Pressemitteilung

Astronomen enthüllen erstes Bild des schwarzen Lochs im Herzen unserer Galaxie

12. Mai 2022

Heute haben Astronomen bei gleichzeitigen Pressekonferenzen auf der ganzen Welt, darunter auch am Hauptsitz der Europäischen Südsternwarte (ESO) in Deutschland, das erste Bild des supermassereichen schwarzen Lochs im Zentrum unserer eigenen Milchstraßengalaxie präsentiert. Dieses Ergebnis liefert überwältigende Beweise dafür, dass es sich bei dem Objekt tatsächlich um ein schwarzes Loch handelt, und liefert wertvolle Hinweise auf die Funktionsweise solcher Giganten, von denen man annimmt, dass sie sich im Zentrum der meisten Galaxien befinden. Das Bild wurde von einem globalen Forschungsteam, der Event Horizon Telescope (EHT) Collaboration, unter Verwendung von Beobachtungen aus einem weltweiten Netzwerk von Radioteleskopen erstellt.

Das Bild ist ein lang erwarteter Blick auf das massereiche Objekt, das sich im Zentrum unserer Galaxie befindet. Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen hatten zuvor Sterne gesehen, die um ein unsichtbares, kompaktes und sehr massereiches Objekt im Zentrum der Milchstraße kreisen. Dies deutete stark darauf hin, dass es sich bei diesem Objekt – bekannt als Sagittarius A* (Sgr A*) – um ein schwarzes Loch handelt, und die heutige Aufnahme liefert den ersten direkten visuellen Beweis dafür.

Obwohl wir das schwarze Loch selbst nicht sehen können, weil es völlig dunkel ist, zeigt das umgebende glühende Gas eine verräterische Signatur: eine dunkle zentrale Region (Schatten genannt), die von einer hellen ringförmigen Struktur umgeben ist. Dieser neue Blick zeigt das Licht, das durch die starke Schwerkraft des schwarzen Lochs, das vier Millionen Mal massereicher als unsere Sonne ist, gebeugt wird.

„Wir waren verblüfft, wie gut die Größe des Rings mit den Vorhersagen von Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie übereinstimmte“, sagte EHT-Projektwissenschaftler Geoffrey Bower vom Institut für Astronomie und Astrophysik der Academia Sinica in Taipeh. „Diese beispiellosen Beobachtungen haben unser Verständnis dessen, was im Zentrum unserer Galaxie geschieht, erheblich verbessert und bieten neue Erkenntnisse darüber, wie diese riesigen schwarzen Löcher mit ihrer Umgebung in Verbindung stehen.“ Die Ergebnisse des EHT-Teams werden heute in einer Sonderausgabe der Zeitschrift The Astrophysical Journal Letters veröffentlicht.

Da das schwarze Loch etwa 27.000 Lichtjahre von der Erde entfernt ist, erscheint es uns am Himmel etwa so groß wie ein Krapfen auf dem Mond. Zur Abbildung des schwarzen Lochs schuf das Team das leistungsstarke EHT, das acht bestehende Radio-Observatorien auf der ganzen Welt zu einem einzigen virtuellen Teleskop in Erdgröße verband [1]. Das EHT beobachtete Sgr A* in mehreren Nächten im Jahr 2017 und sammelte viele Stunden am Stück Daten, ähnlich wie bei einer langen Belichtungszeit einer Kamera.

Neben anderen Einrichtungen umfasst das EHT-Netzwerk von Radioobservatorien auch das Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) und das Atacama Pathfinder EXperiment (APEX) in der Atacama-Wüste in Chile, die von der ESO im Namen ihrer europäischen Mitgliedsstaaten mitbetreut werden. Europa trägt auch mit anderen Radioobservatorien zu den EHT-Beobachtungen bei – dem 30-Meter-Teleskop IRAM in Spanien und, seit 2018, dem NOrthern Extended Millimeter Array (NOEMA) in Frankreich – sowie mit einem Supercomputer zur Kombination von EHT-Daten, der vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Deutschland betrieben wird. Darüber hinaus hat Europa das EHT-Konsortiumsprojekt durch Zuschüsse des Europäischen Forschungsrats und der Max-Planck-Gesellschaft in Deutschland finanziell unterstützt.

