Astronomen schleichen sich bis an den Rand des Schwarzen Lochs der Milchstraße


Zum ersten Zu dieser Zeit haben Wissenschaftler etwas entdeckt, das um das Schwarze Loch im Herzen unserer Galaxie wackelt. Ihre Messungen deuten darauf hin, dass sich dieses Zeug – vielleicht aus Plasmakugeln gemacht – nicht weit entfernt von der innersten Bahn bewegt, die die Gesetze der Physik zulassen. Wenn dies der Fall ist, können Astronomen der funhouse-gespiegelten Raumzeit, die ein schwarzes Loch umgibt, ihren besten Blick gewähren. Und mit der Zeit werden zusätzliche Beobachtungen zeigen, ob diese bekannten Gesetze der Physik wirklich beschreiben, was sich am Rande der Zeit befindet, an der die Raum-Zeit zusammenbricht.

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Die Astronomen wussten bereits, dass die Milchstraße ein zentrales schwarzes Loch mit einem Gewicht von etwa vier Millionen Sonnen beherbergt. Von der Erde aus ist dieses Schwarze Loch ein dichtes, winziges Ding im Sternbild Schütze, das in New York nur so groß ist wie ein Erdbeersamen in Los Angeles. Interstellares Gas leuchtet jedoch, wenn es in das Schwarze Loch wirbelt und das dunkle Herz der Galaxie mit einem einzigen schwachen Infrarotlichtpunkt in astronomischen Bildern markiert. Astronomen nennen es Schütze A * (ausgesprochen "A-Stern").

Seit 15 Jahren beobachten Forscher diesen Punkt flackern – und wunderten sich warum. Gelegentlich flackert es im infraroten Licht 30 Mal heller und klingt dann innerhalb weniger Minuten ab. Nun hat ein Team des Max-Planck-Instituts für extraterrestrische Physik in Garching nicht nur die Helligkeit dieses Specks, sondern auch seine Position mit erstaunlicher Genauigkeit gemessen. Wenn es aufflackert, bewegt es sich auch im Uhrzeigersinn am Himmel und zieht einen kleinen Kreis nach, den sie finden.

"Sie haben eindeutig gesehen, dass sich etwas bewegt", sagte Shep Doeleman, ein Astronom des Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, der nicht an den "außergewöhnlichen" Messungen des Teams teilnahm, die diese Woche in veröffentlicht wurden Astronomie und Astrophysik. "Was es ist, ist nicht genau klar."

Eine besondere Interpretation sticht jedoch hervor, argumentiert das Team. Dieses Wackeln kommt wahrscheinlich von "heißen Stellen", glühenden Flecken aus magnetisch erhitztem Plasma, die direkt über dem klaffenden Schlund des Schwarzen Lochs mit fast einem Drittel der Lichtgeschwindigkeit umlaufen. Wenn diese heißen Stellen umkreisen, verdrehen die gewaltigen Gravitationskräfte des Schwarzen Lochs die Raum-Zeit selbst in etwas wie eine Linse, die Beacons aus Licht wie ein galaktischer Scheinwerferstrahl durch den Kosmos blitzt. Die Idee, die erstmals 2005 von Avery Broderick, jetzt am Perimeter Institute of Theoretical Physics und der University of Waterloo in Kanada, und Avi Loeb von der Harvard University vorgeschlagen wurde, würde erklären, warum das Schwarze Loch zu flackern scheint.

"Es scheint, als hätten sie hier etwas wirklich Aufregendes", fügte der Astronom Andrea Ghez hinzu, ein langjähriger Wettbewerber des europäischen Teams der University of California in Los Angeles.

Wenn diese rotierenden Fackeln auf heiße Stellen zurückzuführen sind, wie Broderick und Loeb es sich vorstellten, können zusätzliche Fackeln helfen, den „Spin“ des Schwarzen Lochs zu erkennen, ein Maß für seine Rotation. Und es könnte auch eine neue Möglichkeit bieten, Einsteins Theorie der allgemeinen Relativitätstheorie in der gebogenen Raumzeit an der Mündung eines Schwarzen Lochs durchzubringen.

