gov-civil-vilareal.ptBlick von der Klippe der Unendlichkeit hinunter: Das erste Bild des Ereignishorizonts eines Schwarzen Lochs
>Zum ersten Mal in der Geschichte der Menschheit haben Astronomen die Leistung von Teleskopen von überall auf unserem Planeten kombiniert, um ein Bild zu erstellen, das den Ereignishorizont eines Schwarzen Lochs zeigt.
Das gesammelte Array heißt das Event Horizon Telescope , und während vier Nächten im April 2017 beobachtete es das supermassive Schwarze Loch im Herzen von M87 , eine elliptische Galaxie im Virgo-Cluster, 55 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt.
Was sie sahen, ist umwerfend:
Das allererste Bild des Ereignishorizonts eines supermassereichen Schwarzen Lochs. Dies zeigt die Silhouette eines Schwarzen Lochs mit einer Masse von 6,5 Milliarden Sonnenmassen, die sich im Kern der Galaxie M87 55 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt befindet. Kredit: NSF
Ich möchte hier sehr vorsichtig sein, da dieses Bild etwas komplizierter ist als nur ein Lichtring mit dem Schwarzen Loch in der Mitte, und die Physik dahinter ist ziemlich heftig.
Um es klar zu sagen, Sie sehen das Schwarze Loch selbst nicht wirklich. Dieses kreisförmige Loch in der Mitte des Rings ist nicht das Schwarze Loch, sondern ein Effekt seiner Schwerkraft. Es wird der Schatten des Schwarzen Lochs genannt, aber ich betrachte es eher als seine Tarnung: Die Schwerkraft beugt das Licht aus dem Material um es herum, sendet es zu uns und hinterlässt eine Lücke, wo sich das Schwarze Loch selbst befindet. Vielleicht kann man es am besten beschreiben als die Silhouette der Schwerkraft des Schwarzen Lochs.
Dieses Video soll Ihnen einen Überblick über den Effekt geben:
Was bleibt, ist eine kugelförmige Region im Weltraum, aus der nichts herauskommen kann. Die Oberfläche dieser Kugel, wenn man es sich so vorstellt, heißt die Ereignishorizont (weil jedes Ereignis, das darin passiert, außerhalb Ihres Horizonts liegt und nicht gesehen werden kann). Aber nur draußen die Schwerkraft ist sehr stark, aber nicht unmöglich. Ein Photon, ein Lichtteilchen, das in der Nähe dieser Grenze, aber noch außerhalb davon passiert, wird seine Bahn erheblich verbiegen, aber es kann Flucht.
Die Größe des Ereignishorizonts hängt von der Masse des Schwarzen Lochs ab. Wenn Sie die Berechnung durchführen – zuerst von Einstein in den frühen 1900er Jahren berechnet – werden Sie feststellen, dass, wenn Sie die Sonne zu einem Schwarzen Loch zusammendrücken, sie einen Durchmesser von 6 Kilometern haben würde. Wohlgemerkt, die Sonne hat jetzt einen Durchmesser von 1,4 Millionen km! Sie müssen also Objekte unglaublich klein und dicht machen, damit sie zu schwarzen Löchern werden.
Wir denken jetzt, dass jede große Galaxie im Universum ein supermassereiches Schwarzes Loch in ihrem Zentrum hat, mit der Millionen- oder sogar Milliarden-fachen Masse der Sonne. Das Milchstraße hat zum Beispiel eine, die mehr als 4 Millionen Mal so groß ist wie die Masse der Sonne.
M87 ist ein elliptische Galaxie im Herzen des Jungfrau-Haufens, einer Ansammlung von Hunderten von Galaxien, die zwischen den Sternbildern Löwe und Jungfrau über den Himmel verteilt sind. Es ist eine riesige Galaxie, hell genug, um nur mit einem Fernglas gesehen zu werden, obwohl sie 55 Millionen Lichtjahre entfernt ist.
Es ist auch ein aktive Galaxie : Anders als das supermassive Schwarze Loch in der Milchstraße verschlingt das im Zentrum von M87 aktiv Materie. Material, hauptsächlich Gas und Staub, fällt hinein und bildet dabei eine flache Scheibe, die Akkretionsscheibe genannt wird, die direkt außerhalb des Ereignishorizonts beginnt und sich über viele Milliarden Kilometer erstreckt. Die Geschwindigkeit, mit der es herumwirbelt, hängt von seiner Entfernung vom Ereignishorizont ab; Dinge, die sich sehr nahe befinden, bewegen sich fast mit Lichtgeschwindigkeit, während Dinge weiter draußen langsamer sind.