„Es ist sehr faszinierend für die ESO, dass sie über so viele Jahre hinweg eine so wichtige Rolle bei der Entschlüsselung der Geheimnisse schwarzer Löcher und insbesondere von Sgr A* gespielt hat“, kommentierte ESO-Generaldirektor Xavier Barcons. „Die ESO hat nicht nur durch die ALMA- und APEX-Anlagen zu den EHT-Beobachtungen beigetragen, sondern mit ihren anderen Observatorien in Chile auch einige der früheren bahnbrechenden Beobachtungen des galaktischen Zentrums ermöglicht.“ [2]

Der EHT-Erfolg folgt auf die Veröffentlichung des ersten Bildes eines schwarzen Lochs, genannt M87*, im Zentrum der weiter entfernten Galaxie Messier 87 im Jahr 2019.

Die beiden schwarzen Löcher sehen sich bemerkenswert ähnlich, obwohl das schwarze Loch unserer Galaxie mehr als tausendmal kleiner und weniger massereich ist als M87* [3]. „Wir haben zwei völlig unterschiedliche Arten von Galaxien und zwei sehr unterschiedliche Massen von schwarzen Löchern, aber in der Nähe des Randes dieser schwarzen Löcher sehen sie sich verblüffend ähnlich“, sagt Sera Markoff, Co-Vorsitzende des EHT-Wissenschaftsrats und Professorin für theoretische Astrophysik an der Universität von Amsterdam in den Niederlanden. „Das sagt uns, dass die Allgemeine Relativitätstheorie im Nahbereich für diese Objekte dominiert und alle Unterschiede, die wir in größerer Entfernung sehen, auf Abweichungen im Material zurückzuführen sein müssen, das die schwarzen Löcher umgibt.“

Diese Leistung war wesentlich schwieriger als bei M87*, obwohl uns Sgr A* viel näher ist. Der EHT-Wissenschaftler Chi-kwan ('CK') Chan vom Steward Observatory und dem Department of Astronomy und dem Data Science Institute der University of Arizona, USA, erklärt: „Das Gas in der Nähe der schwarzen Löcher bewegt sich mit der gleichen Geschwindigkeit – fast so schnell wie das Licht – sowohl um Sgr A* als auch um M87*. Aber während das Gas Tage bis Wochen braucht, um das größere M87* zu umkreisen, vollendet es eine Umkreisung um das viel kleinere Sgr A* in nur wenigen Minuten. Das bedeutet, dass sich die Helligkeit und das Muster des Gases um Sgr A* schnell änderten, während die EHT Collaboration es beobachtete – ein bisschen wie der Versuch, ein klares Bild von einem Welpen zu machen, der schnell seinem Schwanz nachjagt.“

Die Forschenden mussten raffinierte neue Methoden entwickeln, um die Gasbewegung um Sgr A* zu berücksichtigen. Während M87* ein einfacheres, stabileres Ziel war, bei dem fast alle Bilder gleich aussahen, war dies bei Sgr A* nicht der Fall. Das Bild des schwarzen Lochs Sgr A* ist ein Durchschnitt der verschiedenen Bilder, die das Team extrahiert hat, und offenbart schließlich zum ersten Mal den Riesen, der im Zentrum unserer Galaxie lauert.

Dieser Erfolg wurde durch den Einfallsreichtum von mehr als 300 Forschenden aus 80 Instituten auf der ganzen Welt ermöglicht, die zusammen die EHT Collaboration bilden. Neben der Entwicklung komplexer Werkzeuge zur Bewältigung der Herausforderungen bei der Abbildung von Sgr A* hat das Team fünf Jahre lang sorgfältig gearbeitet und Supercomputer zur Kombination und Analyse ihrer Daten eingesetzt. Gleichzeitig hat es eine noch nie dagewesene Bibliothek simulierter schwarzer Löcher zum Vergleich mit den Beobachtungen zusammengestellt.

Die Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen freuen sich besonders darüber, dass sie nun endlich Bilder von zwei schwarzen Löchern sehr unterschiedlicher Größe haben, was ihnen die Möglichkeit gibt, zu verstehen, worin sie sich ähneln und unterscheiden. Sie haben auch begonnen, die neuen Daten zu nutzen, um Theorien und Modelle darüber zu testen, wie sich Gas in der Umgebung supermassereicher schwarzer Löcher verhält. Dieser Prozess ist noch nicht vollständig verstanden, aber es wird angenommen, dass er eine Schlüsselrolle bei der Entstehung und Entwicklung von Galaxien spielt.