"Gelegentlich richtig zu sein, macht die anderen Zeiten wett, wenn ich mir an der Tafel den Kopf zerkratzt habe", sagte Broderick. „Das macht es so schön, Wissenschaftler zu sein.“

Das Licht der vier Teleskope des Very Large Telescope-Arrays in Cerro Paranal, Chile, kann zu einem einzigen, riesigen Teleskop kombiniert werden.

ESO

Schwerkraftbalken

Seit den 1990er Jahren haben die Gruppe von Ghez an der UCLA und das europäische Team, angeführt von Reinhard Genzel vom Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik in Garching, Deutschland, mit immer schärferen Techniken die Umlaufbahnen von Sternen um das galaktische Zentrum herum aufgelöst. Anfang des Sommers veröffentlichte Genzels Team eine Messung, wie die allgemeine Relativitätstheorie das Licht eines Sterns beeinflusst, der jetzt nahe am Schwarzen Loch vorbeizieht. Ein ähnliches Dokument des Ghez-Teams wird derzeit geprüft. "Es ist ein bemerkenswerter Moment in Bezug auf die Fähigkeit dieser Experimente, die Schwerkraft in der Nähe eines supermassiven Schwarzen Lochs zu untersuchen", sagte Ghez.

Seit dem letzten Jahr verfügt das europäische Team jedoch über ein einzigartiges Werkzeug – die Kraft von vier riesigen Teleskopen, die in einem Projekt namens GRAVITY zusammenarbeiten. In einer typischen Nacht rollen die vier 8-Meter-Teleskope der Europäischen Südsternwarte (Cerro Paranal) mit Blick auf die chilenische Atacama-Wüste in verschiedene Himmelsrichtungen. GRAVITY bringt sie unter Verwendung einer als Interferometrie bezeichneten Technik zusammen, bei der Beobachtungen aus mehreren Teleskopen kombiniert werden, um künstliche Bilder zu erzeugen, die nur ein unglaublich großes reales Teleskop erzeugen könnte.

Um dies bei infraroten Wellenlängen zu tun – nahe an dem, was das menschliche Auge wahrnehmen kann – muss das Licht in Echtzeit gemischt werden, um zu vermeiden, dass wichtige Informationen verloren gehen. Als der Schütze A * am 22. Juli aufflammte, wanderte das von jedem Zielfernrohr gesammelte Licht durch einen von Rube Goldberg ähnlichen Aufbau von Spiegeln und Glasfaserkabeln, der einen Pfad mit einer Gesamtlänge von höchstens einem Tausendstel nachführte Haarbreite, sagte Frank Eisenhauer, Physiker bei Max Planck in Garching und der Anführer von GRAVITY. In einer 3-Tonnen-Einfrier-Toolbox optischer Technologie mischten sich diese Lichtwellen miteinander, wobei sich ihre Gipfel und Täler kombinierten und abbrachen, um Positionsmessungen mit unmöglicher Schärfe zu erzeugen.

Trotzdem hatte GRAVITY immer noch nicht die hohe Auflösung, um Filme aus den drei Flares zu machen, die es gesehen hat – am 22. Juli und zwei anderen. Aber seine Abmessungen des schwachen Fleckens, der am Himmel wackelt, versprechen, die vielfältigen Möglichkeiten zu begrenzen, was Schütze A * überhaupt zum Flimmern bringt.

Wenn Sie sie aus nächster Nähe sehen könnten, könnten die Fackeln heiße Plasmaklumpen sein, die aus dem schwarzen Loch nach außen geschossen wurden, in Materialstrahlen, die durch Magnetfelder fokussiert und weggeschleudert wurden. Oder es könnten heiße Klumpen im weiten Frisbee des in das Schwarze Loch abfließenden Gases oder andere mögliche Scheibenstrukturen wie Spiralarme sein. In all diesen Fällen würde das Aufflackern und Dimmen von Licht von dem Material selbst entstehen, das heiß glüht und dann abkühlt.

