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Zentrum der Milchstraße: »Unser« Schwarzes Loch in Großaufnahme

Es ist das allererste Bild aus dem Zentrum der Galaxis: Die Aufnahme zeigt den »Schatten« des supermassereichen Schwarzen Lochs Sagittarius A*, umgeben von einem hellen Ring aus heißer Materie.
Die Aufnahme von Sagittarius A* des Event-Horizon-Teleskopverbunds

So also schaut es aus, »unser« extrem massereiches Schwarzes Loch: Das Bild aus dem Zentrum der Milchstraße zeigt eine dunkle Zentralregion, die Fachleute als »Schatten« des Schwarzen Loches bezeichnen, und einen leuchtenden Ring mit helleren und dunkleren Flecken aus heißem Plasma. Aufgenommen hat es der Event-Horizon-Teleskopverbund (englisch: Event Horizon Telescope, kurz EHT) über einen Zeitraum von fünf Tagen. Sagittarius A*, wie das Objekt formal genannt wird, ist 26 000 Lichtjahre von uns entfernt und ist 4,3 Millionen Sonnenmassen »schwer«. Das EHT-Team stellte das Bild heute auf mehreren weltweit gleichzeitig stattfindenden Pressekonferenzen vor.

Der als Schatten bezeichnete Bereich im Zentrum zeigt allerdings nicht das Schwarze Loch selbst. Er hat nach Angaben der Fachleute etwa den 2,5-fachen Durchmesser des Ereignishorizonts, der äußeren Grenze des Schwarzen Lochs. Die dunkle Zone entsteht vielmehr durch die enorme Schwerkraft. Die Lichtstrahlen folgen gekurvten Bahnen um das Schwarze Loch herum, so dass man auch Objekte direkt hinter dem Schwarzen Loch sieht. Allerdings muss das Licht den Ereignishorizont in einem Mindestabstand umkurven, sonst fällt es hinein. Dieser Mindestabstand – auch als »letzter Photonenorbit« bezeichnet – ist als dunkles Zentrum sichtbar.

Schatten und Ring des Schwerkraftmonsters

Der helle Ring um das Schwarze Loch herum ist die so genannte Akkretionsscheibe. Sie besteht aus heißer Materie aus der Umgebung, die ins Schwarze Loch hineinfällt. Zuvor umkreist sie das Schwarze Loch, ähnlich wie Wasser um einen Badewannenabfluss, und heizt sich durch die Reibung enorm auf. Die helleren und dunkleren Bereiche zeigen, dass die Scheibe nicht einheitlich ist, sondern heißere und kühlere Klumpen enthält. Allerdings zeigt das Bild nur einen repräsentativen Mittelwert: die Prozesse in der Scheibe laufen schneller ab als der Beobachtungszeitraum.

Um Sagittarius A* ablichten zu können, mussten die Forschenden acht Teleskope auf der ganzen Welt zusammenschalten und wie ein einziges, riesiges Teleskop funktionieren lassen. Very Long Baseline Interferometry (VLBI) nennt sich diese Technik. Dabei beobachten alle Einzelteleskope gemeinsam dasselbe Ziel. Sie fungieren wie ein virtuelles Riesenteleskop, das Objekte und Regionen räumlich auflösen, die für ein einzelnes Teleskop nicht zu schaffen sind. Ihre Messungen werden zusammengeführt und aufwändig synchronisiert. Für das Bild von Sagittarius A* waren zusätzlich insgesamt mehrere hundert Einzelaufnahmen des gesamten Teleskopverbunds nötig.

Das Event Horizont Telescope macht das Unsichtbare sichtbar

Die Teleskope beobachteten das Schwarze Loch bei einer Wellenlänge von 1,3 Millimetern, also im Mikrowellenbereich. Das Event Horizon Telescope erreicht damit eine Winkelauflösung von unter 20 Mikrobogensekunden. Eine Bogensekunde ist der 3600. Teil eines Winkelgrads. Die mit dem EHT erreichte Auflösung würde ausreichen, um von der Erde aus ein Zwei-Euro-Stück auf dem Mond erkennen zu können. Allerdings bedeutet das auch, dass das Bild des Schwarzen Lochs kein echtes Foto ist, sondern eine Falschfarbenaufnahme – die Wellenlänge von 1,3 Millimetern liegt nicht im sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums.

Die Messungen an Sagittarius A* fanden zeitgleich mit den Messungen für eine andere Aufnahme statt, mit der Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des EHT-Teams bereits 2019 Aufsehen erregten. Damals veröffentlichten sie das erste Bild eines Schwarzen Lochs überhaupt. Allerdings war darauf das extrem massereiche Schwarze Loch im Zentrum der Galaxie Messier 87 (M87) zu sehen.

Größenvergleich von M87* und Sagittarius A* | Obwohl sich die Aufnahmen der beiden Schwarzen Löcher auf den ersten Blick stark ähneln, zeigen sie sehr unterschiedliche Größenskalen. Das Schwarze Loch im Zentrum der Milchstraße ist winzig im Gegensatz zu jenem in der fernen Galaxie M87. Letzteres ist 1500-mal schwerer.

Das ist zwar mit einer Entfernung von 55 Millionen Lichtjahren im Sternbild Jungfrau sehr viel weiter entfernt – etwas mehr als das 2000-Fache – als unser galaktisches Zentrum, bringt es aber auf 6,5 Milliarden Sonnenmassen. Die Schwärze des Lochs – der Ereignishorizont – ist damit vor Ort rund 1500-fach größer als bei Sgr A*. Deshalb erscheint es von der Erde aus gesehen als ähnlich groß am Himmel wie Sagittarius A*.

Sagittarius A*: kleiner, schneller – und schwieriger

Die dafür nötigen Daten hatte die EHT-Kollaboration während einer mehrtätigen Messkampagne schon im April 2017 gesammelt: Alle acht Radioteleskope, vom South Pole Telescope am Südpol über das das ALMA-Radioobservatorium in Chile bis hin zum IRAM-Teleskop in Spanien, richteten zeitgleich ihre Schüsseln sowohl Richtung M87 als auch auf Sagittarius A*. Zwar war anschließend auch die Datenauswertung für M87 extrem aufwändig, allerdings eignet es sich für ein Fotoshooting etwas besser als das extrem massereiche Schwarze Loch im Zentrum unserer Milchstraße.

Ein weiterer Unterschied zwischen den beiden Bildern ist, dass die Aufnahme von M87 im Grunde genommen ein statisches Bild ist. Mit seiner größeren Masse und seinen größeren Ausmaßen laufen alle Prozesse in der unmittelbaren Umgebung des Lochs in M87 langsamer ab als bei Sagittarius A*. Deshalb bewegt sich das Plasma wesentlich langsamer um das Schwarze Loch herum, so dass sich die Gegebenheiten über den Beobachtungszeitraum fast nicht änderten.

Dagegen bewegen sich die Strukturen in der Scheibe von Sagittarius A* so schnell, dass sie in der jetzt veröffentlichten Aufnahme quasi »verschmiert« sind. Freilich erschwerte das die Datenauswertung, und daher gibt es das Bild erst heute – vier Jahre, nachdem die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der EHT-Kollaboration ihre Teleskope zum Zentrum unserer Galaxis richteten.

© Scientific American/Spektrum der Wissenschaft
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