„Jetzt können wir die Unterschiede zwischen diesen beiden supermassereichen schwarzen Löchern untersuchen, um wertvolle neue Erkenntnisse darüber zu gewinnen, wie dieser wichtige Prozess funktioniert“, sagte EHT-Wissenschaftler Keiichi Asada vom Institut für Astronomie und Astrophysik der Academia Sinica in Taipeh. „Wir haben Bilder von zwei schwarzen Löchern – eines am oberen und eines am unteren Ende der supermassereichen schwarzen Löcher im Universum – so dass wir bei der Untersuchung des Verhaltens der Schwerkraft in diesen extremen Umgebungen viel weiter vorankommen können als jemals zuvor.“

Die Fortschritte beim EHT gehen weiter: Eine große Beobachtungskampagne im März 2022 umfasste mehr Teleskope als je zuvor. Der kontinuierliche Ausbau des EHT-Netzwerks und bedeutende technologische Modernisierungen werden es den Wissenschaftlern und Wissenschaftlerinnen ermöglichen, in naher Zukunft noch weitere beeindruckende Bilder und Filme von schwarzen Löchern zu präsentieren.

Endnoten

[1] Die einzelnen Teleskope, die im April 2017, als die Beobachtungen durchgeführt wurden, am EHT beteiligt waren, sind:: das Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), das Atacama Pathfinder EXperiment (APEX), das IRAM 30-Meter-Teleskop, das James Clerk Maxwell Teleskop (JCMT), das Large Millimeter Telescope Alfonso Serrano (LMT), das Submillimeter Array (SMA), das UArizona Submillimeter Telescope (SMT), das South Pole Telescope (SPT). Seitdem hat das EHT das Grönland-Teleskop (GLT), das NOrthern Extended Millimeter Array (NOEMA) und das 12-Meter-Teleskop der UArizona auf dem Kitt Peak in sein Netzwerk aufgenommen.

ALMA ist eine Partnerschaft zwischen der Europäischen Südsternwarte (ESO; Europa, stellvertretend für seine Mitgliedsstaaten), der U.S. National Science Foundation (NSF) und den National Institutes of Natural Sciences (NINS) von Japan, zusammen mit dem National Research Council (Kanada), dem Ministerium für Wissenschaft und Technologie (MOST; Taiwan), dem Academia Sinica Institute of Astronomy and Astrophysics (ASIAA; Taiwan) und dem Korea Astronomy and Space Science Institute (KASI; Republik Korea), in Zusammenarbeit mit der Republik Chile. Das gemeinsame ALMA-Observatorium wird von der ESO, der Associated Universities, Inc./National Radio Astronomy Observatory (AUI/NRAO) und dem National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ) betrieben. APEX, eine Zusammenarbeit zwischen dem Max-Planck-Institut für Radioastronomie (Deutschland), dem Onsala Space Observatory (Schweden) und der ESO, wird von der ESO betrieben. Das 30-Meter-Teleskop wird von IRAM betrieben (die IRAM-Partnerorganisationen sind MPG [Deutschland], CNRS [Frankreich] und IGN [Spanien]). Das JCMT wird von der Ostasiatischen Sternwarte im Auftrag des Nationalen Astronomischen Observatoriums von Japan, der ASIAA, der KASI, des Nationalen Astronomischen Forschungsinstituts von Thailand, des Zentrums für astronomische Megawissenschaften und von Organisationen in Großbritannien und Kanada betrieben. Das LMT wird von INAOE und UMass betrieben, das SMA wird vom Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian und ASIAA betrieben und das UArizona SMT wird von der Universität von Arizona betrieben. Das SPT wird von der Universität von Chicago betrieben, wobei die Universität von Arizona spezielle EHT-Instrumente bereitstellt.

