Das Event Horizon Telescope (EHT), ein Zusammenschluss von Radioteleskopen auf der ganzen Welt, die gemeinsam arbeiten, um supermassive schwarze Löcher abzubilden, hat seine bisher beste Auflösung erreicht. In Zukunft könnte diese Errungenschaft zu Bildern des Lichtrings um den Ereignishorizont eines Schwarzen Lochs führen, die 50 % schärfer sind, bisher ungesehene Details auflösen und Filme darüber produzieren, wie sich die Schwarzen Löcher verändern, während sie sich drehen.
Das EHT arbeitet nach dem Prinzip der „Very Long Baseline Interferometry“, kurz VLBI. Dabei wird ein Netzwerk von Teleskopen über Kontinente hinweg angezapft, die alle gemeinsam dasselbe Objekt beobachten und dabei ihre Daten kombinieren. Je größer der Abstand zwischen den beiden am weitesten entfernten Teleskopen des Netzwerks ist, desto höher ist die Auflösung, und je mehr Teleskope dem Netzwerk angehören, desto größer ist die Empfindlichkeit.
Das EHT hat es geschafft, das Schwarze Loch im Zentrum unserer Milchstraße, Sagittarius A*, sowie das Schwarze Loch im Zentrum der elliptischen Galaxie M87, M87*, abzubilden – die ersten beiden Bilder von Schwarzen Löchern, die von der Menschheit aufgenommen wurden -, weil es eine riesige Basislinie hat. Die Basislinie ist sozusagen die Öffnung des Teleskops. Das südlichste Teleskop des EHT ist das Südpol-Teleskop, während die nördlichste Station das Grönland-Teleskop ist, was bedeutet, dass sich das Netzwerk fast von oben bis unten über den Planeten erstreckt.
Neben dem Basislinienfaktor spielt auch die Wellenlänge eine Rolle, wobei mit niedrigeren Wellenlängen eine höhere Auflösung erzielt wird. Die historischen Bilder des Schwarzen Lochs im Zentrum unserer Galaxie und von M87 wurden bei einer Radiowellenlänge von 1,3 mm aufgenommen. Bei dieser Wellenlänge erscheint der „Photonenring“, d. h. der Torus der Emission um den Ereignishorizont mit dem dunklen Schatten des Schwarzen Lochs darin, unscharf – insbesondere im Fall von Sagittarius A*. Das liegt daran, dass die vom Schwarzen Loch ausgehende Radioemission teilweise durch ionisiertes Gas im interstellaren Medium zwischen uns und dem Objekt selbst gestreut wird. Dies führt dazu, dass das Licht über eine Winkelskala verschmiert wird, die mit der Auflösung des EHT von 1,3 mm vergleichbar ist. Bei kürzeren Wellenlängen wäre der Verschmierungseffekt deutlich weniger ausgeprägt.
Zu diesem Zweck konnte das EHT zum ersten Mal VLBI bei einer kürzeren Wellenlänge von 0,87 mm durchführen.
„Mit dem EHT haben wir die ersten Bilder von Schwarzen Löchern gesehen, indem wir Radiowellen bei einer Wellenlänge von 1,3 mm aufgespürt haben, aber der helle Ring, den wir sahen und der durch die Lichtbeugung in der Schwerkraft des Schwarzen Lochs entstand, sah immer noch unscharf aus, weil wir an der absoluten Grenze der Bildschärfe angelangt waren“, sagte Alexander Raymond vom Jet Propulsion Laboratory der NASA in einer Erklärung. „Mit 0,87 mm werden unsere Bilder schärfer und detaillierter sein, was wiederum wahrscheinlich neue Eigenschaften offenbaren wird, sowohl solche, die zuvor vorhergesagt wurden, als auch vielleicht einige, die nicht vorhergesagt wurden.“
VLBI bei 0,87 mm zu erreichen, ist keine einfache Sache, weshalb es bisher nicht gelungen ist. Eine der Schwierigkeiten liegt darin, dass der Wasserdampf in der Atmosphäre dazu neigt, Radiowellen bei dieser kurzen Wellenlänge zu absorbieren, so dass das Wetter an allen Beobachtungsstandorten des EHT sehr trocken sein müsste.
Die Standorte der Observatorien, die an dem bahnbrechenden Interferometrie-Experiment mit sehr langer Basislinie des Event Horizon Telescope bei der kurzen Wellenlänge von 0,87 mm teilgenommen haben (Bildnachweis: ESO/M. Kornmesser)
An diesem VLBI-Experiment waren sowohl das Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) als auch das Atacama Pathfinder Experiment in Chile, das 30-Meter-Teleskop des Institute for Radio Astronomy in the Millimeter Range (IRAM) in Spanien, das Northern Extended Millimeter Array (NOEMA) in Frankreich, das Submillimeter Array (SMA) auf dem Mauna Kea in Hawaii und das Greenland Telescope beteiligt, die alle Stationen des EHT sind. Bei der Untersuchung zahlreicher Quasare bei 0,87 mm erreichten sie eine Auflösung von 19 Mikrobogensekunden.
