Letztes Jahr haben wir endlich ein Schwarzes Loch fotografiert. Was jetzt?

Umlaufende Teleskope können uns helfen, uns Schwarze Löcher wie nie zuvor vorzustellen.

Shepherd Doleman brauchte fast zehn Jahre, um das Unmögliche zu erreichen. Als Direktor des Event Horizon Telescope (EHT), eines Projekts, an dem eine internationale Gemeinschaft von Hunderten von Forschern beteiligt war, reiste er jahrelang mit mit Festplatten gefüllten Koffern um die Welt, um die Beobachtungen zwischen Radioteleskopen auf vier Kontinenten, einschließlich der Antarktis, zu koordinieren. Am 9. April 2019 brachte die Zusammenarbeit endlich die Früchte ihrer Arbeit, und die Welt betrachtete das erste Bild eines Schwarzen Lochs .

Das Kunststück, das James Bardin, ein Pionier-Theoretiker des Schwarzen Lochs, 1973 als hoffnungslos bezeichnete, war eine herausragende Leistung der astronomischen Technologie. Sobald die Datenverarbeitung abgeschlossen und der Champagner verschüttet war, wurde die EHT-Zusammenarbeit in gewisser Weise wie ein Hund, der ein Auto erwischte. "Alle waren überrascht, so schnell einen so guten Schuss zu bekommen", sagt Andrew Strominger, theoretischer Physiker an der Harvard University. „Shepard und Michael [Johnson, Harvard-Smithsonian Astrophysiker und EHT-Koordinator] haben mich danach gefragt. „Was sollen wir damit machen? Wir haben ein Foto gemacht und jetzt was? "

Jetzt sind Strominger und ein interdisziplinäres Forscherteam, darunter Theoretiker, Experimentatoren und ein Philosoph, mit der wilden Antwort zurückgekehrt, die letzte Woche in Science Advances erschien. Mit dem Zugang zu einem ziemlich entfernten Teleskop könnte die EHT-Zusammenarbeit mehrere Lichtreflexionen unterscheiden, die um ein Schwarzes Loch fließen. Durch die Analyse der genauen Muster in diesen verschränkten Strahlen konnten Astronomen die grundlegenden Eigenschaften von Schwarzen Löchern direkt messen und Einsteins Gravitationstheorie wie nie zuvor testen. Tatsächlich hoffen sie, dass Schwarze Löcher eher wie Sterne und Planeten werden: nicht nur Objekte zum Nachdenken, sondern auch zur direkten Beobachtung.

"Dies sind Objekte, die für mich nur Gleichungen waren, die ich in meinem Kopf mathematisch zu visualisieren versuchte", sagte Alex Lupsaska , ein Harvard-Theoretiker, der an der Forschung arbeitete. "Aber jetzt haben wir ihre echten Fotos."

Das Team führte die Berechnungen mit Bleistift und Papier durch, basierend auf Einsteins Relativitätstheorie und der Simulation einer beispiellosen Auflösung, um zu analysieren, was Schwarze Löcher mit Licht tun. Achtung Spoiler !: Etwas Seltsames ist passiert. "Schwarze Löcher, sie sind einfach die Besten in allem, was sie tun", sagt Lupsaska. Und dazu gehört auch das Biegen von Lichtstrahlen in Schleifen.

Als die dichtesten Objekte, die den Gesetzen der Physik folgen, haben Schwarze Löcher eine enorme kosmische Anziehungskraft, und Physiker wissen seit langem, dass der Abgrund in den Lichthüllen verborgen ist. Wo die Erde den vorbeiziehenden kosmischen Kopfsteinpflaster anziehen kann - indem sie ihn in mehrere Umlaufbahnen zieht, bevor er zurück in den Weltraum fliegt - können Schwarze Löcher echte Lichtteilchen einfangen. Alles, was gegen ein Schwarzes Loch stößt, bleibt für immer im Inneren stecken, aber Photonen, die eng an der Grenze entlang gleiten, können mehrere Umdrehungen um das Schwarze Loch machen. "Dies ist die verzerrte," schreiende "Natur der Raumzeit", sagt Lupsaska.

Strominger, Lupsaska und ihre Kollegen berechneten genau die spezifische Struktur der Lichthülle und wie sie aussehen würde, wenn sie von der Erde aus betrachtet wird.

So funktioniert das. Wenn sich die Lichtstrahlen einem Schwarzen Loch nähern, bringt sie ihre schreckliche Schwerkraft in die Umlaufbahn. Strahlen, die in einer bestimmten Entfernung vorbeiziehen, drehen sich eine halbe Umdrehung um ein Schwarzes Loch, bevor sie in den Weltraum gelangen. Strahlen, die etwas näher kommen, können einen Kreis schließen, bevor sie von ihrem Herkunftsort zurückkehren. Strahlen, die näher kommen, können immer noch eine und zwei Umdrehungen machen, die anderen zwei Umdrehungen und so weiter. Jede dieser endlosen Gruppen von Lichtstrahlen kann ein Bild bilden (wenn sie auf die Kamera oder den Augapfel treffen), so dass ein Schwarzes Loch eine unendliche Anzahl solcher Bilder erzeugen kann. Strominger vergleicht diesen seltsamen Effekt damit, wie Sie in einem Kaufhaus zwischen zwei Spiegeln stehen und sehen würden, wie sich Ihre Reflexionen dort weiter ausdehnen.