Das Greenland Telescope (GLT) wird von der ASIAA und dem Smithsonian Astrophysical Observatory (SAO) betrieben. Das GLT ist Teil des ALMA-Taiwan-Projekts und wird zum Teil von der Academia Sinica (AS) und MOST unterstützt. NOEMA wird von IRAM betrieben und das 12-Meter-Teleskop auf dem Kitt Peak wird von der University of Arizona betrieben.

[2] Eine gute Grundlage für die Interpretation dieses neuen Bildes lieferten frühere Forschungen zu Sgr A*. Astronomen kennen die helle, dichte Radioquelle im Zentrum der Milchstraße in Richtung des Sternbilds Sagittarius seit den 1970er Jahren. Durch die Vermessung der Umlaufbahnen mehrerer Sterne in unmittelbarer Nähe unseres galaktischen Zentrums über einen Zeitraum von 30 Jahren konnten die Teams um Reinhard Genzel (Direktor am Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik in Garching bei München) und Andrea M. Ghez (Professorin im Fachbereich Physik und Astronomie an der University of California, Los Angeles, USA) zu dem Schluss kommen, dass die wahrscheinlichste Erklärung für ein Objekt mit dieser Masse und Dichte ein supermassereiches schwarzes Loch ist. Die Einrichtungen der ESO (einschließlich des Very Large Telescope und des Very Large Telescope Interferometer) und des Keck-Observatoriums wurden für diese Forschung genutzt, für die sie gemeinsam den Nobelpreis für Physik 2020 erhielten.

[3] Schwarze Löcher sind die einzigen uns bekannten Objekte, bei denen die Masse mit der Größe skaliert. Ein schwarzes Loch, das tausendmal kleiner ist als ein anderes, ist auch tausendmal weniger massereich. 

Weitere Informationen

Diese Forschungsergebnisse wurden in sechs Artikeln vorgestellt, die heute in The Astrophysical Journal Letters veröffentlicht wurden.

An der EHT-Kollaboration sind mehr als 300 Forschende aus Afrika, Asien, Europa, Nord- und Südamerika beteiligt. Die internationale Zusammenarbeit zielt darauf ab, die detailliertesten Bilder von schwarzen Löchern zu machen, die je gemacht wurden, indem ein virtuelles Teleskop in Erdgröße geschaffen wird. Unterstützt durch beträchtliche internationale Anstrengungen, verbindet das EHT bestehende Teleskope mit Hilfe neuartiger Techniken und schafft so ein grundlegend neues Instrument mit dem höchsten Winkelauflösungsvermögen, das je erreicht wurde.

Das EHT-Konsortium besteht aus 13 beteiligten Instituten; dem Academia Sinica Institute of Astronomy and Astrophysics, der University of Arizona, dem Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian, der University of Chicago, dem East Asian Observatory, der Goethe-Universität Frankfurt, dem Institut de Radioastronomie Millimétrique, dem Large Millimeter Telescope, dem Max-Planck-Institut für Radioastronomie, dem MIT Haystack Observatory, dem National Astronomical Observatory of Japan, dem Perimeter Institute for Theoretical Physics und der Radboud University.

Das Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) ist eine internationale astronomische Einrichtung, die gemeinsam von der ESO, der US-amerikanischen National Science Foundation (NSF) der USA und den japanischen National Institutes of Natural Sciences (NINS) in Kooperation mit der Republik Chile betrieben wird. Getragen wird ALMA von der ESO im Namen ihrer Mitgliedsländer, von der NSF in Zusammenarbeit mit dem kanadischen National Research Council (NRC), dem Ministry of Science and Technology (MOST) und NINS in Kooperation mit der Academia Sinica (AS) in Taiwan sowie dem Korea Astronomy and Space Science Institute (KASI). Bei Entwicklung, Aufbau und Betrieb ist die ESO federführend für den europäischen Beitrag, das National Radio Astronomy Observatory (NRAO), das seinerseits von Associated Universities, Inc. (AUI) betrieben wird, für den nordamerikanischen Beitrag und das National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ) für den ostasiatischen Beitrag. Dem Joint ALMA Observatory (JAO) obliegt die übergreifende Projektleitung für den Aufbau, die Inbetriebnahme und den Beobachtungsbetrieb von ALMA.

