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M87- Allererstes Foto eines schwarzen Loches
Das Projekt Event Horizon Telescope (EHT, dt. Ereignishorizont Teleskop) hat zum Ziel, die ersten Fotos der Umgebung der schwarzen Löcher M87* im Virgo-Cluster und Sgr A* (Sgr = Sagittarius = Schütze) im Zentrum der Milchstrasse zu machen.
Die grösste Herausforderung dieser Technik ist die Synchronisation der Aufzeichnungen, die im Picosekunden-Bereich liegen muss. In einer Picosekunde bewegen sich die gemessenen Radiowellen mit einer Wellenlänge von 1,3 mm um nur 0,4 mm vorwärts. Mit Radioteleskopen in Europa, Nord- und Südamerika, Hawaii und dem Südpol wird der grösstmögliche Durchmesser eines erdgebundenen virtuellen Radioteleskops von gegen 12'000 km erreicht, weshalb die Technik als Very Long Baseline Interferometry (VLBI) bezeichnet wird.
Auf diese Weise kann die feurige Umgebung der beiden schwarzen Löcher so genau wie nie zuvor erfasst werden. Bereits im April 2017 wurden innerhalb von 10 Tagen meteorologisch optimale Situationen benutzt, um simultane Aufzeichnungen von 8 Radioteleskopen an 6 hochalpinen Standorten durchzuführen. Die anfallenden Datenmengen (rund 8 Gigabytes pro Sekunde Messzeit) waren so riesig, dass sie auf Festplatten mit Flugzeugen zu zwei Supercomputerzentren in Deutschland und den USA transportiert werden mussten.
Nach knapp zwei Jahre beanspruchenden Kontrollen der Daten und Berechnungen zur Synthetisierung der Bilder wurde am 10. April 2019 das Bild des schwarzen Loches M87* mit 6 simultanen Pressekonferenzen in Washington über Brüssel bis Tokyo der Weltöffentlichkeit vorgestellt (Abb. 1). Dessen Bearbeitung konnte zuerst abgeschlossen werden, weil es sich viel ruhiger verhielt als Sgr A*. Der Grund liegt vermutlich darin, dass die Masse von M87* mit 6,5 Milliarden Sonnenmassen rund 1500 mal grösser ist als diejenige von Sgr A* und sich das Virgo Loch deshalb über die Beobachtungszeit kaum veränderte.
Das turbulentere kleinere Milchstrassenloch ist schwieriger abzubilden und wurde deshalb zurückgestellt. Die rund 2000 mal grössere Entfernung zum Virgo Cluster wurde weitgehend kompensiert durch den 1500 mal grösseren Radius des Ereignishorizontes, der gut das Vierfache des Radius der Neptunbahn beträgt.
Legende zum Bild:
Allererste Fotografie eines schwarzen Loches: M87* im Virgo Cluster enthält eine Masse von 6,5 Milliarden Sonnen und ist 55 Millionen Lichtjahre von uns entfernt. Wir sehen ungefähr frontal auf die Akkretionsscheibe, die sich im Uhrzeigersinn mit rund 1000 km/s dreht.
Von dieser Materie verschwindet täglich etwa das 90-fache der Erdmasse im schwarzen Loch. Das fotografierte Licht der Wellenlänge von 1,3 mm entsteht durch die Radialbeschleunigung der geladenen Plasmateilchen durch das ungeheure Gravitationsfeld des schwarzen Loches.
Die Farben haben keinen Bezug zu sichtbaren Farben, sondern bedeuten die Stärke der Mikrowellenstrahlung. Die Asymmetrie rührt daher, dass das Licht der Plasmateilchen, die sich etwas auf uns zubewegen, stärker in unsere Richtung gebündelt wird und daher heller erscheint.
Bis heute wurde selbst in dieser extremen Umgebung keine erkennbare Abweichung von der allgemeinen Relativitätstheorie Einsteins gefunden. Der Ereignishorizont (Kreis mit Radius 20 Mia. km) ist rund 2,5 mal kleiner als der auf dem Bild sichtbare "Schatten" des schwarzen Loches, der durch Krümmung der Lichtstrahlen zustande kommt. Zum Vergleich die Bahn des Neptun (kleiner Kreis). Die beiden Kreise wurden durch F. Gassmann eingezeichnet.
Autor: Dr. Fritz Gassmann (ehem. PSI-Physiker) April 2019