Die internationale Kollaboration Event Horizon Telescope hat ein zweites Bild eines Schwarzen Lochs aufgenommen – dieses Mal im Zentrum unserer eigenen Milchstraße. Aber um dem Bild Bedeutung zu verleihen, musste die Kollaboration es mit Simulationen von Schwarzen Löchern vergleichen.
Nachdem mehr als 300 Wissenschaftler und Ingenieure mobilisiert wurden, um ein Netzwerk synchronisierter Teleskope aufzubauen, die ein virtuelles Teleskop in Erdgröße bilden, hat die internationale Event Horizon Telescope Collaboration die allerersten Bilder von supermassereichen Schwarzen Löchern aufgenommen. Das erste Bild des Schwarzen Lochs im Zentrum der Galaxie Messier 87 wurde 2019 veröffentlicht. Das neueste Bild, das am Donnerstag veröffentlicht wurde, zeigt das Schwarze Loch im Zentrum unserer eigenen Milchstraße namens Sagittarius A*.
Aber was passiert, nachdem diese Bilder aufgenommen wurden?
„Das Aufnehmen eines Bildes ist nur der Anfang. Um das Objekt, das wir beobachten, wirklich zu verstehen, mussten wir es mit Simulationen vergleichen“, sagte Chi-Kwan „CK“ Chan, ein außerordentlicher Forschungsprofessor der University of Arizona am Steward des College of Science Observatorium. Chan fungiert als Sekretär des EHT Science Council und ist Senior Investigator für das internationale Black Hole PIRE Project, das daran arbeitet, die Infrastruktur zu entwickeln, um astronomische Projekte wie EHT in die Ära der Big-Data-Wissenschaft zu führen.
Chan ist auch Leiter der theoretischen Modellierungs- und Interpretationsbemühungen der EHT-Kollaboration für Sagittarius A*, das Thema des neuesten Fotos und eine Runde wissenschaftlicher Arbeiten herausgegeben von der EHT Collaboration in Astrophysikalische Zeitschriftenbriefe. Er koordinierte das fünfte Papier, das sich darauf konzentriert, Simulationen von Schwarzen Löchern zu erstellen und sie in synthetische Bilder umzuwandeln, die mit echten Beobachtungen verglichen werden können, um uns etwas Neues über das Schwarze Loch zu lehren.
Als Ergebnis dieses Prozesses stellten EHT-Wissenschaftler fest, dass sich Sagittarius A* wahrscheinlich dreht und ein Magnetfeld hat, das etwas stärker ist als ein Kühlschrankmagnet, was ausreicht, um Gas in der Nähe wegzudrücken. Das in das Schwarze Loch fallende Gas bildet eine Scheibe, die von der Erde aus eher frontal als vom Rand aus zu sein scheint. Diese diffuse leuchtende Scheibe besteht aus überhitztem Gas oder Plasma und geladenen Teilchen. Die Elektronen sind 100-mal kühler als die Ionen im Plasma, und die Scheibe dreht sich in die gleiche Richtung wie das Schwarze Loch. Auch fällt nur ein Teil dieses Materials in das Schwarze Loch. Wenn Schütze A* ein Mensch wäre, würde er alle Millionen Jahre ein einziges Reiskorn verzehren.
Bedeutung finden
UArizona leitete zusammen mit der University of Illinois und der Harvard University die Bemühungen, die bisher größte Sammlung von Simulationen zu erstellen, die EHT die Simulationsbibliothek nennt. Diese Bibliothek besteht aus Tausenden von Datensätzen – die Informationen darüber enthalten, wie das Plasma mit Magnetfeldern um Schwarze Löcher interagiert – und Millionen von simulierten Bildern. Jede Simulation geht von etwas anderem über die Eigenschaften und Merkmale des Schwarzen Lochs und seiner Umgebung aus.
EHT-Wissenschaftler können jedes simulierte Bild mit dem tatsächlichen Bild des Schwarzen Lochs vergleichen, um eine Übereinstimmung zu finden. Die Simulation, die den Schnappschuss mit der größten Übereinstimmung erstellt, kann uns etwas über das tatsächliche Schwarze Loch beibringen, einschließlich seiner Plasmatemperatur und der Stärke seines Magnetfelds.
Der Simulationsprozess beinhaltet die Verwendung von Supercomputern zur Lösung der sogenannten allgemeinen relativistischen magnetohydrodynamischen – oder GRMHD – Gleichungen, die die Bewegung von Material und Energie um Schwarze Löcher herum in dramatisch verzerrtem Raum und Zeit aufzeigen. GRMHD-Simulationen ähneln Simulationen, die verwendet werden, um zu verstehen, wie Luft um Flugzeuge strömt, sagte Chan, aber GRMHD-Simulationen berücksichtigen auch extreme Gravitationskräfte, wie sie von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie und der Wechselwirkung zwischen Magnetfeldern und Plasma beschrieben werden.
Im Gegensatz zu einfacheren Gleichungen, die mit Bleistift, Papier und Zeit gelöst werden können, sind GRMHD-Gleichungen viel komplexer, da sie die ständige Rückkopplung zwischen Magnetfeldern und Plasma berücksichtigen, was zu einer sich ständig ändernden Gleichung führt.
