In dieser Woche bereitet sich die Event Horizon Telescope-Kollaboration darauf vor, eine große Ankündigung über die Milchstraße zu machen, die Weltraum-Nerds überall in Atem hält. Bereits 2019 hielt sie eine ähnlich koordinierte Reihe von Pressekonferenzen auf der ganzen Welt abum das allererste Bild eines Schwarzen Lochs zu enthüllen.
Die unglaubliche Anstrengung war die Arbeit von über 100 Wissenschaftlern und Ingenieuren aus der ganzen Welt, die eine Lösung für eine scheinbar unmögliche Herausforderung gefunden haben: Radioteleskope zu verwenden, um einen Schnappschuss von M87 machen*, das supermassereiche Schwarze Loch im Herzen der Galaxie M87. Nach dieser bahnbrechenden Anstrengung wurde die Arbeit in den Jahren seit dieser ersten Veröffentlichung fortgesetzt und das bereits aufgenommene Bild verfeinert, um die Magnetfeldlinien um M87* ausgesprochenM87-Stern, und es gibt eine Fülle von Daten, die sie sind Suche nach weiteren Details der kolossalen und rätselhaften Struktur.
Aber wie haben sie es überhaupt gemacht? Welcher Aufwand war erforderlich, um ein Bild von etwas zu machen, das kein Licht abgibt? Und wie hat diese anfängliche Arbeit eine Grundlage für das gelegt, was diese Woche kommt?
Was ist die Zusammenarbeit mit Event Horizon Telescope?
Die Zusammenarbeit mit dem Event Horizon Telescope ist die organisierte Anstrengung von mehr als 100 Astronomen, Ingenieuren und Wissenschaftlern aus der ganzen Welt, die eine Vielzahl von Werkzeugen, Ressourcen und Fachkenntnissen verwenden, um den äußersten sichtbaren Rand eines Schwarzen Lochs, bekannt alsder Ereignishorizont.
Dies ist nicht nur die Arbeit von Astronomen und Forschern in der Astrophysik, sondern auch von Daten- und Informatikern, die mehr als ein Dutzend Ströme überlappender Daten zusammenfügen müssen, die zusammen das Bild ergeben, das wir sehen.
Warum es so schwierig ist, ein Bild von einem Schwarzen Loch zu machen
Es mag offensichtlich erscheinen, dass ein Schwarzes Loch schwer zu sehen wäre, weil es selbst kein Licht abgibt, und das ist nicht falsch. Aber ein Schwarzes Loch ist nicht immer unsichtbar, und es gibt mehrere Möglichkeiten, wie wir sie „sehen“ können.
Seit vielen Jahren können wir den Gravitationseffekt beobachten, den ein Schwarzes Loch auf seinen umgebenden Raum hat. Oft geschieht dies durch die Untersuchung der Umlaufbahnen anderer Sterne im Orbit um das Schwarze Loch, wo diese Umlaufbahnen 'Wenn ein Stern einen Punkt im Weltraum ohne einen Stern oder einen anderen sichtbaren Körper zu umkreisen scheint, dann besteht eine sehr hohe Wahrscheinlichkeit, dass wir einen Stern betrachten, der ein Schwarzes Loch umkreist.Dies wird häufig in den zentralen Regionen von Galaxien beobachtet, wo Sterne in der Regel in sehr hoher Konzentration vorhanden sind.
Eine andere Möglichkeit, ein Schwarzes Loch zu finden, besteht darin, nach einer Akkretionsscheibe um das Schwarze Loch herum zu suchen. Wenn ein Schwarzes Loch aktiv Material verbraucht, z. B. von einem Begleitstern, formt sich das Material aufgrund seines Drehimpulses zu einer abgeflachten Scheibe um es herumWenn sich das Material dem Ereignishorizont des Schwarzen Lochs nähert – der Entfernung von der zentralen Singularität des Schwarzen Lochs, wo die Geschwindigkeit, die erforderlich ist, um der Schwerkraft des Schwarzen Lochs zu entkommen, die Lichtgeschwindigkeit übersteigt – umkreist dieses Material das Schwarze Loch in größeren Bruchteilender Lichtgeschwindigkeit.
