Vor fast fünf Jahren gewährte ein weltumspannendes Astronomenteam der Welt den ersten Blick auf ein Schwarzes Loch. Jetzt hat das Team sowohl seine ursprünglichen Erkenntnisse als auch unser Verständnis von Schwarzen Löchern mit einem neuen Bild des supermassereichen Schwarzen Lochs M87* bestätigt. Dieses supermassereiche Schwarze Loch, 6,5 Milliarden Mal so groß wie die Masse unserer Sonne, befindet sich im Zentrum der Galaxie Messier 87 (M87) im Virgo-Galaxienhaufen, 55 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt.
Das neue Bild wurde, wie das alte, vom Event Horizon Telescope (EHT) aufgenommen, einer Reihe von Radioteleskopen, die sich über den Planeten erstrecken. Diese neuen Daten wurden jedoch ein Jahr später, im Jahr 2018, gesammelt und profitierten von Verbesserungen im Teleskop-Array, insbesondere durch die Einbeziehung eines Teleskops in Grönland.
EHTs ursprüngliches Bild von M87* war nicht nur deshalb wichtig, weil es das erste Mal war, dass Menschen ein Schwarzes Loch abgebildet hatten, sondern auch, weil das Objekt so aussah, wie es aussehen sollte. Bemerkenswerterweise zeigte das Bild einen sogenannten Schatten eines Schwarzen Lochs – einen dunklen Bereich im Zentrum einer leuchtenden Scheibe aus heißer Materie, die das Schwarze Loch umkreist. Ein Schatten eines Schwarzen Lochs ist kein Schatten im gleichen Sinne wie der, den man wirft, wenn man an einem sonnigen Tag nach draußen geht. Stattdessen entsteht die dunkle Region durch das immense Gravitationsfeld des Schwarzen Lochs, das so stark ist, dass Licht ihm nicht entkommen kann. Da kein Licht ein Schwarzes Loch verlässt, erscheint es dunkel.
Darüber hinaus beugt diese starke Schwerkraft das Licht, das in der Nähe des Schwarzen Lochs vorbeikommt, ohne hineinzufallen, und wirkt so wie eine Linse. Dies wird als Gravitationslinseneffekt bezeichnet und erzeugt einen Lichtring, der unabhängig vom Blickwinkel auf das Schwarze Loch sichtbar ist. Diese Effekte wurden beide aus Albert Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie vorhergesagt. Da das Bild von M87* diese Effekte zeigt, ist es ein starker Beweis dafür, dass die allgemeine Relativitätstheorie und unser Verständnis der Physik schwarzer Löcher richtig sind.
Dieses neue M87*-Bild wurde mit wichtigen Beiträgen eines Bildgebungsteams am Caltech erstellt, darunter Professor Katherine (Katie) L. Bouman, Assistenzprofessorin für Informatik und Mathematik, Elektrotechnik und Astronomie; ehemaliger Caltech Ph.D. Studentin Nitika Yadlapalli Yurk, Ph.D.; und derzeitiger Caltech-Postdoktorand in den Informatik- und Mathematikwissenschaften Aviad Levis.
Bouman ist Koordinatorin der EHT Imaging Working Group und war Postdoktorandin am Harvard Smithsonian Center for Astrophysics und Co-Leiterin des EHT-Bildgebungsteams, als das Originalbild im Jahr 2019 veröffentlicht wurde. In dieser Rolle half sie bei der Entwicklung der Algorithmen Die von den zahlreichen Radioteleskopen des EHT gesammelten Daten wurden zu einem einzigen, zusammenhängenden Bild zusammengefügt. Seit ihrem Eintritt in die Caltech-Fakultät setzt Bouman, die außerdem Rosenberg-Stipendiatin und Forscherin am Heritage Medical Research Institute ist, ihre Arbeit bei EHT fort. Sie war außerdem Co-Leiterin der 2022 veröffentlichten Bildgebung des supermassiven Schwarzen Lochs in der Milchstraße.