Um die Simulationsbibliothek zu erstellen, benötigte die EHT Collaboration 80 Millionen CPU-Stunden oder Verarbeitungszeit, was dem Betrieb von 2.000 Laptops mit voller Geschwindigkeit für ein ganzes Jahr entspricht. Die Zusammenarbeit führte die Berechnungen zur Erstellung der Bibliothek mit dem von der National Science Foundation finanzierten Frontera-Supercomputer im Texas Advanced Computing Center durch, wo Chan Hauptforscher der Zuteilung von Frontera Large-Scale Community Partnerships ist. Mit dieser Ressource konnte das Team die vollständige Simulationsbibliothek in zwei Monaten fertigstellen.
Die EHT-Kollaboration erstellte eine Flut möglicher Bilder von Sagittarius A* mithilfe von Raytracing, einer Technik, die auf der Grundlage von Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie vorhersagt, wie Schwarze Löcher aussehen würden. Die hier gezeigten Bilder wurden von Chi-kwan Chan von UArizona auf CyVerse und Open Science Grid erstellt und von Ben Prather von der University of Illinois als Teil einer größeren Simulationsbibliothek visualisiert, die von der Theory Working Group von EHT zusammengestellt wurde. Bildnachweis: EHT-Zusammenarbeit
„Um Simulationen wie diese mit EHT-Beobachtungen zu vergleichen, müssen wir zusätzliche Berechnungen durchführen, um die GRMHD-Daten auch in Bilder zu übersetzen“, sagte Chan. „Solche Berechnungen nennt man allgemeines relativistisches Raytracing.“
Das EHT wurde entwickelt, um eine bestimmte Wellenlänge – 1,3 Millimeter – von Radiowellen aus dem galaktischen Zentrum eines Schwarzen Lochs zu erkennen. Um diese Radiowellen zu simulieren und Bilder zu erstellen, verfolgen Wissenschaftler den Weg, den das Licht zurück zum Schwarzen Loch zurückgelegt hat, wiederum mit Hilfe von Supercomputern.
Chan leitete einen Großteil der Raytracing-Berechnungen für Sagittarius A* über CyVerse, eine nationale Cyberinfrastruktur mit Sitz in UArizona, und das von der NSF finanzierte Open Science Grid, ein Konsortium zur Berechnung großer Datenmengen. Das UArizona-Team führte nicht nur die Bemühungen an, die Rechenressourcen für die Durchführung dieser Simulationen zu erwerben, sondern erstellte auch die Software, die die Berechnungen erleichterte.
Das Endprodukt sind viele simulierte Filme und simulierte Bilder eines Schwarzen Lochs, die durch unterschiedliche Annahmen über die zugrunde liegende Physik erzeugt wurden. Das Team vergleicht dann diese Filme und Bilder mit echten Schwarzen Löchern.
UArizona-Studenten spielten eine wichtige Rolle bei der Ermöglichung des Vergleichs. Yuan Jea Hew, ein frischgebackener Astronomie-Absolvent, und Anthony Hsu, ein Student im zweiten Studienjahr, der Informatik und angewandte Mathematik studiert, entwickelten Datenanalysealgorithmen, um Vergleiche zu ermöglichen.
Die Zusammenarbeit stützte sich auf 11 verschiedene Tests, die die Schwarzloch-Simulationen bestehen mussten, um dem echten Schwarzen Loch ausreichend zu entsprechen.
„Es ist bemerkenswert, dass wir Schütze A* so gut verstehen, dass wir einige Modelle haben, die 10 von 11 Tests bestehen“, sagte Chan.
Die Tests berücksichtigten Variablen wie die Helligkeit bestimmter Wellenlängen, die Bildgröße sowie die Größe und Breite des leuchtenden Rings, der das Schwarze Loch umgibt.
„Allerdings hat kein einziges Modell alle 11 Tests bestanden“, sagte Chan. Der für die Modelle am schwersten zu schlagende Test war die Variabilität, die misst, wie stark sich das Schwarze Loch von Moment zu Moment verändert. Die Simulationen sind variabler als das echte Sagittarius A*.
„Egal wie lange wir die Simulationen laufen lassen, damit sie sich beruhigen können, die meisten Simulationen haben diesen Test trotzdem nicht bestanden“, sagte Chan. „Sie entsprechen nicht ganz der Realität, aber ich denke, das ist spannender, als wenn einfach alles funktioniert. Jetzt können wir etwas neue Physik lernen und unser eigenes Schwarzes Loch besser verstehen.“
Die Fakultätsmitglieder von UArizona, die daran arbeiten, Schwarze Löcher zu verstehen, stellen sich dieser Herausforderung seit Jahrzehnten und waren Teil der Forschungsgruppen, die das Schwarze Loch im Zentrum der Milchstraße und das im Zentrum der Galaxie Messier 87 als ideale Studienziele identifizierten . Die Universität steuerte auch zwei der acht Teleskope im EHT-Array bei, mit denen diese Bilder erstellt wurden – das Sub-Millimeter-Teleskop auf dem Mount Graham in Arizona und das Südpol-Teleskop in der Antarktis. Im Jahr 2019 fügte UArizona dem Array auch das 12-Meter-Teleskop auf dem Kitt Peak in Arizona hinzu.
Insgesamt sind 36 Forscher, Doktoranden und Studenten der UArizona an der EHT-Kollaboration beteiligt, darunter die Astronomieprofessoren Dimitrios Psaltis, Feryal Özel, Dan Marrone und der Forschungsprofessor und Astronom Remo Tilanus. Der Leiter der Astronomieabteilung, Buell Jannuzi, ist Mitglied des EHT-Vorstands.