06: Wie fotografiert man ein Schwarzes Loch?

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Am 10. April 2019 veröffentlichte eine Gruppe von über 200 Forschern das erste Bild eines Schwarzen Loches. Bei dem abgebildeten Objekt handelte es sich um das Schwarze Loch im Zentrum der Galaxie Messier 87, dessen Durchmesser ungefähr das Dreifache der Entfernung von der Sonne bis zum Neptun beträgt. Aber wenn aus einem Schwarzen Loch kein Licht entkommen kann (siehe Weltallwissend 05 „Schwarze Löcher“), gibt es doch auch kein Licht, dass uns von diesem Objekt aus erreichen kann. Wir dürften ein Schwarzes Loch doch gar nicht sehen können. Was sehen wir auf diesem Foto eigentlich? Und wie fotografiert man ein Schwarzes Loch?

Man kann ein Schwarzes Loch natürlich nicht direkt sehen. Aber für Licht, das von Materie abgegeben wird, die sich aus unserer Sicht hinter dem Schwarzen Loch befindet, ist das Schwarze Loch auf direktem Weg zu uns im Weg und das Licht wird von ihm verschluckt. Daher erreicht uns von dort, wo sich das Schwarze Loch befindet, gar kein Licht. Was wir auf dem Foto als schwarzen Fleck erkennen, ist also gewissermaßen der Schatten eines Schwarzen Loches.

Das Bild wurde übrigens nicht mit dem für uns sichtbaren Licht aufgenommen, sondern mit viel längeren Wellenlängen, im Bereich der sogenannten Radiowellen. Die Farben waren also so auf dem Bild noch gar nicht zu sehen, sondern das EHT-Team konnte selbst entscheiden, welche Farbe man später sehen können sollte.

Die Schwierigkeit im Fotografieren des Schwarzen Loches in der Galaxie Messier 87 lag eigentlich ganz woanders: Am Himmel hat es einen Durchmesser von ungefähr 15 Mikrobogensekunden. Ich weiß, diese Einheit klingt kompliziert, aber sie ist wirklich extrem klein. Ich möchte kurz verdeutlichen, wie klein das ist: Von Horizont zu Horizont spannt sich eine scheinbare Halbkugel mit einem Winkel von 180 Grad. Ein Grad setzt sich aus 60 Bogenminuten zusammen (die Sonne hat beispielsweise einen Durchmesser von etwa 30 Bogenminuten), jede davon lässt sich wiederum in 60 Bogensekunden einteilen. „Mikro“ bedeutet schließlich, dass es sich um ein Millionstel einer solchen Bogensekunde handelt. Nach der scheinbaren Größe am Himmel müsste man also 120 000 000 dieser Objekte nebeneinanderlegen, um den scheinbaren Durchmesser der Sonne zu erhalten!

Dass das Schwarze Loch so klein wirkt, liegt nicht daran, dass es wirklich klein wäre, sondern ganz einfach daran, dass es extrem weit weg ist. Eigentlich ist es sogar sehr groß: Würde es auf einmal den Platz der Sonne einnehmen, befände der Ereignishorizont sich außerhalb der Neptunbahn!

Um dieses Schwarze Loch beobachten zu können, braucht man ein Teleskop mit einer so starken Vergrößerung, dass man damit von Frankfurt aus eine Zeitung in New York lesen könnte (wenn man die Krümmung der Erdoberfläche mal außen vor lässt). Je größer die Auflösung eines Teleskops sein soll, desto größer muss es sein. Die Astronomen können jetzt also ausrechnen, wie groß das Teleskop sein muss, damit sie das Schwarze Loch fotografieren können. Das taten sie natürlich auch und erhielten dabei ein ernüchterndes Ergebnis: 10 000 Kilometer! Ein solches Teleskop wäre fast so groß wie die Erde (Durchmesser: 12 756 km).

Ein so großes Teleskop können wir natürlich nicht bauen. Um diese starke Auflösung zu erreichen, müssen wir also ein bisschen tricksen. Da kommt eine Technik ins Spiel, die wir „Very long baseline interferometry“ oder kurz VLBI nennen. Um diese zu erklären, muss ich ein bisschen weiter ausholen.

Ich habe ja bereits erwähnt: Je größer die Auflösung eines Teleskops sein soll, desto größer muss es sein. Das Teleskop muss dabei aber nicht vollständig intakt sein, das heißt, auf einem Teil des Objektives kann auch einfach ein Loch sein. Das Bild wird dadurch zwar etwas „schlechter“, aber die starke Vergrößerung wird trotzdem erreicht. Man könnte also auch zwei Teleskope, die direkt nebeneinander stehen, als ein einziges Teleskop mit einem recht großen Loch in der Mitte betrachten. Dieses virtuelle Teleskop wäre dann dementsprechend groß und hätte eine entsprechend große Auflösung. Wenn die beiden einzelnen Teleskope 100 Meter voneinander entfernt stehen, können wir also auch sagen, wir besitzen ein Teleskop von 100 Metern Durchmesser, das ein riesiges Loch von fast 100 Metern Durchmesser hat. Dementsprechend stark ist auch die Vergrößerung des Telskops.

Um ein Teleskop von der Größe der Erde zu bauen, muss man also einfach mehrere Teleskope, die auf dem Planeten verteilt sind, miteinander vernetzen. Da wird das ganze nun sehr aufwändig: Damit man die Teleskope als ein einziges sehen kann, müssen ihre Abstände voneinander millimetergenau bekannt sein und ihre Uhren müssen mit Atomuhren synchronisiert werden.

Das Event Horizon Telescope (EHT), mit dem das Schwarze Loch aufgenommen wurde, ist also genau genommen kein Teleskop, wie wir es uns vorstellen, sondern besteht aus 8 Teleskopen, die über die ganze Welt verteilt stehen.

Für alle, die es jetzt ganz genau wissen wollen: Zwei Teleskope stehen auf Hawaii, zwei in Chile, eines in Spanien, eines in Arizona, eines in Mexiko und eines in der Antarktis.

Die Daten, die die einzelnen Teleskope dann aufgenommen haben, waren so groß, dass sie auf Festplatten mit dem Flugzeug verschickt werden mussten, weil das schneller ging, als alles über das Internet um die Erde zu versenden.

Bild: EHT Collaboration

Die Verteilung der EHT-Radioteleskope auf der Erde

Aber das EHT-Team setzte sich auch nicht lange zur Ruhe. In der nächsten Zeit sollen weitere Teleskope das EHT-Netzwerk ergänzen. Das nächste Ziel ist, es nicht bei einem Foto eines Schwarzen Loches zu belassen – nun soll das EHT Sagittarius A*, das Schwarze Loch im Zentrum der Milchstraße, filmen!

Quellen: