Erstes Bild des supermassereichen Schwarzen Lochs im Herzen der Milchstraße

Astronominnen und Astronomen haben das erste Bild des supermassereichen Schwarzen Lochs im Zentrum unserer Milchstraße enthüllt. Das Beobachtungsergebnis liefert überwältigende Beweise dafür, dass es sich bei diesem Objekt tatsächlich um ein Schwarzes Loch handelt und gibt wertvolle Hinweise auf die Funktionsweise solcher Giganten, von denen man annimmt, dass sie im Zentrum der meisten Galaxien auftreten. Das Bild wurde von einem globalen Forschungsteam, der Event-Horizon-Teleskop- (EHT-) Kollaboration, unter Verwendung von Beobachtungen mit einem weltweiten Netz von Radioteleskopen erstellt. 

Das vorgestellte Bild stellt einen lang erwarteten direkten Blick auf das massereiche Objekt im Zentrum unserer Galaxie dar. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler hatten zuvor bereits Sterne untersucht, die um ein unsichtbares, kompaktes und sehr massereiches Objekt im Zentrum der Milchstraße kreisen. Dies deutete stark darauf hin, dass das Objekt mit Namen Sagittarius A* (Sgr A) ein Schwarzes Loch ist. Das heute veröffentlichte Bild liefert den ersten direkten visuellen Beweis dafür.

Obwohl wir das Schwarze Loch selbst nicht sehen können, weil es keine Strahlung aussendet, zeigt das glühende Gas darum herum eine verräterische Signatur: eine dunkle zentrale Region (ein so genannter "Schatten"), die von einer hellen ringartigen Struktur umgeben ist. Diese neue Ansicht fängt das Licht ein, das durch die immense Gravitation des Schwarzen Lochs, das über vier Millionen Mal massereicher ist als unsere Sonne, gebeugt wird.

"Wir waren verblüfft, wie gut die Größe des beobachteten Rings mit den Vorhersagen der Allgemeinen Relativitätstheorie von Einstein übereinstimmt", sagt EHT-Projektwissenschaftler Geoffrey Bower vom Institut für Astronomie und Astrophysik der Academia Sinica in Taipeh. "Die neuen Beobachtungen haben unser Verständnis der physikalischen Prozesse in den Zentren von Galaxien erheblich verbessert und bieten neue Erkenntnisse darüber, wie solch riesige Schwarze Löcher mit ihrer Umgebung in Wechselwirkung stehen." Die Ergebnisse des EHT-Teams werden heute in einer Serie von Veröffentlichungen in einer Sonderausgabe der Fachzeitschrift The Astrophysical Journal Letters präsentiert.

Da das Schwarze Loch im Zentrum der Milchstraße etwa 27.000 Lichtjahre von der Erde entfernt ist, erscheint es uns am Himmel etwa so groß wie ein Donut auf dem Mond. Um es abzubilden, schuf das Team das leistungsstarke EHT, das acht bestehende Radioobservatorien auf der ganzen Welt zu einem einzigen virtuellen Teleskop von Erdgröße verbindet.  Das EHT beobachtete Sgr A* in mehreren Nächten und sammelte viele Stunden am Stück Daten, ähnlich wie bei einer langen Belichtungszeit einer Kamera. 

Der neuerliche Durchbruch folgt auf die bereits im Jahr 2019 von der EHT-Kollaboration veröffentlichte erste Aufnahme eines Schwarzen Lochs, genannt M87*, im Zentrum der Galaxie Messier 87, die sich in wesentlich größerer Entfernung befindet. Die beiden Schwarzen Löcher sehen sich bemerkenswert ähnlich, obwohl das Schwarze Loch im Zentrum unserer Milchstraße mehr als tausendmal kleiner und weniger massereich ist als M87*. "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, Ko-Vorsitzende des EHT-Wissenschaftsrats und Professorin für theoretische Astrophysik an der Universität von Amsterdam in den Niederlanden. "Das zeigt uns, dass die Allgemeine Relativitätstheorie diese Objekte in der Nähe definiert und dass alle Unterschiede, die wir in größerem Abstand vom Zentrum sehen, auf Unterschiede in der Materie zurückzuführen sind, die die Schwarzen Löcher umgibt."