Die Grundkomponenten eines aktiven Schwarzen Lochs, einschließlich Ereignishorizont, Akkretionsscheibe und Jet. Kredit: DAS
Da das Material aneinander reibt, entsteht Reibung und das wiederum erzeugt Wärme. EIN Grundstück von Hitze. Wie ein Grundstück eine Menge. Stellen Sie sich vor, Sie reiben Ihre Hände mit Lichtgeschwindigkeit aneinander! Das Material in der Scheibe wird auf Millionen von Grad erhitzt und Material, das heiß ist, glüht heftig und strahlt große Lichtmengen aus.
Das ist das Material, das Sie im Bild des Event Horizon Telescope sehen*. Dies sorgt für ein Hintergrundglühen rund um das Schwarze Loch. Aber die Schwerkraft des Schwarzen Lochs verzerrt es und verbiegt den Weg, den das Licht nimmt. Licht aus Material hinter das schwarze loch wird verbogen um herum es, damit wir es tatsächlich sehen können! Je näher das Schwarze Loch ist, desto mehr wird es gebogen, bis genau am Umriss des Ereignishorizonts von der Erde aus gesehen kein Licht mehr zu sehen ist. Deshalb sieht dieser Teil dunkel aus.
Der Lichtweg um ein Schwarzes Loch wird durch die Schwerkraft stark verzerrt. In diesem Diagramm befindet sich die Erde rechts daneben, und Licht von Material hinter dem Schwarzen Loch wird zu uns gebogen und hinterlässt ein Loch, wo sich das Schwarze Loch selbst befindet. Kredit: Nicolle R. Fuller/NSF
Aber warte! Es gibt mehr!
Es gibt einen Effekt namens relativistisches Strahlen , verursacht durch die unglaublich schnelle Bewegung des Materials, wenn es sich gerade außerhalb des Schwarzen Lochs umkreist. Wenn Sie eine Glühbirne vor sich halten, dehnt sich das Licht in einer Kugel in alle Richtungen aus. Wenn sich diese Glühbirne jedoch fast mit Lichtgeschwindigkeit bewegt, scheint das von ihr ausgehende Licht wie eine Taschenlampe zu strahlen , in die Richtung, in die es sich bewegt. Dieser bizarre Effekt bedeutet, dass ein Objekt, das mit nahezu Lichtgeschwindigkeit auf Sie zukommt, heller erscheint, weil mehr von seinem Licht auf Sie gerichtet ist, und etwas, das sich wegbewegt, dunkler erscheint, weil sein Licht von Ihnen weg fokussiert wird.
Schauen Sie sich jetzt noch einmal das Bild des Event Horizon Telescope an. Sehen Sie, wie das Zeug unten im Ring heller ist als das Zeug oben? Das liegt am relativistischen Beamen! Das Material unten ist auf uns zu gerichtet und heller als das Material oben, das von uns weg gerichtet ist. Das sagt uns, in welche Richtung sich die Akkretionsscheibe dreht. Das Schwarze Loch selbst dreht sich ebenfalls, im gleichen Sinne wie die Scheibe, was uns auch sagt, dass sich das Schwarze Loch aus unserer Sicht im Uhrzeigersinn dreht.
Ich werde dich nicht anlügen: Als ich das Bild zum ersten Mal sah und erkannte, was ich sah, standen die Haare in meinem Nacken auf.
Die acht Teleskope auf der ganzen Erde, aus denen das Event Horizon Telescope besteht. Bildnachweis: University of Arizona / Dan Merrone
Die Technologie, die es Astronomen ermöglichte, dieses Bild zu erstellen, ist unglaublich. Sie verwendeten acht verschiedene Teleskope auf der ganzen Welt – Arizona, Chile, Mexiko, Spanien, Hawaii und die Antarktis – um das Schwarze Loch von M87 zu beobachten. Diese Teleskope sehen kein optisches Licht wie unsere Augen, sondern sind empfindlich für Licht im Millimeterwellenlängenbereich. näher an Radiowellen als optisches Licht . Diese Millimeterwellen breiten sich mit Lichtgeschwindigkeit aus (weil sie Licht sind) und erreichen die Teleskope zu leicht unterschiedlichen Zeiten. Jedes Teleskop beobachtet diese Wellen sorgfältig, und wenn Sie diese Informationen kombinieren, haben Sie ein virtuelles Teleskop von der Größe des Raums zwischen den beiden Observatorien.
