Ausbrüche in der Akkretionsscheibe eines Schwarzen Lochs können zu Lichtechos führen, die länger brauchen, um uns zu erreichen, weil sie um das Schwarze Loch herumreisen.(Bildnachweis: ESO/M. Kornmesser)
Um die Masse und den Spin von Schwarzen Löchern zu messen, wollen Wissenschaftler den Spuren folgen, die das Licht hinterlässt, das eine Rundreise macht, sich um diese Hohlräume herum biegt und schließlich zu uns scheint.
Das Team von der Princeton University und dem Los Alamos National Laboratory hat komplexe Computersimulationen durchgeführt, um zu zeigen, wie zwei Teleskope – eines auf der Erde, das andere im Weltraum – zusammenarbeiten können, um diese Idee Wirklichkeit werden zu lassen. Mit anderen Worten: Diese Geräte könnten uns helfen, Licht zu entdecken, das im Grunde eine Reise um ein schwarzes Loch hinter sich hat.
Das Konzept basiert auf einer Gravitationslinse – der Fähigkeit eines massiven Objekts, das Gefüge von Raum und Zeit bzw. die Raumzeit zu verzerren und damit den Weg des Lichts zu verändern. Einige Schwarze Löcher sind die massivsten Einzelobjekte im Universum; das Schwarze Loch im Zentrum der Galaxie Messier 87 zum Beispiel hat eine Gesamtmasse, die 6,5 Milliarden Mal größer ist als die Masse unserer Sonne. Solche riesigen, kompakten Objekte sind in der Lage, die Raumzeit ernsthaft zu verbeulen.
Schwarze Löcher wie das in M87 sind von Scheiben aus heißem Gas umgeben, die stetig nach innen in Richtung der Schlünde der Hohlräume fließen. Diese Scheiben sind nicht ruhig; sie können turbulent sein, wobei dichtere Klumpen innerhalb der Scheiben – vielleicht eine Gaswolke oder ein Asteroid – häufig von den Gravitationswellen der jeweiligen Schwarzen Löcher auseinandergerissen werden und Energie- und Lichtausbrüche in alle Richtungen freisetzen. Ein Teil dieses Lichts strahlt direkt auf uns zu, ein anderer Teil strahlt zunächst in die entgegengesetzte Richtung. Der Weg dieses Lichts bleibt jedoch in dem Raum stecken, der durch die Masse des Schwarzen Lochs selbst verformt wird. Das Licht kann das Schwarze Loch tatsächlich umrunden, in manchen Fällen sogar mehrmals, bevor es sich in unsere Richtung bewegt. Wir sehen dieses Licht als ein verzögertes „Echo“ des ursprünglichen Lichtausbruchs.
Im Gegensatz zu den meisten Gravitationslinsen, die das Licht von weiter entfernten Objekten vergrößern, wird das Lichtecho in diesem Fall entmagnifiziert, gedreht und abgeschert, so dass es ziemlich schwach ist und die Astronomen nicht sicher waren, ob es entdeckt werden könnte.
Das könnte sich jedoch bald ändern.
„Dass Licht um Schwarze Löcher kreist und dabei Echos verursacht, ist eine jahrelange Theorie, aber solche Echos wurden bisher nicht gemessen“, sagte George Wong vom Princeton Institute of Advanced Study in einer Erklärung. „Unsere Methode bietet einen Entwurf für die Durchführung dieser Messungen, die unser Verständnis von Schwarzen Löchern revolutionieren könnten.
Eine schematische Darstellung, wie Licht von einer Quelle innerhalb einer Akkretionsscheibe um ein Schwarzes Loch dem gekrümmten Raum um das Schwarze Loch folgen kann und als „Echo“ erscheint. (Bildnachweis: George N. Wong)
Die Länge der Verzögerung wird in erster Linie durch die Masse des Schwarzen Lochs bestimmt. Denn je massereicher ein Schwarzes Loch ist, desto breiter ist sein Ereignishorizont, und desto länger braucht das Licht, um es zu umkreisen. Auch die Neigung des Schwarzen Lochs relativ zu unserem Blickwinkel spielt eine Rolle, da unterschiedliche Neigungen zu unterschiedlichen Verzögerungszeiten führen können.
Wongs Team führte Computermodelle durch, die zeigten, wie die Interferometrie mit langer Basislinie – ein Prozess, bei dem das von Teleskopen an verschiedenen Orten erfasste Licht kombiniert wird – zwischen dem direkten Licht und dem indirekten Lichtecho um ein Schwarzes Loch wie das in M87 unterscheiden könnte. Sie spekulieren, dass dazu nur eine „bescheidene“ Weltraummission erforderlich wäre, die mit einem bereits am Boden befindlichen Teleskop zusammenarbeitet.
Alle schwarzen Löcher werden durch nur drei Parameter charakterisiert: ihre Masse, ihren Spin und ihre elektrische Ladung, die praktisch gleich Null ist. Die Verwendung von Lichtechos zur genauen Bestimmung der Masse und des Spins eines Schwarzen Lochs würde also einen großen Sprung sowohl im Verständnis der Wissenschaft von Schwarzen Löchern als auch in der Erforschung der Galaxienentwicklung ermöglichen.
„Schwarze Löcher spielen eine wichtige Rolle bei der Entwicklung des Universums“, sagt Wong. „Auch wenn wir uns oft darauf konzentrieren, wie Schwarze Löcher Dinge anziehen, stoßen sie auch größere Mengen an Energie in ihre Umgebung aus. Sie spielen eine wichtige Rolle bei der Entwicklung von Galaxien, indem sie beeinflussen, wie, wann und wo sich Sterne bilden, und dazu beitragen, wie sich die Struktur der Galaxie selbst entwickelt. Das Wissen um die Verteilung der Massen und des Spins von Schwarzen Löchern und wie sich diese Verteilung im Laufe der Zeit verändert, trägt wesentlich zu unserem Verständnis des Universums bei.“
Gravitationslinsen sind eine Manifestation von Albert Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie, die beschreibt, wie Masse und Energie mit Raum und Zeit interagieren. Je intensiver das Gravitationsfeld ist, desto ausgeprägter sind die Auswirkungen der allgemeinen Relativitätstheorie. Die Verfolgung der Lichtechos in einer solchen Umgebung bietet daher die perfekte Gelegenheit, die allgemeine Relativitätstheorie zu testen.
„Mit dieser Technik könnten wir Dinge finden, die uns denken lassen: ‚Hey, das ist seltsam!‘“ sagte Lia Medeiros, NASA-Fellow an der Princeton University, in der Erklärung. „Die Analyse solcher Daten könnte uns helfen, zu überprüfen, ob schwarze Löcher tatsächlich mit der allgemeinen Relativitätstheorie vereinbar sind.“
Alles, was sich nicht so verhält, wie es die allgemeine Relativitätstheorie vorhersagt, könnte eine Schwachstelle in Einsteins Theorie aufzeigen, aber halten Sie nicht den Atem an – nach mehr als einem Jahrhundert haben wir noch keine gefunden.
Die Arbeit wurde am 7. November in The Astrophysical Journal Letters veröffentlicht.
