Die von Einstein vor über einem Jahrhundert vorgeschlagene Allgemeine Relativitätstheorie (GR) ist nach wie vor eines der bekanntesten wissenschaftlichen Postulate aller Zeiten. Diese Theorie, die erklärt, wie sich die Raumzeitkrümmung in Gegenwart massiver Objekte verändert, bleibt der Eckpfeiler unserer am weitesten verbreiteten kosmologischen Modelle. Dies sollte keine Überraschung sein, da GR ab Sonntag in neun Richtungen und unter den extremsten Bedingungen, die man sich vorstellen kann, überprüft wurde. Insbesondere haben Wissenschaftler mehrere Beobachtungskampagnen durchgeführt, um GR mithilfe von Sagittarius A* (Sgr A*), dem supermassiven Schwarzen Loch im Zentrum der Milchstraße, zu testen.
Letztes Jahr gab das Event Horizon Telescope (EHT) – ein internationales Konsortium aus Astronomen und Observatorien – bekannt, dass sie die ersten Bilder von Sag A* aufgenommen hatten, die nur zwei Jahre nach der Veröffentlichung der ersten Bilder eines SMBH (M87) erfolgten ). Im Jahr 2014 starteten die europäischen Mitglieder des EHT eine weitere Initiative namens BlackHoleCam, um mithilfe einer Kombination aus Radiobildgebung, Pulsarbeobachtungen, Astrometrie und GR ein besseres Verständnis von SMBHs zu erlangen. In einem aktuellen Artikel beschrieb die BHC-Initiative, wie sie GR durch die Beobachtung von Pulsaren testete, die Sgr A* umkreisten.
Das BlackHoleCam-Konsortium besteht aus Forschern des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie (MPIFR), des Instituts für Millimeterradioastronomie (IRAM), des Kavli-Instituts für Astronomie und Astrophysik (KIAA) und des Jodrell Bank Centre for Astrophysics der Universität Manchester (JBCA), das Institut für Mathematik, Astrophysik und Teilchenphysik (IMAPP) der Radboud-Universität und das Institut für Theoretische Physik der Goethe-Universität. Die vom Postdoktoranden Ralph P. Eatough vom MPIFR geleitete Studie ist auf der Website verfügbar arXiv Pre-Print-Server.
Wie sie in ihrer Arbeit darlegen, beobachten Astronomen seit über vierzig Jahren binäre Neutronensternsysteme. In diesen Systemen, in denen einer oder beide Sterne aktive Radiopulsare sind, waren Präzisionstests der Gravitation möglich. Ebenso wäre ein Pulsar in einer engen Umlaufbahn um Sgr A* das ideale Labor zum Testen von GR-Vorhersagen und Eigenschaften, die sonst nicht gemessen werden könnten. Dazu gehören das No-Hair-Theorem, das besagt, dass die Materie, die ein Schwarzes Loch gebildet hat, unzugänglich ist, und die Cosmic Censorship Conjecture (CCC), die Theorien über die Struktur von Singularitäten in GR aufstellt.
In den letzten Jahrzehnten wurden mehrere Suchen nach Pulsaren durchgeführt, die sich in einem Umkreis von etwa 240 Lichtjahren (∼73 Parsec) um das galaktische Zentrum (GC) befinden. Im Jahr 2013 wurde die Pulsarpopulation in diesem Gebiet durch die Entdeckung von PSR J1745–2900 (einem radioemittierenden Magnetar) in mehreren Wellenlängen auf insgesamt sechs erhöht. Die ersten Teams, die dies taten, verließen sich auf die Observatorien Neil Gehreles Swift und NuSTAR, um die Gammastrahlenemissionen zu erkennen, während zwei weitere Teams (eines unter der Leitung von Eatough) es mit Radioteleskopen untersuchten. Jüngste Verbesserungen bei Radioteleskopen und Datenanalysen haben zusätzliche Bereiche für die Suche nach GC-Pulsaren gefunden.
Eine Technik besteht darin, nach Pulsaren bei „höheren als normalen“ Frequenzen – mehr als zehn Gigahertz (GHz) – und bei längeren Integrationslängen zu suchen. Dies reduziert die Auswirkungen interstellarer Dispersion und Streuung, die bei Objekten innerhalb von GC am stärksten sind. Leider ist dieser Ansatz mit einem Kompromiss verbunden, da diese Suchen durch das steile Emissionsspektrum von Pulsaren begrenzt sind, was zu einem höheren Signal-Rausch-Verhältnis führt. Dies kann Untersuchungen nach binären Pulsaren am GC zu einer großen Herausforderung machen und die Suche auf isolierte Pulsare mit flacheren Spektren beschränken.
Glücklicherweise wollen das BlackHoleCam-Team und die Mitglieder des EHT-Konsortiums diese Einschränkungen durch den Einsatz der größten und empfindlichsten Teleskope der Welt (die im Millimeterwellenbereich arbeiten) bewältigen. Dazu gehören das Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), das Caltech Submillimeter Observatory (CSO), das Kitt Peak National Observatory (KPNO), das Gran Telescopio Milimétrico Alfonso Serrano (GTM) und das 30-m-Radioteleskop des Institut de Radioastronomie Millimétrique (IRAM) und andere Instrumente, die das Rückgrat des EHT bilden.
In diesem Zusammenhang wird die gleiche Technologie, die für die Aufnahme des ersten Bildes von Sgr A* verwendet wurde, auch zur Erkennung binärer Pulsare verwendet, die es umkreisen. Es kommt auch auf die gleiche Methodik an: Very Long Baseline Interferometry (VLBI). Dabei arbeiten mehrere Radioteleskope zusammen und kombinieren Daten, um Bilder mit höherer Auflösung zu erstellen. Bisher stützten sich die meisten Pulsarsuchen auf das empfindlichste Element des EHT: das „vollständig phasengesteuerte“ ALMA.
Aber Eatough und sein Team schrieben, dass sich dies mit der BlackHoleCam ändern wird, „da sowohl EHT-VLBI-Bildgebung als auch Pulsarbeobachtungen das gleiche Rohdatenprodukt von jedem Array-Element nutzen können, können EHT-VLBI- und Pulsarbeobachtungen kommensal sein … In der Zukunft können wir uns die Verwendung vorstellen.“ ein Phased-Array der größten Komponenten des EHT, um die Empfindlichkeit weiter zu erhöhen oder standortspezifische Interferenzkontaminationen abzuschwächen.“
Wie immer schaffen Fortschritte in der Astronomie neue Studienmöglichkeiten, die über die ursprüngliche Mission hinausgehen. Ursprünglich zur Abbildung der Ereignishorizonte supermassereicher Schwarzer Löcher (SMBHs) in den Zentren von Galaxien konzipiert, hat das EHT Türen für die Interferometrieforschung der nächsten Generation geöffnet. In den kommenden Jahren könnte die beispiellose Empfindlichkeit dieser Arrays die Gesetze der Physik unter extremsten Bedingungen testen und neue Einblicke in die Gesetze des Universums liefern.
Mehr Informationen:
Ralph P. Eatough et al, BlackHoleCam – Testen der Allgemeinen Relativitätstheorie mit Pulsaren, die Sagittarius A* umkreisen, arXiv (2023). DOI: 10.48550/arxiv.2306.01496