Bilder des Teilchen-Jets vom schwarzen Lochs M87 bei verschiedenen Wellenlängen, beobachtet von unterschiedlichen Observatorien. Montage: EHT MWL Science Working Group

Im April 2019 veröffentlichten Wissenschaftler:innen – unter ihnen Astrophysiker der Goethe-Universität Frankfurt – das erste Bild eines schwarzen Lochs in der Galaxie M87, das mithilfe des Event Horizon Teleskops aufgenommen worden war. Jetzt haben 19 Observatorien das Licht des gesamten Spektrums eingefangen, das vom Teilchen-Jet dieses schwarzen Lochs produziert wird. Es handelt sich um die größte simultane Beobachtungskampagne, die jemals zur Untersuchung eines supermassereichen schwarzen Lochs mit Jets durchgeführt wurde. Die Daten werden einzigartige Erkenntnisse zu diesem schwarzen Loch und zu seinem Kraftsystem ermöglichen. Ferner können sie als Grundlage zur Weiterentwicklung von Tests dienen, mit denen sich Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie überprüfen lässt.

Luciano Rezzolla, Professor für Theoretische Astrophysik an der Goethe-Universität Frankfurt, erklärt: “Nichts befördert unser Verständnis astonomischer Objekte mehr als die Beobachtung verschiedener Wellenlängen des Lichts, die ein solches Objekt abgibt. Das ist ähnlich wie wenn wir zu einem Arzt gehen, der unseren Körper zunächst von außen betrachtet, um dann eine Röntgenaufnahme zu machen: Seine Diagnose wird dadurch erheblich präziser. Die EHT-Kollaboration und die mit uns zusammenarbeitenden Astromomen haben die umfangreichste Beobachtung des schwarzen Lochs im Zentrum der Galaxie M87 gemacht: Die aufgezeichneten Wellenlängen umfassen 17 Größenordnungen und reichen von den Radio- bis zu den Gammastrahlen. Diese Multiwellenlängen-Beobachtung haben uns eine Reihe interessanter Dinge gelehrt und eine sehr bekannte Lektion erteilt: Die Wirklichkeit ist viel komplexer als unsere ausgeklügeltsten Modelle – und die müssen wir nun verbessern.”

Die gewaltige Gravitationskraft eines supermassereichen kann Gasströme, so genannte Jets, antreiben, in denen Materie mit nahezu Lichtgeschwindigkeit über riesige Entfernungen bewegt wird. Die Jets von M87* strahlen dabei Licht des gesamten elektromagnetischen Spektrums ab. Das Muster dieses Lichtspektrums ist bei jedem schwarzen Loch unterschiedlich und verrät etwas über die Eigenschaften des schwarzen Lochs, zum Beispiel seinen Eigendrehimpuls und wieviel Energie es ausstößt.. Die Beobachtung des Lichtspektrums ist schwierig, weil sich das Muster mit der Zeit verändert.

Die ersten Ergebnisse zeigen, dass die Menge des Lichts, das von der Materie rund um M87* erzeugt wurde, die geringste war, die jemals beobachtet wurde. Dadurch ergaben sich ideale Bedingungen, um den “Schatten” des schwarzen Lochs zu beobachten. Außerdem konnte das Licht in der Nähe des schwarzen Lochs getrennt von dem Licht aufgezeichnet werden, dass in Zehntausenden von Lichtjahren Entfernung vom schwarzen Loch emittiert wird.

Mithilfe dieser Daten wollen Wissenschaftler:innen nun besser verstehen, wie die Materie um das schwarze Loch kreist und in Jets weggeblasen wird. Ferner soll die Auswertung der Beobachtungen Aufschluss darüber geben, ob die kosmische Strahlung, die aus extrem energiereichen Partikeln besteht, aus solchen schwarzen Löchern stammt. Die Energie dieser Partikelstrahlung aus dem Kosmos, mit der auch die Erde kontinuierlich beschossen wird, kann Millionen Mal höher sein als die Partikelstrahlung, die im stärksten Teilchenbeschleuniger auf der Erde erzeugt wird, dem Large Hadron Collider bei CERN im schweizerischen Genf.

Weil kosmische Strahlen über Teilchenkollisionen Licht erzeugen, können Gammastrahlen verraten, woher die kosmische Strahlung stammt. Eine neue wissenschaftliche Studie zeigt, dass diese Gammastrahlen wahrscheinlich nicht in der Nähe des Ereignishorizonts erzeugt wurden, des Horizonts also, der Beobachtbares vom der Schwärze des schwarzen Lochs trennt.

“Wir wussten, dass das erste direkte Bild eines schwarzen Lochs bahnbrechend sein würde”, sagt Kazuhiro Hada vom National Astronomical Observatory in Japan, ein Mitautor der neuen M87-Veröffentlichung, die in der Zeitschrift Astrophysical Journal Letters erschienen ist und das riesige Datenpaket beschreibt. “Aber um das Beste aus diesem bemerkenswerten Bild herauszuholen, müssen wir alles über das Verhalten des schwarzen Lochs zu dieser Zeit wissen, indem wir Beobachtungen über das gesamte elektromagnetische Spektrum anstellen.”

“Verschiedene Gruppen von Wissenschaftler:innen wollen gerne prüfen, ob ihre Modelle mit diesen umfangreichen Beobachtungen übereinstimmen. Wir sind froh, dass die ganze Wissenschaftsgemeinschaft diese öffentlich verfügbaren Daten nutzen kann, um unser Verständnis über die tiefen Verbindungen zwischen schwarzen Löchern und ihrer Jets besser zu verstehen,” meinte Mitautor Daryl Haggard von der McGill University im kanadischen Montreal.

“Diese unglaublichen sind von einigen der besten Teleskope der Welt gemacht worden”, sagte Mitautor Juan Carlos Algaba von der University of Malaya in Kuala Lumpur, Malaysia. “Dies ist ein wunderbares Beispiel für die wissenschaftliche Zusammenarbeit von Astronomen in der ganzen Welt.”

“Das Verständnis der Teilchenbeschleunigung ist wirklich zentral, damit wir das EHT-Bild und die Jets in all ihren ‘Farben’ verstehen”, sagte Mitautor Sera Markoff von der University of Amsterdam. “Diese Jets transportieren Energie des schwarzen Lochs bis weit über die Grenzen ihrer Galaxie hinaus, wie ein gewaltiges Stromkabel. Unsere Beobachtungen werden uns erlauben, die Menge der transportierten Energie zu berechnen und den Effekt, den Jets von schwarzen Löchern auf ihre Umgebung ausüben.”

“Mit der Veröffentlichung der Daten, kombiniert mit neuen Beobachtungen mit einem verbesserten EHT können wir davon ausgehen, dass noch viele aufregende neue Ergebnisse für uns am Horizont stehen”, sagt Mitautor Mislav Baloković von der Yale University.

Publikation: Event Horizon Telescope Science Multi-Wavelength Science Working Group et al.: Broadband Multi-wavelength Properties of M87 During the 2017 Event Horizon Telescope Campaign. The Astrophysical Journal Letters, 911, L11, April 14, 2021, publication doi: 3847/2041-8213/abef71, data doi: 10.25739/mhh2-cw46. https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/abef71