Das nennt man Interferometrie . Wenn Sie die Wellen an zwei Orten kombinieren, interferieren sie konstruktiv und destruktiv und erzeugen Fransen. Es ist, als würde man in einer Badewanne herumschwappen; die Wellenkämme addieren sich manchmal und spritzen aus der Wanne, während die Wellentäler zusammen den Wasserspiegel um Sie herum senken. Diese Kombinationen von Kämmen und Mulden sind die Fransen. In einem interferometrischen Teleskop-Array können die Informationen in allem, was umgedreht werden kann, rückwärts bearbeitet werden, um ein Bild des Bildes zu erstellen, das die Wellen zu Ihnen sendet. Es ist eine äußerst komplexe Arbeit und einfacher bei längeren Wellenlängen, weshalb Millimeterwellenteleskope verwendet wurden (optisches Licht hat eine viel, viel kürzere Wellenlänge, und daher ist die optische Interferometrie viel schwieriger).
Wenn alles kombiniert wird, verhält sich das Event Horizon Telescope wie eine einzige Schüssel die Größe unseres Planeten . So konnte es überhaupt jedes Detail im Schwarzen Loch M87 sehen. Obwohl es immens ist, 40 Milliarden Kilometer im Durchmesser, ist es 55 Millionen Lichtjahre entfernt, von der Erde also nur etwa vier Milliardstel von einem Grad in der Größe!
Der Mond am Himmel ist ein halbes Grad breit, also ist dieses Bild des Schwarzen Lochs gleichwertig eine Murmel auf dem Mond zu sehen . Genauer gesagt, eine schwarze Murmel, um die ein leuchtendes Gummiband gebunden ist.
Dies ist eine phänomenale Leistung, wirklich eine neue Ära in der Astronomie. Wir haben die Auswirkungen von Schwarzen Löchern seit Jahrzehnten beobachtet: Material, das sie umkreist und heftig heiß wird; Materie- und Energiestrahlen, die von ihnen wegschießen, während das lächerlich starke Magnetfeld in der Akkretionsscheibe Material abreißt und mit enormer Geschwindigkeit wegschleudert; und sogar die Auswirkungen des supermassiven Schwarzen Lochs unserer eigenen Galaxie auf die Sterne um sie herum, in Echtzeit zu beobachten, wie sie mit hoher Geschwindigkeit um sie herumwirbeln.
Und wir haben uns dank der Gleichungen, die brillante Köpfe über viele Jahrzehnte hinweg ausgearbeitet haben, in die Physik von Schwarzen Löchern vertieft, gelernt, wie sie Raum und Zeit verzerren, was in der Nähe des Ereignishorizonts passiert, was außerhalb davon passiert, und manchmal sogar herauszufinden, was passiert im Inneren.
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Aber dies ist das erste Mal, dass wir den Ereignishorizont eines Schwarzen Lochs sehen. Und ab hier wird es besser; mehr Teleskope werden hinzugefügt, um eine bessere Auflösung zu erzielen, verschiedene Wellenlängen werden mehr Informationen aus dem, was wir sehen, herausquetschen und noch kühlere, mehr Schwarze Löcher – einschließlich unseres im Zentrum der Milchstraße – werden auf diese Weise unter die Lupe genommen .
Schwarze Löcher sind dunkel, aber ihre Zukunft ist sehr hell.
* Hinweis: Das Event Horizon Telescope hat auch das Schwarze Loch im Zentrum unserer Galaxie untersucht, aber es ist viel schwieriger, ein Bild davon zu erstellen, da es variabel ist und seine Helligkeit auf einer Skala von Stunden und Tagen ändert. Das Schwarze Loch M87 ist stabiler, also einfacher abzubilden. Aufgrund einer Eigenart der Geometrie ist es etwa 1.600-mal größer als unser Schwarzes Loch, aber etwa 2.000-mal weiter entfernt, sodass es von der Erde aus ungefähr die gleiche Größe hat wie unseres.