Wie klein sind 19 Mikrobogensekunden? Nun, der Himmel ist in 360 Grad eingeteilt, wobei jeder Grad aus 60 Bogenminuten besteht, und jede Bogenminute ist wiederum in 60 Bogensekunden unterteilt. Eine Mikrobogensekunde ist ein Millionstel einer Bogensekunde. 19 Mikrobogensekunden entsprechen also der Auflösung eines Flaschendeckels auf der Oberfläche des Mondes. Es ist die höchste Auflösung für ein astronomisches Bild, die jemals allein von der Erdoberfläche aus erreicht wurde (obwohl Kombinationen von boden- und weltraumgestützten Teleskopen in der Vergangenheit ähnliche Auflösungen erreicht haben). Raymond und seine Kollegen gehen sogar davon aus, dass das EHT bei voller Auslastung (z. B. unter Einbeziehung des Südpolteleskops, das an dem 0,87-mm-Test nicht beteiligt war) eine Auflösung von nur 13 Bogensekunden erreichen könnte.
Das Bild des Event Horizon Telescope vom supermassiven schwarzen Loch in unserer Milchstraße bei einer Wellenlänge von 1,3 mm. (Bildnachweis: EHT Collaboration)
Dieser Durchbruch soll nun bei der Aufnahme neuer Bilder von Sagittarius A* und des supermassiven schwarzen Lochs in M87 genutzt werden.
„Die Zeit ist reif, wie die neuen Entdeckungen beweisen, um auf 0,87 mm vorzurücken“, sagte Remo Tilanus von der Universität von Arizona, der Betriebsleiter des EHT.
Die höhere Auflösung wird nicht nur das Bild des Photonenrings um jedes Schwarze Loch schärfer machen, sondern auch ihre Form und Größe präziser darstellen, was genauere Schätzungen der Spin-Raten und des Winkels der Schwarzen Löcher zu uns ermöglicht. Dadurch werden auch supermassereiche Schwarze Löcher in anderen Galaxien in den Blickpunkt gerückt, und wir können den relativistischen Jets, die von aktiven Schwarzen Löchern wie Quasaren ausgehen, näher auf den Grund gehen. Dies könnte mehr Aufschluss darüber geben, wie das Magnetfeld eines Schwarzen Lochs Jets erzeugt, die sich fast mit Lichtgeschwindigkeit bewegen und sich über Tausende von Lichtjahren in die Tiefe des Weltraums erstrecken.
Eine Simulation, die den Unterschied in der Schärfe zwischen Beobachtungen eines Schwarzen Lochs bei 1,3 mm und bei 0,87 mm zeigt (Bildnachweis: Christian M. Fromm, Julius-Maximilians-Universität Würzburg)
Zusätzlich zu der Möglichkeit, bei einer kürzeren Wellenlänge zu arbeiten, gibt es Pläne für größere Änderungen am EHT im Rahmen eines Programms, das als „Next Generation EHT“ oder kurz „ngEHT“ bezeichnet wird. Dabei wird die bestehende EHT-Infrastruktur durch neue Teleskope an Standorten auf der ganzen Welt ergänzt, die so optimiert sind, dass sie die größten Basislinien und die höchste Empfindlichkeit bieten. Außerdem werden die Detektoreinrichtungen der bestehenden Mitglieder der Kollaboration verbessert, damit sie Schwarze Löcher bei mehreren Wellenlängen zwischen 3 mm und 0,87 mm gleichzeitig beobachten können.
Alles in allem wird erwartet, dass die nächste Generation der EHT die Schärfe und Klarheit der Bilder von Schwarzen Löchern um den Faktor 10 erhöht und vielleicht sogar hochauflösende Filme ermöglicht, die Veränderungen des Photonenrings um den Ereignishorizont eines Schwarzen Lochs im Laufe der Zeit zeigen, wenn das Schwarze Loch rotiert und mehr Materie aus dem umgebenden Raum aufnimmt.
„Diese VLBI-Signalentdeckungen bei 0,87 mm sind bahnbrechend, da sie ein neues Beobachtungsfenster für die Erforschung supermassereicher Schwarzer Löcher eröffnen“, sagte Thomas Krichbaum vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Deutschland in einer von der Europäischen Südsternwarte veröffentlichten Erklärung.
Die Ergebnisse dieses bahnbrechenden VLBI-Experiments wurden am 27. August in The Astronomical Journal veröffentlicht.