"In einer idealen Welt mit einem perfekten Teleskop würde man ein Schwarzes Loch betrachten und nicht nur eine unendliche Anzahl von Bildern sehen, die in andere eingebettet sind, sondern das gesamte Universum", sagt er.

Aber EHT ist wie alle Teleskope nicht perfekt. Dies ist nicht einmal ein Teleskop, sondern ein technisches Interferometer. Interferometer vergleichen Beobachtungen eines entfernten Punktes von zwei verschiedenen Orten aus. Je weiter die Orte voneinander entfernt sind, desto subtilere Merkmale des Objekts können sie erfassen. Da aufeinanderfolgende Reflexionen von Schwarzen Löchern (die für den Betrachter als Ringe erscheinen können) immer dünner werden, müssen Astronomen weiter entfernte Observatorien verwenden, um sie zu sehen.

Um reflektierende Ringe zu erkennen, muss EHT noch weiter gehen. Am Ende kommen die Autoren der Studie zu dem Schluss, dass die Zusammenarbeit ihrem Netzwerk ein Weltraumobservatorium hinzufügen sollte. Nur einer muss es tun. Ein Satellit, der die Erde umkreist, kann den ersten Ring eindeutig identifizieren, oder ein Fahrzeug, das den Mond umkreist, kann den zweiten sehen. Wenn sie das Raumschiff zum Ort zwischen Erde und Sonne bringen könnten, der als zweiter Lagrange-Punkt (das Ziel des zukünftigen James Webb-Weltraumteleskops) bekannt ist, könnten sie die ersten drei Ringe identifizieren. Eine solche Mission kann mehrere hundert Millionen Dollar kosten - teuer, aber nicht so teuer wie die größten wissenschaftlichen Projekte. "Dies ist etwas, was irgendwann jemand tun wird", sagt Lupsaska. "Es ist eine Frage der Zeit."

Mit dieser Menge Geld werden Astrophysiker viel Wissen über Schwarze Löcher kaufen. Die Beobachtung der Ringe würde sofort als erster Test der allgemeinen Relativitätstheorie in einem Medium dienen, das stark genug ist, um Lichtstrahlen in volle Schleifen zu biegen. Die Verengung der Ringe ist sehr genau, sodass jede Abweichung signalisiert, dass etwas Seltsames passiert. "Es gibt keinen Handlungsspielraum", sagt Lupsaska. "Sie gehen dorthin und nehmen eine Messung vor, die entweder zur Theorie passt oder nicht."

Eine kleine Anzahl von Theoretikern erwartet die Zerstörung von Einsteins erfolgreichster Theorie. Sie sind eher aufgeregt, dass die Ringe die Existenz von zwei schwarzen Löchern beweisen können, die nahe genug sind, um das Bild auf diese Weise zu empfangen. Astronomen haben verschiedene Möglichkeiten, die grundlegenden Eigenschaften eines Schwarzen Lochs wie Masse und Rotation zu messen, aber sie müssen viele Annahmen treffen, um dies zu untersuchen. Das Muster der Ringe hängt nur von einem Schwarzen Loch ab - was nichts mit leuchtendem Plasma und nahegelegenen Trümmern zu tun hat -, sodass solche Beobachtungen den Physikern eine klarere Möglichkeit bieten könnten, ihre grundlegendsten Fragen zu diesen mysteriösen Objekten zu beantworten.

Und diese Analyse ist nur der Anfang. Nachdem die Arbeit im letzten Sommer vorgestellt worden war (in Erwartung einer Expertenbewertung), löste sie eine Welle nachfolgender Forschungen aus, da die Physiker es eilig hatten, diese Theorie zu entwickeln. „Es wird betont, dass es viele interessante Details gibt, die wir noch nicht untersucht haben, und sie haben uns zu möglichen neuen Studien inspiriert“, sagt Elizabeth Himwich , eine Harvard-Doktorandin, die analysierte, wie sich die Art des Lichts von einem Ring zum anderen ändert .

Lupsaska vergleicht die Anstrengungen, die in der Anfangsphase unternommen werden müssen, am Beispiel der Biologie. „Bevor Sie verstehen möchten, wie Sie DNA anordnen und kurze palindromische Wiederholungen zum Kopieren und Bearbeiten von DNA verwenden, gehen Sie zunächst in den Wald und geben an:„ Dies ist ein Baum, dies ist eine Blume “, sagt er. "Hier sind wir auf dem Gebiet der Physik beim Studium der Schwarzen Löcher als experimentelle Wissenschaft."