Die Idee von Broderick und Loeb beinhaltete auch Plasma-Blobs, die durch Hitze zappen. Sie würden sich in der Nähe des Schwarzen Lochs bilden, ähnlich wie bei einer Sonneneruption. Über der Oberfläche unserer Sonne verfängt sich ein bizarrer Fleck magnetischer Felder, der Aufflackern des erhitzten Plasmas hervorquillt, wenn die Felder in neue Formen geraten. Etwas Ähnliches könnte in dem Gas direkt um ein schwarzes Loch passieren, das auch starke, verworrene Magnetfelder beherbergt.

In diesem Fall würde die Helligkeitsmodulation jedoch nicht vom Blob selbst stammen, sondern von der Umlaufbahn des Blobs. Während es in einem riesigen Schwarzen Loch herumschwirrte, fokussierte die durch die allgemeine Relativitätstheorie vorhergesagte verzerrte Raumzeit das Licht des heißen Flecks in einen Strahl. Und als dieser Strahl über die Erde schwebte, würden wir das Flimmern des schwarzen Lochs messen. "Das Schwarze Loch ist wie diese Leuchtturmlinse, die uns veranlasst, dass dieses Ding bei uns herumblitzt", sagt Broderick.

Wenn Jets das Schwarze Loch flackern ließe, würde diese Bewegung linear sein, da Blobs nach außen gingen und sich abkühlten, sagte Eisenhauer. Wenn Verklumpungen in der Scheibe um das Schwarze Loch verantwortlich wären, würde die Bewegung nicht in eine bestimmte konsistente Richtung gehen. Aber die kreisförmige Bewegung unterstützt das Umkreuzen von Hot Spots, argumentiert das Team.

"Es gibt eine bestimmte Tatsache, die mich dazu neigt, diesem Ergebnis zu vertrauen", sagte der Astrophysiker Gunther Witzel vom Bonner Max-Planck-Institut für Radioastronomie, der auf beiden Seiten des Atlantiks mit den galaktischen Zentralteams zusammengearbeitet hat. GRAVITY stellte auch fest, dass das während einer Flare emittierte Licht sich in der Polarisation verschiebt, und zwar in der gleichen groben Zeitspanne wie die scheinbare Bahnbewegung. Das passt auch. Das von einem Hot Spot ausgestrahlte Licht würde polarisiert. Wenn sich der Fleck durch die verzerrte Raumzeit bewegte, würde sich seine Polarisation in seiner Umlaufbahn drehen.

Für Astrophysiker ist dieser Blick auf Plasma unter einzigartigen Umständen an und für sich interessant. "Wir haben eine völlig neue Umgebung, die völlig unbekannt ist", sagte Nico Hamaus, ein Kosmologe an der Ludwig-Maximilians-Universität in München, der auch die frühe Hot-Spot-Theorie entwickelte. "Deshalb gab es so vage Vorstellungen davon, was los war."

Theoretiker hoffen jedoch, dass die heißen Stellen in der Lage sind, Einstein's Theorie der Schwerkraft selbst mit einer harten Lampe zu verhören.

Den Horizont lesen

Betrachten Sie einen Ausflug zu einem Schwarzen Loch. Wenn Sie sich nähern, sagen beliebte Konten, haben Sie eine letzte Chance, umzukehren – den Ereignishorizont, der den Rand des Schwarzen Lochs markiert. Aber vielleicht wäre ein besserer Ort, um Ihre Herangehensweise zu überdenken, früher, wenn Astrophysiker die innerste stabile Umlaufbahn (ISCO) nennen. Die heißen Stellen um das Schwarze Loch im Zentrum der Galaxie scheinen sich etwas außerhalb dieser Grenze zu bewegen.

Dass es eine solche Umlaufbahn gibt, ist ein entscheidender Unterschied zwischen den Theorien von Newton und Einstein über die Schwerkraft. In der Newtonschen Schwerkraft können Sie ein Objekt so nahe wie möglich umkreisen, vorausgesetzt Sie erhöhen Ihre Geschwindigkeit. Nach Einsteins Ansicht ruft die Rotationsenergie mehr Schwerkraft hervor. In einiger Entfernung beschleunigt das Beschleunigen nur Ihren Fall. "Wenn das Schwarze Loch der Abfluss ist, wo die Dinge verschwinden", sagte Loeb in Harvard, "ist dieser innerste kreisförmige Orbit eine Art Senke."

