die EHT-Kollaboration)

Im April 2019 sorgte das erste Foto eines Schwarzen Lochs für weltweites Aufsehen. Jetzt haben die Astronomen der Event Horizon Telescope Kollaboration nachgelegt: Vergleichsanalysen mit gut zehn Jahre zurückreichenden Aufnahmen belegen, dass der helle Ring um das supermassereiche Schwarze Loch M87* seine Form behält, wie von der Relativitätstheorie vorhergesagt. Aber im Laufe der Zeit scheint der helle Ring leicht zu wackeln. Dies deutet auf turbulente Materieströme am Ereignishorizont des Schwarzen Lochs hin und könnte dazu beitragen, aktuelle Modelle solcher Schwerkraftgiganten zu präzisieren, sagen die Forscher.

Das Event Horizon Telescope (EHT) ist ein weltweiter virtueller Zusammenschluss von mehreren leistungsstarken Radioteleskopen – von Grönland bis zum Südpol. Im Jahr 2017 richteten sich diese Antennen einige Tage lang synchron auf das supermassereiche Schwarze Loch im Zentrum der Galaxie M87. Die Kopplung der Teleskope mithilfe der sogenannte Very Long Baseline Interferometry (VLBI) ermöglichte es den Astronomen, die Auflösung eines virtuellen Teleskops zu erreichen, dessen Durchmesser dem der Erde entspricht. „Mit der unglaublichen Winkelauflösung des EHT könnten wir ein Billardspiel auf dem Mond verfolgen“, erklärt Erstautor Maciek Wielgus vom Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian.

Diese Auflösung ermöglichte es erstmals, das Foto eines Schwarzen Lochs zu erstellen. „Die im April 2019 präsentierten Ergebnisse ergeben das Bild eines Schwarzen Lochs mit zwei wesentlichen Elementen: einem Ring, der das um M87* herum wirbelnde Plasma zeigt, und einem dunklen inneren Bereich, in dem wir den Ereignishorizont des Schwarzen Lochs vermuten“, so Wielgus.

Blick in die Vergangenheit

Doch das Foto von 2019 zeigte nur eine Momentaufnahme des Schwarzen Lochs – die Astronomen hatten M87* nur wenige Tage lang ins Visier genommen. „Das ist viel zu kurz, um Veränderungen zu sehen“, sagt Wielgus. „Deswegen haben wir uns gefragt, ob diese ringförmige Morphologie sich auch in Archivaufnahmen finden würde. Würde der Ring in ihnen eine ähnliche Größe und Orientierung zeigen?“ Für ihre Untersuchung werteten die Forscher Daten aus, die bereits von 2009 bis 2013 von den Teleskopen des EHT-Verbunds zu M87* gesammelt worden waren. Damals bestand der Verbund nur aus drei Radioteleskopen, erst 2013 kam als viertes das APEX-Teleskop in Chile hinzu. Weil die Auflösung dieser Teleskope auch zusammen nicht für echte Fotos reichte, nutzten die Astronomen geometrisch-basierte statistische Modellverfahren, um das Erscheinungsbild von M87* zu rekonstruieren und nach zeitlichen Veränderungen zu suchen.

Die Auswertungen ergaben, dass das Schwarze Loch M87* auch schon vor rund zehn Jahren ähnlich aussah wie 2017. Auch damals gab es schon den dunklen Schatten, umgeben von einem hellen, leicht asymmetrischen Ring. Der Durchmesser des Schattens stimmte auch 2009 schon mit den Vorhersagen von Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie für ein Schwarzes Loch dieser Größe überein. „Das ist eine wichtige Bestätigung für die theoretischen Erwartungen“, sagt Co-Autor Kazu Akiyama vom MIT Haystack Observatory. „Die Konsistenz auch über mehrfache Beobachtungen hinweg gibt uns mehr Zuversicht denn je, dass wir bei der Natur von M87* und dem Ursprung seines Schattens richtig liegen.“ Der asymmetrische helle Ring ist offenkundig ebenfalls über Jahre hinweg beständig.

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Der helle Ring wackelt

Es gibt aber auch eine Überraschung in den Archivdaten. Denn wenngleich die generelle Form und Größe von M87* gleich geblieben sind, gibt es doch dynamische Veränderungen: Der helle Ring verändert im Laufe der Zeit ganz leicht seine Position – er wackelt. Die Astronomen führen dies auf das um das Schwarze Loch kreisende Gas zurück, das sich auf Milliarden Grad aufheizt, zu Plasma wird und dann durch die am Ereignishorizont präsenten Magnetfelder Turbulenzen bildet. Damit eröffnen diese Daten erstmals den Blick auf das Verhalten von Materie so dicht am Ereignishorizont eines Schwarzen Lochs. „Weil dieser Einstrom der Materie turbulent ist, scheint der helle Ring mit der Zeit zu wackeln“, erklärt Wielgus. Co-Autor Thomas Krichbaum vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn ergänzt: „Dies erlaubt einen ersten Blick auf den Materiestrom, der auf das Schwarze Loch einfällt, sowie auf seine Dynamik nahe des Ereignishorizonts.“

Wie die Astronomen erklären, bieten diese Beobachtungen der Dynamik am Schwarzen Loch neue Möglichkeiten, bestehende Theorien und Modelle zu überprüfen. „Ein Teil dieser Materie ist nah genug am Schwarzen Loch, um die Wirkung starker Gravitationskräfte beobachten zu können“, sagt Co-Autor Richard Anantua vom Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian. „In einigen Fällen können wir darüber auch die Vorhersagen der Allgemeinen Relativitätstheorie genauer testen.“ Doch auch aktuelle Modelle dazu, wie sich Materie im nahen Umfeld eines Schwarzen Lochs verhält, lassen sich damit überprüfen. „Wir sehen hier beispielsweise eine Menge Variation – und nicht alle theoretischen Modelle der Akkretion erlauben so viel Gewackel“, sagt Wielgus. „Das erlaubt es uns, einige dieser Modelle auf Basis unserer Beobachtungen zu entkräften.

Für die Astronomen der EHT-Kollaboration fängt diese Arbeit gerade erst an: „In den kommenden Jahren möchten wir untersuchen, wie sich die Struktur von M87* mit der Zeit verändert. Daher analysieren wir gerade die EHT-Daten aus dem Jahr 2018 und bereiten die neuen Beobachtungen für 2021 vor“, berichtet Anton Zensus, Direktor am MPI für Radioastronomie und Gründungsmitglied der EHT-Kollaboration. „Dann werden drei weitere Teleskope teilnehmen. Unser virtuelles weltumspannendes Teleskop wird also größer und empfindlicher und die bildgebenden Verfahren werden damit genauer.“

Quelle: Event Horizon Telescope, Max-Planck-Institut für Radioastronomie, Harvard Center for Astrophysics; Fachartikel: , Astrophysical Journal, doi: 10.3847/1538-4357/abac0d

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