Eine Gruppe internationaler Forscher unter der Leitung des Zentrums für Astrophysik | Harvard und Smithsonian (CfA) haben vor vier Jahren das einst Unvorstellbare geschafft: mit einem bahnbrechenden Teleskop ein Bild eines Schwarzen Lochs aufzunehmen.
Letzten Monat kamen einige dieser Forscher, Ingenieure und Physiker in Harvard zusammen, um über den nächsten Schritt nachzudenken und Pläne auszuarbeiten: eine genauere Untersuchung der Photonenringe, die schwarze Löcher in leuchtendem Orange umgeben. Die Mission wurde Event Horizon Explorer (EHE) genannt und die Gruppe hofft, dass sie zusätzliche Einblicke in Schwarze Löcher bieten wird, die sich im Zentrum von Galaxien befinden.
Das 300-Millionen-Dollar-Projekt zur Erforschung der Natur von Raum und Zeit baut auf dem Erfolg des Event Horizon Telescope (EHT)-Projekts aus dem Jahr 2019 auf, als Forscher das erste Bild eines Schwarzen Lochs machten, eines Brennpunkts, der so winzig war, dass „die Größten auf“ ihn übertrafen „Die Himmelskörper sind nur etwa so groß wie ein Atom, das auf Armeslänge entfernt gehalten wird“, sagte Michael Johnson, Astrophysiker am CfA.
„Wir versuchen jetzt, eine Weltraummission zu starten, die die Schärfe der EHT-Bilder um den Faktor 10 verbessern würde“, sagte Johnson. Dadurch würden Photonenringe sichtbar – Ringe, die durch das Licht entstehen, das ein Schwarzes Loch umkreist. Johnson beschrieb diese als ähnlich „einer mehrstufigen Hochzeitstorte, bei der jedes Mal, wenn das Licht umhergeht, ein schärferer Ring entsteht.“ Derzeit „können wir diese in den EHT-Bildern nicht sehen. Sie sind zu schmal, um sie vom Rest des Lichts in der Nähe eines Schwarzen Lochs zu unterscheiden“, sagte er.
Es ist ein riesiges Unterfangen, aber für das kürzlich zusammengestellte Team von mehr als 70 Forschern scheint das Projekt möglich zu sein. „Wir haben versucht herauszufinden, ob es irgendwelche Überraschungen gibt. Gab es einen Grund, warum wir das nicht innerhalb der nächsten 10 Jahre auf den Markt bringen können? Und das Aufregende war, dass es keine gab“, sagte Janice Houston, Systemingenieurin bei die CfA. „Wir glauben, dass wir weiter Gas geben und das Ganze innerhalb des nächsten Jahrzehnts tatsächlich bauen können.“
Das Konzept scheint einer Hollywood-Weltraumodyssee entsprungen zu sein. „Um den Photonenring aufzuspüren, müssen riesige Datenmengen auf dem Raumschiff aufgezeichnet werden. Wir planen, Laserlicht zu verwenden, um das Informationsäquivalent der gesamten Library of Congress auf die Erde zu übertragen“, sagte Peter Galison, Professor für Wissenschaftsgeschichte an der Joseph Pellegrino University und Physik und Direktor von Harvard Black-Hole-Initiative.
Die Auszahlung könnte jedoch ein harter Beweis für das sein, was einst unmöglich schien. Photonenringe würden beispielsweise den Beweis liefern, dass sich Schwarze Löcher in den Zentren von Galaxien drehen und dass sie bei ihrer Rotation ihre Raumzeit mit sich ziehen. Raumzeit ist ein mathematisches Modell, das das vierdimensionale Gefüge des Kosmos beschreibt – Länge, Breite, Höhe und Zeit.
„Wenn sich ein Schwarzes Loch dreht, würde es die Form des Photonenrings verzerren und ihn zu einem Oval zusammendrücken“, sagte Galison. Wenn das EHE in der Lage ist, den Photonenring zu messen, „wird dies eine grundsolide Messung der Auswirkungen des rotierenden Schwarzen Lochs auf die Krümmung des Lichtwegs selbst sein.“
Bevor das EHE starten kann, steht es vor immensen Herausforderungen: vom Bau empfindlicher Empfänger, die auf nahezu den absoluten Nullpunkt gekühlt werden, um das auf das Teleskop treffende Licht aufzuzeichnen, bis zum Start einer Schüssel mit mehreren Metern Durchmesser und einer äußerst präzisen Oberfläche. „Bei der NASA erweitern wir ständig die Grenzen der Technik, um völlig neue Teile des Universums zu erforschen“, sagte Eliad Peretz, Missions- und Instrumentenwissenschaftler am Goddard Space Flight Center der NASA. „Dies ist eine Chance, bahnbrechende Technologien in vielen verschiedenen Systemen zusammenzuführen, um uns näher als je zuvor an den Rand des Universums zu bringen.“
Dominic Chang, der Physik an der Griffin Graduate School of Arts and Sciences in Harvard studiert, ist einer der Wissenschaftler, die an der theoretischen Physik arbeiten, die das Projekt vorantreibt. In den letzten zwei Jahren hat er physikbasierte Modelle erstellt, die „schnell zu berechnen sind und an Daten angepasst werden können, um zu beschreiben, was in der 3D-Geometrie der Raum-Zeit geschieht“. Während des Workshops konzentrierte sich Chang auf wissenschaftliche Anwendungen für das EHE und entwickelte Vorschläge, die Ingenieure sinnvoll umsetzen könnten.
„Grundsätzlich wollten wir eine Reihe von Ideen entwickeln, von denen wir wussten, dass wir sie mit vielen Simulationen unterstützen können. Und der Workshop führte zu einer Flut neuer Ideen. Es ist erstaunlich, Teil dieses Projekts im Erdgeschoss zu sein und einen Beitrag zu leisten.“ zu dem Fortschrittsschub, der mit einem möglichen neuen Experiment verbunden ist“, sagte Chang.
„Diese Mission hätte tiefgreifende Auswirkungen auf mehrere vorrangige Bereiche, die von der US-amerikanischen Astronomiegemeinschaft in der letzten zehnjährigen Umfrage identifiziert wurden“, sagte Peter Kurczynski, Chefwissenschaftler für kosmische Ursprünge bei NASA Goddard. „Dies ist eine außergewöhnliche Gelegenheit für uns, endlich zu verstehen, wie die riesigen Schwarzen Löcher in den Zentren von Galaxien tatsächlich entstanden sind.“
FAS-Wissenschaftsdekan Christopher Stubbs sprach zu Beginn des Workshops und gab dem Team in einem Vortrag mit dem Titel „Going Big: A Scientist’s Guide to Big Projects and Large Collaborations“ Anleitung.
„Es ist bemerkenswert, dass es dieser Gruppe zusammen mit anderen gelungen ist, das Paradoxe zu erreichen, ein Schwarzes Loch abzubilden“, sagte er. „Es ist wichtig, das zu nutzen und voranzukommen.“
Diese Geschichte wurde mit freundlicher Genehmigung von veröffentlicht Harvard Gazette, die offizielle Zeitung der Harvard University. Weitere Neuigkeiten zur Universität finden Sie unter Harvard.edu.