Was auch immer dieses Material vorher war, wenn es sich in der Akkretionsscheibe befindet, hat es sich in ein heißes ionisiertes Plasma verwandelt, das eine enorme Menge an Strahlung freisetzt, wenn es in der Scheibe beschleunigt wird. Diese Strahlung kann entweichen, bevor sie angesaugt wirdin das Schwarze Loch, und da kein Licht aus dem Ereignishorizont selbst herauskommen kann, können Sie inmitten dieser extrem radiohellen Strahlung eine totale Leere oder einen Schatten in der Mitte sehen, wobei das Licht der Akkretionsscheibe dahinter durch die Intensität gebeugt wirdSchwerkraft um das Schwarze Loch herum und bildet eine Art Heiligenschein um es herum.
Sie würden denken, dass dadurch Schwarze Löcher leicht zu erkennen wären, aber es gibt zwei große Herausforderungen, die es so schwierig gemacht haben, sie tatsächlich abzubilden. Die erste ist, dass die Strahlung, die aus der Akkretionsscheibe ausgestoßen wird, zu den hellsten gehörtim Universum. Aktive supermassive Schwarze Löcher im Zentrum von Galaxien können das Licht der gesamten Galaxie selbst bei weitem überstrahlen, und so haben Sie eine Situation, die so aussieht, als würden Sie mit bloßem Auge in die Sonne starren und versuchen, die Sonnenflecken zu sehen.
Darüber hinaus sind die Schwarzen Löcher selbst in Bezug auf die tatsächlichen Abmessungen winzig. Wenn Sie den Durchmesser der Sonne verkleinern würden, ohne ihre Masse bis zu dem Punkt zu ändern, an dem sich ein Schwarzes Loch bildet, wäre es nur etwa vier Meilen breit. Die meisten Stern-Masse Schwarze Löcher haben einen Durchmesser von etwa 9 bis 18 Meilen und packen bis zu 100 Sonnenmassen an Material in sich selbst. Selbst die größten supermassereichen Schwarzen Löcher, die 10 oder 20 Milliarden Sonnenmassen haben können, haben Durchmesser, die problemlos in unser Sonnensystem passen.und diese können Millionen von Lichtjahren von uns entfernt sein.
Um auf die Analogie unserer Sonne zurückzukommen, ist das Erkennen eines Schwarzen Lochs so, als würde man mit bloßem Auge auf die Sonne schauen und versuchen, einen dunklen Sonnenfleck von der Größe einer Stadt zu sehen. All dies zusammengenommen macht die Abbildung eines Schwarzen ausLoch so unglaublich schwierig, und warum die Leistung von EHT so erstaunlich war. Also, wie haben sie es geschafft?
Wie ein Bild eines Schwarzen Lochs aufgenommen wird
Das Erstaunliche am Universum ist, dass Licht außerhalb eines Schwarzen Lochs nie einfach verschwindet. Licht kann auch nicht spontan dort erscheinen, wo es vorher nicht war, und wenn dieses Licht auf unsere Netzhaut oder Instrumente trifft, können wir es sehenLinsen können wir das Licht der entferntesten Sterne und Galaxien im Universum fokussieren und das resultierende Bild zu etwas erweitern, das wir sehen können.
Und da Radiowellen und Röntgenstrahlen genauso viel Licht sind wie die Frequenzen des sichtbaren Spektrums, haben unsere Sensoren und Teleskope alles, was sie brauchen, um den Schatten des Ereignishorizonts eines Schwarzen Lochs zu sehen. Die Herausforderung besteht darin, einLinse, die groß genug ist, um das empfangene Licht in ein sichtbares Bild zu fokussieren.
Bei der Radioteleskopie fungiert die Schüssel der Antenne als Linse, um das Radiolicht so zu reflektieren, dass das Bild fokussiert wird. Wenn es jedoch darum geht, den Schatten des Ereignishorizonts von Schütze A* Sgr. A*, das supermassive Schwarze Loch der Milchstraße, ist das Schwarze Loch selbst gar nicht so groß: Es hat einen Durchmesser von rund 43 Millionen Kilometern, was nicht viel weniger ist als die Entfernung zwischen der Sonne und der mittleren Umlaufbahn des Merkur.
