Im April 2019 schrieb die Geschichte der Zusammenarbeit mit dem Event Horizon Telescope Geschichte, als sie die erstes Bild eines Schwarzen Lochs je gemacht. Diese Errungenschaft hat Jahrzehnte gedauert und einen internationalen Medienzirkus ausgelöst. Das Bild war das Ergebnis einer als Interferometrie bekannten Technik, bei der Observatorien auf der ganzen Welt das Licht ihrer Teleskope kombinierten, um ein zusammengesetztes Bild zu erstellen.
Dieses Bild zeigte, was Astrophysiker seit langem vorhersagen, dass durch extreme Gravitationsbiegung Photonen um den Ereignishorizont herum einfallen und zu den hellen Ringen, die sie umgeben, beitragen. Letzte Woche, am 18. März, hat ein Forscherteam der Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA) kündigte neue Forschungen an, die zeigen, wie Bilder von Schwarzen Löchern eine komplizierte Unterstruktur in ihnen aufdecken könnten.
Die Studie, die ihre Ergebnisse beschreibt, mit dem Titel „ Universelle interferometrische Signaturen des Photonenrings eines Schwarzen Lochs “ ist kürzlich in der Zeitschrift erschienenWissenschaftliche Fortschritte. Das Team wurde von Michael Johnson, einem Astrophysiker beim CfA, geleitet und beauftragte Mitglieder von Harvards Schwarzes Loch-Initiative (BHI), Los Alamos National Laboratory, Princeton Center for Theoretical Science und mehrere Universitäten.
Wie Johnson kürzlich in einem CfA . erklärte Pressemitteilung :
„Das Bild eines Schwarzen Lochs enthält tatsächlich eine verschachtelte Reihe von Ringen. Jeder aufeinanderfolgende Ring hat ungefähr den gleichen Durchmesser, wird aber immer schärfer, weil sein Licht das Schwarze Loch mehrmals umkreist, bevor es den Beobachter erreicht. Mit dem aktuellen EHT-Bild haben wir nur einen flüchtigen Blick auf die ganze Komplexität erhaschen können, die in einem Bild eines Schwarzen Lochs entstehen sollte.“
Wie das Gesetz der Allgemeinen Relativitätstheorie sagt, verändern Gravitationsfelder die Krümmung der Raumzeit. Im Fall eines Schwarzen Lochs ist der Effekt extrem und bewirkt, dass sogar Licht (Photonen) um sie herum einfällt. Diese Photonen werfen einen Schatten auf den hellen Ring aus einfallendem Gas und Staub, der durch die Schwerkraft des Schwarzen Lochs auf relativistische Geschwindigkeiten beschleunigt wird.
Um diese abgeschattete Region herum befindet sich ein „Photonenring“, der aus Photonen erzeugt wird, die durch die starke Gravitation in der Nähe des Schwarzen Lochs konzentriert werden. Dieser Ring kann Astronomen viel über das eines Schwarzen Lochs sagen, da seine Größe und Form die Masse und Rotation (auch bekannt als „Spin“) des Schwarzen Lochs verraten. Dank der EHT-Bilder haben Forscher von Schwarzen Löchern jetzt ein Werkzeug, mit dem sie Schwarze Löcher untersuchen können.
Kommentiertes Bild, das die innere Struktur eines Schwarzen Lochs zeigt.Bildnachweis: George Wong (UIUC) und Michael Johnson (CfA)
Seit den 1950er Jahren haben Astronomen viel über sie gelernt, indem sie ihre Auswirkungen auf ihre Umgebung untersuchten. Mit anderen Worten, die Untersuchung von Schwarzen Löchern war indirekter und theoretischer Natur. Aber mit der Möglichkeit, Bilder dieser Himmelsobjekte aufzunehmen, können Astronomen sie endlich direkt untersuchen und echte Daten sammeln.
George Wong, ein Physik-Doktorand an der University of Illinois in Urbana-Champaign, war für die Entwicklung von Software zur Erstellung simulierter Schwarzer-Loch-Bilder verantwortlich. Diese Software ermöglichte die Berechnung von Bildern mit der bisher höchsten Auflösung und ermöglichte es ihrem Team, sie in die vorhergesagte Serie von Teilbildern zu zerlegen. Als Wong angegeben :
„Durch die Zusammenführung von Experten aus verschiedenen Bereichen konnten wir ein theoretisches Verständnis des Photonenrings wirklich mit dem verbinden, was mit Beobachtung möglich ist. Was als klassische Bleistift- und Papierrechnungen begann, hat uns dazu veranlasst, unsere Simulationen an neue Grenzen zu bringen.“
Überraschend für die Forscher war jedoch vor allem, wie die im Bild des Schwarzen Lochs aufgedeckte Unterstruktur neue Möglichkeiten für die Forschung eröffnet. Während die von ihnen entdeckten Teilringe normalerweise auf Bildern mit bloßem Auge unsichtbar sind, erzeugen sie sehr klare Signale, wenn sie von Teleskopen mit Interferometrie beobachtet werden.
NASA-Visualisierung eines Schwarzen Lochs (beschriftet). Bildnachweis: Goddard Space Flight Center der NASA/Jeremy Schnittman
Dies bietet Astronomen eine relativ einfache Möglichkeit, die bisherige Arbeit der EHT-Kollaboration zu erweitern. „Während die Aufnahme von Bildern von Schwarzen Löchern normalerweise viele verteilte Teleskope erfordert, sind die Teilringe perfekt, um mit nur zwei Teleskopen zu studieren, die sehr weit voneinander entfernt sind“, sagte Johnson. „Es würde ausreichen, das EHT um ein Weltraumteleskop zu erweitern.“
Die Bereiche Astronomie und Astrophysik haben in den letzten Jahren mehrere Revolutionen erlebt. Zwischen den allerersten Beobachtungen interstellarer Objekte, der Bestätigung von Gravitationswellen und den ersten direkten Beobachtungen eines Schwarzen Lochs. Diese Premieren haben Forschungen ermöglicht, die versprechen, eine Reihe von bleibenden Geheimnissen über den Kosmos zu lüften.
Die Forschung des Teams wurde teilweise durch Stipendien der NASA, der National Science Foundation (NSF), des Department of Energy (DoE) und mehrerer Wissenschafts- und Forschungsstiftungen ermöglicht.
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