Lange, sorgfältige Arbeiten von Wissenschaftlern auf der ganzen Welt haben das erste direkte Bild des Ereignishorizonts eines Schwarzen Lochs, eines supermassiven Monsters namens M87, erzeugt.
Dieses Bild bestätigte viele unserer Vorstellungen über Schwarze Löcher.
Aber die Wissenschaft hörte nicht auf, als die Fotografie kam. Wissenschaftler haben Berechnungen durchgeführt, die auf dem basieren, was sie über M87 in Kombination mit der allgemeinen Relativitätstheorie gelernt haben, um weiter vorherzusagen, wie wir diese Objekte eines Tages im Detail sehen werden.
Schwarze Löcher sind unglaublich schwerkraftintensiv. Sie sind nicht nur so massiv, dass selbst die Lichtgeschwindigkeit zu langsam ist, um eine Anziehungskraft zu vermeiden, sondern sie biegen auch den Lichtweg um sie herum über den Ereignishorizont hinaus.
Wenn ein vorbeiziehendes Photon zu nahe kommt, befindet es sich in einer Umlaufbahn um das Schwarze Loch. Dadurch entsteht ein sogenannter “Photonenring” oder “Photonenkugel”, ein perfekter Lichtring, der das Schwarze Loch entlang der Innenkante der Akkretionsscheibe, jedoch außerhalb des Ereignishorizonts umgeben soll.
Es ist auch als die stabilste innere Umlaufbahn bekannt und Sie können es auf dem Bild unten sehen, das 1978 vom Astrophysiker Jean-Pierre Luminet erstellt wurde.
(Jean-Pierre Luminet)
Modelle der Umgebung des Schwarzen Lochs legen nahe, dass der photonische Ring eine komplexe Unterstruktur aus endlosen Lichtringen bilden sollte – ein bisschen wie der Effekt, den Sie in einem endlosen Spiegel sehen.
“Das Bild eines Schwarzen Lochs enthält tatsächlich verschachtelte Reihen von Ringen”, erklärte der Astrophysiker Michael Johnson vom Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics.
“Jeder aufeinanderfolgende Ring hat ungefähr den gleichen Durchmesser, wird jedoch zunehmend” scharf “, da sich sein Licht mehrmals um das Schwarze Loch dreht, bevor es den Betrachter erreicht.”
(Event Horizon Telescope)
Auf diesem historischen ersten Foto von M87 (oben) sehen wir die Akkretionsscheibe – ein leuchtendes orange-goldenes Stück. Der schwarze Teil in der Mitte ist der Schatten des Schwarzen Lochs. Wir können die Photonenkugel nicht wirklich sehen, da die Auflösung nicht hoch genug ist, um sie zu erkennen, aber sie muss am Rand des Schattens des Schwarzen Lochs positioniert sein.
Wenn wir es sehen könnten, würde uns dieser Ring sehr wichtige Dinge über ein Schwarzes Loch erzählen. Die Größe des Rings kann uns die Masse, Größe und Geschwindigkeit eines Schwarzen Lochs sagen. Wir können sie anhand der Akkretionsscheibe identifizieren, aber ein Photonenring würde es uns ermöglichen, die Daten für genauere Messungen weiter einzuschränken.
“Jeder Ring besteht aus Photonen, die auf den Bildschirm des Beobachters gerichtet sind, nachdem sie von einer photonischen Hülle von irgendwo im Universum gesammelt wurden”, schreiben die Forscher in ihrer Arbeit.
Daher enthält in einer idealisierten Umgebung ohne Absorption jeder Ring ein separates exponentiell verzerrtes Bild des gesamten Universums, wobei jeder nachfolgende Ring das sichtbare Universum erfasst. Zusammen ähnelt das Set Filmrahmen, die die Geschichte des sichtbaren Universums aus der Sicht eines Schwarzen Lochs festhalten. '
Daher verwendeten Johnson und sein Team Simulationen, um festzustellen, ob Photonenringe in zukünftigen Beobachtungen nachgewiesen werden konnten. Sie fanden, dass es möglich war, obwohl es nicht einfach sein würde.
Der M87-Schuss war ein Kunststück des Einfallsreichtums und der Zusammenarbeit. Teleskope auf der ganzen Welt haben zusammengearbeitet, um ein sehr langes Basisinterferometer zu entwickeln, das als Ereignishorizontteleskop bezeichnet wird. Dabei können die genauen Abstände und zeitlichen Unterschiede zwischen den Teleskopen im Array berechnet werden, um ihre Beobachtungen zusammenzukleben. Es ist – in sehr, sehr einfachen Worten – wie ein Teleskop von der Größe der Erde.
“Was uns wirklich überrascht hat, ist, dass die verschachtelten Ringe in Bildern für das bloße Auge fast unsichtbar sind – selbst in perfekten Bildern -, aber sie sind starke und klare Signale für Arrays von Teleskopen, die Interferometer genannt werden”, sagte Johnson.
Die Studie wurde in der Zeitschrift Science Advances veröffentlicht.
Quellen: Foto: Photonen, die ein Schwarzes Loch umkreisen. (Nicole R. Fuller / NSF)