APEX, Atacama Pathfinder EXperiment, ist ein Teleskop mit einem Durchmesser von 12 Metern, das bei Millimeter- und Submillimeter-Wellenlängen - zwischen Infrarotlicht und Radiowellen - arbeitet. Die ESO betreibt APEX an einem der höchstgelegenen Observatorien der Erde, in 5100 Metern Höhe auf dem Chajnantor-Plateau in der chilenischen Atacama-Region. Das Teleskop ist eine Zusammenarbeit zwischen dem Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR), dem Onsala Space Observatory (OSO) und der ESO.

Die Europäische Südsternwarte (ESO) befähigt Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler weltweit, die Geheimnisse des Universums zum Nutzen aller zu entdecken. Wir entwerfen, bauen und betreiben Observatorien von Weltrang, die Astronominnen und Astronomen nutzen, um spannende Fragen zu beantworten und die Faszination der Astronomie zu wecken, und wir fördern die internationale Zusammenarbeit in der Astronomie. Die ESO wurde 1962 als zwischenstaatliche Organisation gegründet und wird heute von 16 Mitgliedstaaten (Belgien, Dänemark, Deutschland, Frankreich, Finnland, Irland, Italien, den Niederlanden, Österreich, Polen, Portugal, Schweden, der Schweiz, Spanien, der Tschechischen Republik und dem Vereinigten Königreich) sowie dem Gastland Chile und Australien als strategischem Partner unterstützt. Der Hauptsitz der ESO und ihr Besucherzentrum und Planetarium, die ESO Supernova, befinden sich in der Nähe von München in Deutschland, während die chilenische Atacama-Wüste, ein wunderbarer Ort mit einzigartigen Bedingungen für die Himmelsbeobachtung, unsere Teleskope beherbergt. Die ESO betreibt drei Beobachtungsstandorte: La Silla, Paranal und Chajnantor. Am Standort Paranal betreibt die ESO das Very Large Telescope und das dazugehörige Very Large Telescope Interferometer sowie zwei Durchmusterungsteleskope, VISTA, das im Infraroten arbeitet, und das VLT Survey Telescope für sichtbares Licht. Ebenfalls am Paranal wird die ESO das Cherenkov Telescope Array South betreiben, das größte und empfindlichste Gammastrahlen-Observatorium der Welt. Zusammen mit internationalen Partnern betreibt die ESO auf Chajnantor APEX und ALMA, zwei Einrichtungen zur Beobachtung des Himmels im Millimeter- und Submillimeterbereich. Auf dem Cerro Armazones in der Nähe von Paranal bauen wir „das größte Auge der Welt am Himmel“ – das Extremely Large Telescope der ESO. Von unseren Büros in Santiago, Chile, aus unterstützen wir unsere Aktivitäten im Land und arbeiten mit chilenischen Partnern und der Gesellschaft zusammen.

Die Übersetzungen von englischsprachigen ESO-Pressemitteilungen sind ein Service des ESO Science Outreach Network (ESON), eines internationalen Netzwerks für astronomische Öffentlichkeitsarbeit, in dem Wissenschaftler und Wissenschaftskommunikatoren aus allen ESO-Mitgliedsländern (und einigen weiteren Staaten) vertreten sind. Deutscher Knoten des Netzwerks ist das Haus der Astronomie in Heidelberg.

 

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  • Artikel I: The Shadow of the Supermassive Black Hole in the Center of the Milky Way
  • Artikel II: EHT and Multi-wavelength Observations, Data Processing, and Calibration
  • Artikel III: Imaging of the Galactic Center Supermassive Black Hole
  • Artikel IV: Variability, Morphology, and Black Hole Mass
  • Artikel V: Testing Astrophysical Models of the Galactic Center Black Hole
  • Artikel VI: Testing the Black Hole Metric
• Ergänzende Artikel:
  • Artikel VII: Selective Dynamical Imaging of Interferometric Data
  • Artikel VIII: Millimeter Light Curves of Sagittarius A* Observed during the 2017 Event Horizon Telescope Campaign
  • Artikel IX: A Universal Power Law Prescription for Variability from Synthetic Images of Black Hole Accretion Flows
  • Artikel X: Characterizing and Mitigating Intraday Variability: Reconstructing Source Structure in Accreting Black Holes with mm-VLBI
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Dies ist eine Übersetzung der ESO-Pressemitteilung eso2208-eht-mw.