Die Auswertung der Daten war wesentlich schwieriger als bei M87*, obwohl Sgr A* in viel geringerem Abstand liegt. 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 - um Sgr A* und M87*. Doch während das Gas Tage bis Wochen braucht, um das größere Objekt M87* zu umkreisen, vollendet es bei dem viel kleineren Sgr A* seine Umlaufbahn in nur wenigen Minuten. Das bedeutet, dass sich die Helligkeit und das Erscheinungsbild des Gases um Sgr A* während der Beobachtung durch die EHT-Kollaboration schnell änderten - ein bisschen so, als würde man versuchen, ein scharfes Bild von einem Welpen aufzunehmen, der unentwegt seinem eigenen Schwanz nachjagt.“

Das Forschungsteam musste ausgeklügelte neue Methoden entwickeln, um die Gasbewegungen um Sgr A* erklären zu können. Während M87* ein einfacheres, stabileres Ziel darstellte, bei dem fast alle Bilder gleich aussahen, war dies bei Sgr A* nicht der Fall. Das Bild des Schwarzen Lochs Sgr A* ist ein Mittelwert von verschiedenen Bildern, die das Team aus den Daten extrahierte. Das trägt nun dazu bei, das gewaltige Objekt im Zentrum unserer Galaxie zum ersten Mal direkt zu zeigen.

Das hier vorgestellte Ergebnis wurde ermöglicht durch den Einfallsreichtum von mehr als 300 Forschenden aus 80 Instituten in aller Welt, die zusammen die EHT-Kollaboration bilden.

Neben der Entwicklung komplexer Instrumente zur Bewältigung der Herausforderungen für die Erstellung der Abbildung von Sgr A* hat das Team fünf Jahre lang hart gearbeitet und Supercomputer eingesetzt, um die Daten zu kombinieren und zu analysieren, während es gleichzeitig eine noch nie dagewesene Bibliothek von numerisch simulierte Schwarzen Löchern zum Vergleich mit den Beobachtungen zusammenstellte.

Zu den nun veröffentlichten Ergebnissen haben mehr als 50 Autorinnen und Autoren aus deutschen Instituten maßgeblich beigetragen, darunter das Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR) in Bonn sowie die Universitäten Frankfurt am Main und Würzburg.

Michael Kramer, Präsident der Astronomischen Gesellschaft, Direktor am MPIfR und einer der Projektleiter des "Black Hole Cam"-Projekts, weist darauf hin, dass die Aufnahme von M87 zwar einen großen Erfolg darstellte, aber nur begrenzt für die Überprüfung von Theorien der Gravitation geeignet ist. Er erklärt: "Bei Messier 87 hatten wir keine verlässlichen Vorkenntnisse über die Masse des Schwarzen Lochs. Im aktuellen Fall ist das ganz anders. Dank vorhergehender Messungen wie denen von Reinhard Genzel kennen wir sowohl die Entfernung als auch die Masse von Sgr A* sehr genau, so dass wir die erwartete Schattengröße berechnen können, um sie mit den Beobachtungen zu vergleichen. Und sie passt sehr gut!" Das Projekt "Black Hole Cam" wurde vom Europäischen Forschungsrat (ERC) finanziert und spielt eine wichtige Rolle innerhalb der EHT-Kollaboration.

Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler sind besonders erfreut darüber, dass sie endlich Bilder von zwei Schwarzen Löchern ganz unterschiedlicher Größe haben, wodurch sie untersuchen können, wie sich beide Objekte miteinander vergleichen und wodurch sie sich unterscheiden. Sie haben auch begonnen, mit den neuen Daten Theorien und Modelle darüber zu testen, wie sich Gas in der Umgebung von supermassereichen Schwarzen Löchern verhält. Dieser Prozess ist noch nicht vollständig geklärt, aber es wird angenommen, dass er eine Schlüsselrolle bei der Entstehung und Entwicklung von Galaxien spielt.

"Jetzt ist es möglich, die Unterschiede zwischen diesen beiden supermassereichen Schwarzen Löchern zu untersuchen, um wertvolle neue Erkenntnisse darüber zu gewinnen, wie dieser wichtige Prozess funktioniert", sagt EHT-Wissenschaftler Keiichi Asada vom Institut für Astronomie und Astrophysik der Academia Sinica in Taipeh. "Wir haben Bilder von zwei Schwarzen Löchern erhalten - eines am großen und eines am kleinen Ende des Massenspektrums für supermassereiche Schwarze Löcher im Universum - so dass wir bei der Untersuchung, wie sich die Schwerkraft in diesen extremen Umgebungen verhält, viel weiter gehen können als jemals zuvor."

Die Fortschritte am EHT gehen weiter: An einer großen Beobachtungskampagne im März 2022 waren mehr Teleskope als je zuvor beteiligt. Der kontinuierliche Ausbau des EHT-Netzes und bedeutende technologische Verbesserungen werden in naher Zukunft noch beeindruckendere Bilder und Filme von Schwarzen Löchern ermöglichen.

