Astronomen finden einen neuen Weg zu scharfen Bildern von Schwarzen Löchern

Der Schatten eines Schwarzen Lochs, begrenzt von einem Ring aus Photonen. (Credits: Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian)
Der Schatten eines Schwarzen Lochs, begrenzt von einem Ring aus Photonen. (Credits: Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian)

Im vergangenen April sorgte das Event Horizon Telescope weltweit für Aufregung, als es das erste Bild eines Schwarzen Lochs machte. Am 18. März 2020 hat ein Forschungsteam neue Berechnungen veröffentlicht, die eine verblüffende und komplexe Substruktur auf Bildern von Schwarzen Löchern vorhersagen, welche auf extreme gravitative Lichtbeugung zurückzuführen ist.

„Das Bild eines Schwarzen Lochs enthält eine Reihe eingebetteter Ringe“, erklärte Michael Johnson vom Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA). „Jeder nachfolgende Ring hat ungefähr den gleichen Durchmesser, aber wird zunehmend schärfer, weil sein Licht das Schwarze Loch öfter umkreiste, bevor es den Beobachter erreichte. Mit dem aktuellen EHT-Bild haben wir nur einen Einblick in die ganze Komplexität bekommen, die auf jedem Bild eines Schwarzen Lochs auftauchen sollte.“

Weil Schwarze Löcher jedes Photon einfangen, das ihren Ereignishorizont überschreitet, werfen sie einen Schatten auf ihre hellen Emissionen, die von einfallendem Gas stammen. Ein „Photonenring“ umschließt diesen Schatten, produziert aus Licht, das durch die starke Gravitation nahe des Schwarzen Lochs gebündelt wird. Dieser Photonenring trägt den Fingerabdruck des Schwarzen Lochs: seine Größe und Form kodieren die Masse und die Rotation des Schwarzen Lochs. Mit den EHT-Bildern haben Forscher ein neues Hilfsmittel, um diese außergewöhnlichen Objekte zu untersuchen.

„Die Physik von Schwarzen Löchern war immer ein schönes Thema mit tiefen theoretischen Auswirkungen, aber jetzt wurde sie auch zu einer experimentellen Wissenschaft“, sagte Alex Lupsaca von der Harvard Society of Fellows. „Als Theoretiker bin ich erfreut, endlich echte Daten über diese Objekte zu bekommen, über die wir seit so langer Zeit abstrakt nachdenken.“

Zu dem Forschungsteam gehörten beobachtende Astronomen, theoretische Physiker und Astrophysiker.

„Das Zusammenbringen von Experten aus unterschiedlichen Fachgebieten ermöglichte uns, ein theoretisches Verständnis des Photonenrings mit dem zu verbinden, was durch Beobachtungen machbar ist“, sagte George Wong, ein Physik-Doktorand an der University of Illinois in Urbana-Champaign. Wong entwickelte eine Software, um Bilder von Schwarzen Löchern mit höheren Auflösungen zu simulieren, als bisher berechnet wurden, und um selbige in die vorhergesagte Reihe von Einzelbildern zu separieren. „Was als klassische Bleistift-und-Papier-Berechnung begann, führte uns dazu, unsere Simulationen an neue Grenzen zu bringen.“

Schematischer Ablauf der neuen Simulationen. (Credit: George Wong (UIUC) and Michael Johnson (CfA))
Schematischer Ablauf der neuen Simulationen. (Credit: George Wong (UIUC) and Michael Johnson (CfA))

Die Forscher stellten auch fest, dass die Substruktur des Bildes neue Möglichkeiten für die Beobachtung Schwarzer Löcher eröffnet. „Was uns wirklich überraschte war, dass die Subringe auf den Bildern (sogar auf perfekten Bildern) für das menschliche Auge zwar kaum zu erkennen sind, aber dennoch deutliche und klare Signale für Teleskopnetzwerke wie Interferometer darstellen“, sagte Johnson. „Während die Erstellung der Bilder von Schwarzen Löchern auf normalem Wege viele verteilte Teleskope erfordert, sind die Subringe mit nur zwei sehr weit voneinander entfernten Teleskopen ideal zu untersuchen. Ein einziges Weltraumteleskop als Ergänzung zum EHT wäre ausreichend.“

Die Ergebnisse wurden im Journal Science Advances veröffentlicht. Diese Forschungsarbeit wurde mit Fördermitteln der National Science Foundation, der Gordon and Betty Moore Foundation, der John Templeton Foundation, der Jacob Goldfield Foundation und des Department of Energy sowie der NASA finanziert.

Quelle

(THK)

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