Es ist auch etwas mehr als 25.600 Lichtjahre von uns entfernt und seine unglaubliche Entfernung lässt es noch kleiner erscheinen. Um ein Bild von etwas so Kleinem aus so großer Entfernung aufzunehmen, bräuchte man ein absolut riesiges Objektiv, um diese winzige Lichtmenge auf etwas zu fokussieren, das wir sehen könnten; insbesondere bräuchte man eine Funkantenne so breit wie die der ErdeDurchmesser selbst.
Offensichtlich kann keine solche Radioantenne gebaut werden, also scheint dies das Ende der Geschichte zu sein, aber hier kommt das EHT ins Spiel. Wir sind vielleicht nicht in der Lage, ein erdgroßes Radioteleskop zu bauen, aber wir haben RadioTeleskope auf der ganzen Welt, und wenn wir sie alle auf dieselbe Radioquelle schalten und gleichzeitig Daten aufzeichnen würden, würden Sie mehr als zwei Dutzend Datenströme erhalten, die nahezu identisch sind.
Dieser fast Teil ist wichtig, weil der Unterschied in diesen Datenströmen vielleicht wichtiger ist als die Daten selbst. Wir sind in der Lage, die Entfernungen zwischen all diesen Radioteleskopen zu kartieren und mathematisch zu berechnen, wie die Entfernung zwischen zwei Punkten auf der Erdoberfläche istDiese Differenz kann dann algorithmisch korrigiert werden, um ein Netzwerk von Radioteleskopen in ein einziges virtuelles Teleskop von der Größe der Erde zu verwandeln, das über die erforderliche Auflösung verfügt, um den Schatten des Ereignishorizonts eines Schwarzen zu vergrößernLoch.
Also, im April 2017, The EHT-Radioteleskop-Array drehte seine Sensoren in Richtung Sgr A* und M87*, die, obwohl sie sich in sehr unterschiedlichen Entfernungen und Größen von uns befinden, von der Erde aus gesehen fast dieselbe scheinbare Größe haben, und mehrere Tage lang Daten aufgezeichnet haben. Die Menge der gesammelten Daten war so umfangreich, dass es möglich warnicht über das Internet übertragen werden, mussten die physischen Festplatten, auf denen die Daten gespeichert waren, physisch an ein zentrales Labor geschickt werden, wo sie alle verarbeitet und zusammengefügt werden konnten.
Dies bedeutete, dass es Monate dauern würde, bis alle Daten dorthin versandt werden konnten, wo sie benötigt wurden, insbesondere von einer Station in der Antarktis, die fast ein Jahr brauchte, um sie an das Verarbeitungslabor in den Vereinigten Staaten und Deutschland zurückzusenden.
Sie haben es trotzdem geschafft und dank eines Algorithmus hauptsächlich entwickelt von der damaligen Doktorandin Katie Bouman, bekam die Welt ihren ersten Blick auf den Schatten des Ereignishorizonts von M87*. Sgr A* hat sich jedoch als viel schwer fassbarer erwiesen. Es gibt Hinweise darauf, dass Sgr A* stark magnetisch geneigt ist, mit einem davonMagnetpole, die fast genau in Richtung Erde zeigen, und es könnte sogar noch schwerer zu sehen sein, da es einen relativistischen Jet aus hochgeladenen und funkhellen Teilchen direkt auf das virtuelle Teleskop von EHT schießen würde, wodurch es nach oben schießen würdebeschreibt einen Feuerwehrmann, während er dir aktiv mit einem Feuerwehrschlauch ins Gesicht schießt.
Dies erhöht den Einsatz für alles, was die EHT-Forscher herausgefunden haben, und ist einer der Gründe, warum die Ankündigung dieser Woche so aufregend ist. Der Aufbau für die Ankündigung mit gleichzeitigen Pressekonferenzen auf der ganzen Welt ist die gleiche Struktur, die für die Ankündigung verwendet wurdedas erste Bild von M87*, und es wird als Ankündigung über die Milchstraße gehänselt, also könnten wir nicht nur endlich in der Lage sein, das schlagende Herz unserer Galaxie zu sehen, wir könnten auch herausfinden, ob es so seltsam und exotisch ist, wie es scheint.