Abb. 1:  Dies ist das erste Bild von Sagittarius A* (oder kurz Sgr A*), dem supermassereichen Schwarzen Loch im Zentrum unserer Milchstraße. Es ist der erste direkte visuelle Beweis für die Existenz dieses Schwarzen Lochs. Es wurde vom Event-Horizon-Teleskop (EHT) aufgenommen, einem Netzwerk, das acht bestehende Radioobservatorien auf der ganzen Welt zu einem einzigen virtuellen Teleskop von der Größe der Erde zusammenfasst. Das EHT ist nach dem "Ereignishorizont" benannt, der Grenze des Schwarzen Lochs, hinter der kein Licht mehr entweichen kann. 

Obwohl der Ereignishorizont selbst nicht sichtbar ist, weil er kein Licht aussendet, zeigt glühendes Gas, das um das Schwarze Loch kreist, eine verräterische Signatur: eine dunkle zentrale Region (genannt "Schatten"), die von einer hellen ringförmigen Struktur umgeben ist. Die neue Aufnahme fängt das Licht ein, das durch die starke Schwerkraft des Schwarzen Lochs, welches vier Millionen Mal massereicher als unsere Sonne ist, gebeugt wird. Das Bild des Schwarzen Lochs Sgr A* ist ein Mittelwert der verschiedenen Bilder, die die EHT-Kollaboration aus ihren Beobachtungen von 2017 extrahiert hat. Bildrechte: EHT-Kollaboration 

Abb. 2: Erstellung des Bildes vom Schwarzen Loch im Zentrum unserer Milchstraße: Die Event-Horizon-Teleskop- (EHT)- Kollaboration hat ein gemitteltes Bild des supermassereichen Schwarzen Lochs im Zentrum unserer Galaxie (Sagittarius A*, oder kurz Sgr A*) erzeugt, indem sie Bilder aus den einzelnen EHT-Beobachtungen im April 2017 kombiniert hat. Dieses Bild ist das Resultat der Mittelung von Tausenden von Einzelbildern, die mit verschiedenen Berechnungsmethoden erstellt wurden, die alle genau zu den EHT-Daten passten. Das gemittelte Bild enthält Strukturen, die in den verschiedenen Bildern häufiger zu sehen sind, und unterdrückt Strukturen, die seltener auftreten. Die Bilder können außerdem anhand ähnlicher Strukturen in vier Gruppen („Cluster“) eingeteilt werden. Ein gemitteltes, repräsentatives Bild für jede der vier Gruppen ist in der unteren Reihe dargestellt. Drei dieser Cluster zeigen eine Ringstruktur, allerdings mit unterschiedlich verteilter Helligkeit rund um den Ring. Der vierte Cluster enthält Bilder, die ebenfalls zu den Daten passen, aber nicht ringförmig erscheinen. Die Balkendiagramme zeigen die relative Anzahl der Einzelbilder, die in den jeweiligen Cluster eingehen. Zu den ersten drei Clustern gehören jeweils Tausende von Bildern, während der vierte und kleinste Cluster nur Hunderte von Bildern beinhaltet. Die Höhe der Balken gibt die relative Gewichtung oder Beiträge der einzelnen Cluster zum gemittelten Gesamtbild (oben) an. Bildrechte: EHT-Kollaboration

Schwarze Löcher sind die einzigen Objekte, die wir kennen, bei denen die Masse mit der Größe skaliert. Ein Schwarzes Loch, das tausendmal kleiner ist als ein anderes, ist auch tausendmal weniger massereich.

Weitere Informationen:

Die acht Teleskope, die bei den Beobachtungen im April 2017 am EHT beteiligt waren, sind folgende: das Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), das Atacama Pathfinder Experiment (APEX), das IRAM 30-Meter-Teleskop, das James Clerk Maxwell Teleskop (JCMT), das Large Millimeter Telescope Alfonso Serrano (LMT), das Submillimeter Array (SMA), das UArizona Submillimeter Telescope (SMT) und das South Pole Telescope (SPT). In der Zwischenzeit sind das Grönland-Teleskop (GLT), das NOrthern Extended Millimeter Array (NOEMA) und das 12-Meter-Teleskop der Universität Arizona auf dem Kitt Peak zum Netzwerk des EHT dazugekommen.

ALMA ist eine Partnerschaft zwischen der Europäischen Südsternwarte (ESO; Europa, stellvertretend für seine Mitgliedsstaaten), der U.S. National Science Foundation (NSF) und den National Institutes of Natural Sciences (NINS) von Japan, zusammen mit dem National Research Council (Kanada), dem Ministry of Science and Technology (MOST; Taiwan), dem Academia Sinica Institute of Astronomy and Astrophysics (ASIAA; Taiwan) und dem Korea Astronomy and Space Science Institute (KASI; Republik Korea), in Zusammenarbeit mit der Republik Chile. APEX, eine Zusammenarbeit zwischen dem Max-Planck-Institut für Radioastronomie (Deutschland), dem Onsala Space Observatory (Schweden) und der ESO, wird von der ESO betrieben. Das 30-Meter-Teleskop auf dem Pico Veleta wird von IRAM betrieben (die IRAM-Partnerorganisationen sind MPG (Deutschland), CNRS (Frankreich) und IGN (Spanien)). Das JCMT wird vom East Asian Observatory im Auftrag des Center for Astronomical Mega-Science der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, dem National Astronomical Observatory of Japan, ASIAA, KASI, dem National Astronomical Research Institute of Thailand und weiteren Organisationen im Vereinigten Königreich und Kanada betrieben. Das LMT wird von INAOE und UMass betrieben, das SMA vom Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian und ASIAA, und das UArizona SMT wird von der Universität von Arizona betrieben. Das SPT wird von der Universität von Chicago betrieben, wobei die Universität von Arizona spezielle EHT-Instrumente bereitstellt.