Reinhard Genzel, Astrophysiker am Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik in Garching, Deutschland, nutzt die vier Teleskope des Very Large Telescope-Arrays, um das Gebiet um das Schwarze Loch im Zentrum der Milchstraße zu untersuchen.

Max-Plank-Institut für Physik

Für Loeb ist eine Lichtquelle, die um diesen verhängnisvollen Rand fliegt, ein Geschenk von Mutter Natur. Die Masse eines Schwarzen Lochs und seine Rotationsgeschwindigkeit bestimmen, wo sich der ISCO befindet, und wie lange ein Hot Spot in einem bestimmten Radius umläuft. Abgesehen von Masse und Spin gilt nach allgemeiner Relativitätstheorie, dass nichts anderes bestimmt, wie ein Objekt ein astrophysikalisches schwarzes Loch umkreist. Diese beiden Werte sollten die einzigen Unterscheidungsmerkmale sein.

Ghez und Genzel haben bereits das Gewicht dieses besonderen schwarzen Lochs ermittelt. Und obwohl sie ihren Spin noch nicht berechnen können, sollten nachfolgende Fackeln, vor allem hellere, dazu beitragen, sie zu fixieren.

Der Spin eines schwarzen Lochs zieht den Raum um sich herum und ändert, wie lange Objekte in der Nähe in der Umlaufbahn sind. Wenn GRAVITY einen Katalog von Fackeln aufbaut und untersucht, wie lange es dauert, bis das schwarze Loch in unterschiedlichen Radien umläuft, können sie abschätzen, wie sich der Spin des Schwarzen Lochs dreht.

Dies setzt natürlich voraus, dass die allgemeine Relativitätstheorie korrekt ist und die Umlaufbahnen von Objekten um ein schwarzes Loch ausschließlich von der Masse und dem Spin des schwarzen Lochs bestimmt werden. Wenn sich anscheinend etwas anderes abspielt – dass es einen anderen Faktor gibt, der diese Umlaufbahnen beeinflusst – könnte dies darauf hindeuten, dass Einsteins Theorie eine Auffrischung erfordert.

„Das ist eine noch aufregendere Chance am Horizont“, sagte Broderick. "Wenn Sie das Wortspiel vergeben werden."

Der nächste Horizont sollte – wortwörtlich – aus dem Event Horizon Telescope oder EHT stammen, einer separaten Anstrengung, die sich nun bemüht, die Raumzeit direkt am zentralen Schwarzen Loch der Milchstraße aufzulösen. Das EHT-Team prüft derzeit die Daten und hofft, irgendwann 2019 veröffentlichen zu können.

EHT verfeinert auch seine unglaublich scharfe Sicht durch Interferometrie. Es arbeitet jedoch in Radiowellenlängen, tausendmal länger als die Infrarot-Emissionsgraden von GRAVITY. Und seine Beobachtungsstellen erstrecken sich auf der ganzen Welt, nicht nur auf einem Berggipfel in Chile. Während sich die Erde dreht, streichen diese Observatorien durch den Weltraum und sammeln noch mehr Informationen.

Während GRAVITY während eines Flares alle 30 Sekunden die Position des Schwarzen Lochs mit schwankender Genauigkeit misst, strebt der EHT etwas anderes an: ein langes Bild der Radiosignale, die sich innerhalb der ISCO entlang der Kante des Schwarzen Lochs verziehen.

Die Hotspot-ähnlichen Wackeln, die GRAVITY gefunden hat, bieten jedoch eine neue Chance. "Wenn diese Ereignisse recht häufig vorkommen und es so aussieht, als wären sie das, sind das großartige Neuigkeiten für alle", sagte Doeleman von Harvard, der die EHT leitet.

"Wir könnten das Gleiche mit verschiedenen Instrumenten testen", sagte Doeleman. "Darum geht es in der Wissenschaft wirklich."

Nachdruck mit freundlicher Genehmigung des Quanta Magazine, einer redaktionell unabhängigen Veröffentlichung der Simons Foundation, deren Aufgabe es ist, das Verständnis der Öffentlichkeit für Wissenschaft durch das Erkennen von Forschungsentwicklungen und -trends in der Mathematik sowie den Physik- und Lebenswissenschaften zu verbessern.


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