Größe des Ereignishorizonts für verschiedene Gravitationstheorien.Die berechneten Schatten schwarzer Löcher unterscheiden sich in der Größe, doch nur die Schatten, die in den grauen Bereich fallen, stimmen mit den Messungen zum schwarzen Loch M87* überein, die 2017 durch die Event Horizon Telescope-Kollaboration gemacht wurden. Das in dieser Abbildung rot dargestellte schwarze Loch ist zu klein, um ein tragfähiges Modell für M87* zu sein. Abbildung: Credit: Prashant Kocherlakota, Luciano Rezzolla (Goethe University Frankfurt and EHT Collaboration/ Fiks Film 2021)

Theoretische Physiker der Goethe-Universität Frankfurt haben im Rahmen der Event-Horizon-Telescope-(EHT)-Kollaboration die Daten vom schwarzen Loch M87* ausgewertet und damit Albert Einsteins Relativitätstheorie überprüft. Den Tests zufolge stimmt die Größe des Schattens von M87* sehr gut überein mit den Eigenschaften eines schwarzen Lochs, wie die allgemeinen Relativitätstheorie erwarten lässt, anderen Theorien hingegen hinsichtlich der Eigenschaften des schwarzen Lochs aber Grenzen setzt. Die EHT-Kollaboration hatte 2019 das erste Bild eines schwarzen Lochs veröffentlicht, das sich im Zentrum der Galaxie M87 befindet.

Wie der deutsche Astronom Karl Schwarzschild erstmals aufzeigte, krümmen schwarze Löcher aufgrund ihrer extremen Konzentration an Masse die Raumzeit extrem stark und heizen die Materie in ihrer Umgebung auf, sodass diese anfängt zu leuchten. Der neuseeländische Physiker Roy Kerr konnte zeigen, dass Rotation die Größe eines schwarzen Lochs und den Raum in seiner Umgebung ändert. Den „Rand“ eines schwarzen Lochs stellt der so genannte Ereignishorizont dar, die Grenze um die Massekonzentration herum, jenseits der Licht und Materie nicht entkommen können und die das schwarze Loch schwarz macht. Schwarze Löcher können, so sagen Theorien es voraus, durch eine Reihe von Eigenschaften beschrieben werden, durch ihre Masse, Rotation („Spin“) und eine Vielzahl möglicher Ladungen.

Zusätzlich zur Beschreibung von schwarzen Löchern nach der allgemeinen Relativitätstheorie lassen sich schwarze Löcher etwa mit Theorien beschreiben, die sich aus der String-Theorie herleiten. Diese Art von Theorien nimmt ein zusätzliches skalares Feld in der zugrundeliegenden Physik an, das bei schwarzen Löchern zu beobachtbaren Veränderungen in ihrer Größe wie auch der Krümmung des Raums in ihrer Umgebung führt.

Die Physiker Dr. Prashant Kocherlakota und Prof. Luciano Rezzolla vom Institut für Theoretische Physik der Goethe-Universität Frankfurt haben nun erstmals überprüft, wie die verschiedenen Theorien zu den Beobachtungsdaten des schwarzen Lochs M87* im Zentrum der Galaxie Messier 87 passen. Das Bild von M87*, das 2019 von der weltumspannenden Event Horizon Telescope (EHT)-Kollaboration gemacht wurde, war nach der Messung von Gravitationswellen 2015 der erste experimentelle Beweis für die tatsächliche Existenz von schwarzen Löchern.

Das Ergebnis der Frankfurter Untersuchungen: Die Daten von M87* stimmen vollständig überein mit den auf Einstein basierenden Theorien und zu einem gewissen Teil mit den String-basierten Theorien. Dr. Prashant Kocherlakota erklärt: „Durch die von der EHT-Kollaboration aufgezeichneten Daten können wir nun verschiedene Theorien zu schwarzen Löchern testen. Derzeit können wir noch keine der Theorien zur Beschreibung des Schattens von M87* verwerfen, aber mit unseren Berechnungen schränken wir den Gültigkeitsraum der Modelle von schwarzen Löchern ein.“

Prof. Luciano Rezzolla meint: „Die Idee eines schwarzen Lochs ist für uns theoretische Physiker gleichzeitig eine Quelle von Problemen und der Inspiration. Während wir immer noch mit einigen der Konsequenzen von schwarzen Löchern kämpfen wie zum Beispiel den Phänomenen ‚Ereignishorizont‘ oder ‚Singularität‘, freuen wir uns, wenn wir Lösungen zur Beschreibung von schwarzen Löchern in immer weiteren Theorien finden. Ergebnisse wie die jetzt von uns vorgestellten sind daher wichtig um zu bestimmen, welche Theorien plausibel sind und welche nicht. Neue Beobachtungen schwarzer Löcher werden unsere ersten Eingrenzungen der Theorien weiter präzisieren.“

In der Event-Horizon-Telescope-Kollaboration sind Teleskope von Observatorien rund um den Globus zu einem virtuellen Riesenteleskop zusammengeschaltet, dessen Schüssel so groß ist wie die Erde selber. Mit der Präzision dieses Teleskops könnte man von einem Straßencafé in Berlin aus eine Zeitung in New York lesen.

Publikation: Prashant Kocherlakota, Luciano Rezzolla, Heino Falcke, Christian M. Fromm, Michael Kramer,  Yosuke Mizuno, Antonios Nathanail, H´ector Olivares, Ziri Younsi et. al. (The Event Horizon Telescope collaboration), Constraints on black-hole charges with the 2017 EHT observations of M87*. Physical Review D, vol 103, https://journals.aps.org/prd/issues/103/10 PDF: MPIfR Cloud (mpg.de)