Das Greenland Telescope (GLT) wird von der ASIAA und dem Smithsonian Astrophysical Observatory (SAO) betrieben. Das GLT ist Teil des ALMA-Taiwan-Projekts und wird zum Teil von der Academia Sinica (AS) und MOST unterstützt. NOEMA wird von IRAM betrieben, und das 12-Meter-Teleskop auf dem Kitt Peak wird von der Universität von Arizona betrieben.

 

Originalveröffentlichungen:

Veröffentlicht in einer speziellen Ausgabe der Fachzeitschrift The Astrophysical Journal Letters.

First Sagittarius A* Event Horizon Telescope Results. I. The Shadow of the Supermassive Black Hole in the Center of the Milky Way, EHT Collaboration et al., The Astrophysical Journal, Vol. TBD, L1 (2022), DOI: 10.3847/2041-8213/ac6674, https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ac6674

First Sagittarius A* Event Horizon Telescope Results. II. EHT and Multi-wavelength Observations, Data Processing, and Calibration, EHT Collaboration et al., The Astrophysical Journal Letters, Vol. TBD, L2 (2022), DOI: 10.3847/2041-8213/ac6675, https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ac6675

First Sagittarius A* Event Horizon Telescope Results. III. Imaging of the Galactic Center Supermassive Black Hole, EHT Collaboration et al., The Astrophysical Journal Letters, Vol. TBD, L3 (2022), DOI: 10.3847/2041-8213/ac6429, https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ac6429

First Sagittarius A* Event Horizon Telescope Results. IV. Variability, Morphology, and Black Hole Mass, EHT Collaboration et al., The Astrophysical Journal Letters, Vol. TBD, L5 (2022), DOI: 10.3847/2041-8213/ac6736, https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ac6736

First Sagittarius A* Event Horizon Telescope Results. V. Testing Astrophysical Models of Q2 the Galactic Center Black Hole, EHT Collaboration et al., The Astrophysical Journal Letters, Vol. TBD, L5 (2022), DOI: 10.3847/2041-8213/ac6672, https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ac6672 

First Sagittarius A* Event Horizon Telescope Results. VI. Testing the Black Hole Metric, EHT Collaboration et al., The Astrophysical Journal Letters, Vol. TBD, L5 (2022), DOI: 10.3847/2041-8213/ac6576, https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ac6756

Selective dynamical imaging of interferometric data, J. Farah, P. Galison, K. Akiyama, et al. The Astrophysical Journal Letters, Vol. TBD, Ln (2022), DOI: 10.3847/2041-8213/ac6615, https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ac6615

Millimeter light curves of Sagittarius A∗ observed during the 2017 Event Horizon Telescope campaign, M. Wielgus, N. Marchili, I. Martí-Vidal, et al. The Astrophysical Journal Letters, Vol. TBD, Ln (2022), DOI: 10.3847/2041-8213/ac6428, https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ac6428

A Universal Power-law Prescription for Variability from Synthetic Images of Black Hole Accretion Flows, B. Georgiev, D.W. Pesce, A.E. Broderick, et al., The Astrophysical Journal Letters, Vol. TBD, Ln (2022), DOI: 10.3847/2041-8213/ac65eb, https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ac65eb 

Characterizing and Mitigating Intraday Variability: Reconstructing Source Structure in Accreting Black Holes with mm-VLBI, A. Broderick, R. Gold, B. Georgiev, et al. The Astrophysical Journal Letters, Vol. TBD, Ln (2022), DOI: 10.3847/2041-8213/ac6584, https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ac6584

 

Links:

Event Horizon Telescope (EHT)

https://eventhorizontelescope.org/

ERC Projekt Black Hole Cam (BHT)

https://blackholecam.org/

Pressemitteilung EHT

https://eventhorizontelescope.org/blog/astronomers-reveal-first-image-black-hole-heart-our-galaxy

Pressemitteilung des MPIfR

https://www.mpifr-bonn.mpg.de/pressemeldungen/2022/8

  

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