Yurk trat der EHT-Kollaboration im Jahr 2020 bei und spielte eine aktive Rolle im Bildgebungsteam für das neueste M87*-Bild. Zu ihren Hauptbeiträgen gehörte die Entwicklung synthetischer Datensätze, die beim Training und der Validierung der Bildgebungsalgorithmen verwendet werden. Yurk schrieb auch Software, die bei der Untersuchung von Bildkandidaten verwendet wurde. Sie wurde kürzlich vom EHT für ihre Bemühungen mit einem Doktortitel ausgezeichnet. Dissertationspreis für die Fortschritte, die sie bei der Bildgebung und Validierung des neuesten M87*-Bildes erzielt hat. Derzeit ist sie Stipendiatin des NASA-Postdoktorandenprogramms am JPL, das Caltech für die NASA verwaltet.
Die Abbildung eines Objekts wie M87* mit dem EHT unterscheidet sich stark von der Abbildung eines Planeten wie Saturn mit einem herkömmlichen Teleskop. Anstatt Licht zu sehen, beobachtet das EHT die von Objekten ausgesendeten Radiowellen und muss die Informationen rechnerisch zu einem Bild kombinieren.
„Die Rohdaten, die von diesen Teleskopen kommen, sind im Grunde nur Spannungswerte“, sagt Yurk. „Ich beschreibe Radioteleskope gerne als die empfindlichsten Voltmeter der Welt, und sie erfassen die Spannungen aus verschiedenen Teilen des Himmels sehr genau.“
Diese Spannungswerte in ein Bild umzuwandeln, sei schwierig, sagt Bouman, weil die Informationen, mit denen die Forscher arbeiten, unvollständig seien und es nichts gebe, mit dem man das Bild vergleichen könne, da niemand M87* mit eigenen Augen gesehen habe.
„Wir wollen nicht unsere Erwartungen darüber einfließen lassen, wie das Schwarze Loch aussehen sollte, wenn wir das Bild rechnerisch erstellen“, sagt Bouman. „Sonst führt es uns möglicherweise zu einem Bild, das wir erwarten, und nicht zu einem, das die Realität einfängt.“
Um dieses Problem zu vermeiden, testen die Forscher ihre Bildverarbeitungsalgorithmen mit sogenannten synthetischen Daten, einer Reihe simulierter Bilder mit einfachen geometrischen Formen. Diese Daten durchlaufen die Algorithmen, um ein Bild zu erzeugen. Wenn das Ausgabebild dem Eingabebild entspricht, wissen sie, dass der Algorithmus ordnungsgemäß funktioniert, und können überraschende Strukturen rund um das Schwarze Loch genau erkennen.
Laut Bouman umfasste dieser Prozess, der von Yurk mit geleitet wurde, die Untersuchung Hunderttausender Parameter, um die Wirksamkeit der Algorithmen bei der Rekonstruktion verschiedener Bildstrukturen zu messen. Das Team stellte fest, dass die Methoden mit der Hinzufügung des Grönland-Teleskops zum EHT die Merkmale in den Bildern robuster wiederherstellten.
Der Prozess erzeugte ein Bild von M87*, das sich nur geringfügig vom ersten unterscheidet. Der offensichtlichste Unterschied besteht darin, dass sich der hellste Teil des leuchtenden Rings um M87* um etwa 30 Grad gegen den Uhrzeigersinn verschoben hat. Laut EHT ist diese Bewegung wahrscheinlich das Ergebnis des turbulenten Materieflusses um ein Schwarzes Loch. Wichtig ist, dass der Ring seine Größe beibehalten hat, was auch von der Allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagt wurde.
Bouman fügt hinzu, dass die Fähigkeit des Teams, ein weiteres Bild von M87* mit neuen Daten zu erstellen, das so gut mit dem vorherigen Bild übereinstimmt, aufregend sei.
„Ich denke, die Leute werden fragen: ‚Warum ist das wichtig? Sie haben bereits ein Bild von M87* gezeigt.‘ Andere Gruppen haben das M87*-Bild mit Daten reproduziert, die im Jahr 2017 aufgenommen wurden. Aber es ist etwas völlig anderes, wenn ein neuer Datensatz aus einem anderen Jahr aufgenommen wird und man zu den gleichen Schlussfolgerungen kommt. Auch die Reproduzierbarkeit mit unabhängigen Daten ist eine große Sache. „