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2022-05-19
Es hat weltweit für Furore gesorgt: das 1. Bild eines schwarzen Lochs.
Jetzt gibt es sogar einen Film dazu.
Aber wie ist das überhaupt möglich?
Und können wir diesen Computer- rekonstruierten Bildern trauen?
Ich präsentiere: Black-Hole - The Movie!
Na gut, Film ist vielleicht ein bisschen hoch gegriffen.
Also was ihr hier seht, ist eine Animation aus einzelnen Bildern, die von dem schwarzen Loch im Zentrum der Galaxie M 87 über die Jahre aufgenommen wurden.
Einige von euch fragen sich jetzt aber sicher: warum stammt dann das erste Bild von 2009?
Denn das Bild, das 2019 erschienen ist, basiert auf Daten von 2017.
Da sind ja dann doch einige Jahre dazwischen.
Warum hatten wir nicht schon vorher ein Bild des schwarzen Lochs?
Um das und auch diesen Film wirklich zu verstehen, müssen wir jetzt ein bisschen ausholen und richtig in die Tiefe gehen.
Aber schauen wir uns erst einmal an, das Bild vom schwarzen Loch: Was sehen wir da überhaupt?
Hier, das sehr berühmte Bild, zeigt das schwarze Loch im Zentrum der Galaxie M87.
Und was man hier sieht, dieser schwarze Fleck, das ist gar nicht das schwarze Loch selber.
Also ein schwarzes Loch, ist ja einfach eine Singularität, ein sehr, sehr massereiches Objekt, was Licht und überhaupt alles, was ihm in den Weg kommt, einfach verschluckt.
Dieser orangefarbene Kringel stellt die Akkretionsscheibe um das schwarze Loch herum dar.
Und die Akkretionsscheibe, das ist das Material, das sich sozusagen in einer Todesspirale um das schwarze Loch herum befindet.
Die Photonen in der Akkretionsscheibe, die im schwarzen Loch landen, die sehen wir natürlich nicht, denn aus dem schwarzen Loch kann nichts entweichen, auch kein Licht.
Aber diejenigen, die gerade so darum herum kreisen und vom schwarzen Loch abgelenkt werden und in unsere Richtung strahlen, die können wir eben einfangen.
Und das ist auch dieser Ring, den wir hier sehen.
Das Problem ist jetzt aber: Obwohl dieses schwarze Loch mehrere Milliarden Kilome- ter groß ist, ist es auch extrem weit von uns entfernt.
Also, die Galaxie M87 ist ungefähr 55 Millionen Lichtjahre von uns entfernt.
Das heißt, das scheinbare Bild des schwarzen Lochs, das wir hier sehen können, ist extrem klein.
Und damit ihr euch mal eine Vorstellung davon machen könnt, wie klein: das ist, wie wenn man versucht von Deutschland aus auf den Kanaren ein Sandkorn zu sehen.
Und im Vergleich dazu, das Teleskop, das derzeit die schärfsten Bilder macht, das Hubble Weltraumteleskop, könnte auf den Kanaren nur eine Wassermelone erkennen.
Also, ihr seht, wir haben wirklich ein Problem.
Wir sind sehr weit davon entfernt, dieses schwarze Loch mit einem normalen, heutigen Teleskop ablichten zu können.
Deswegen müssen wir ein bisschen tricksen.
Willkommen in der komplexen, aber magischen Welt der Interferometrie.
Was ist Interferometrie?
Das Grundprinzip ist eigentlich ganz einfach.
Wir konstruieren mit der Interferometrie ein riesiges Teleskop, das sonst technisch gar nicht möglich wäre.
Und was wir machen ist, wir nehmen einzelne Antennen oder auch kleine Teleskope, hier in einer sehr stacheligen Variante, und wir stellen die relativ weit auseinander.
Also dann sieht man hier, ich habe Teleskop 1, Teleskop 2, den Abstand dazwischen, den nennt man im Fachjargon auch Baseline, dann ist es so, dass der größte Abstand zwischen zwei einzelnen Teleskopen dem Durchmesser des Riesenteleskops entspricht.
Also das heißt, wir können so, indem wir zwei kleine Teleskope sehr weit auseinanderstellen, ein riesiges Teleskop konstruieren.
Warum aber brauchen wir überhaupt dieses riesige Teleskop?
Das hängt mit der Wellen-Natur des Lichts zusammen.
Es gibt eine Formel in der Astronomie, die besagt, dass sich eine feinere, bessere, schärfere Auflösung bekomme, wenn ich entweder sehr kurzwelliges Licht anschaue, oder/und wenn ich ein sehr großes Teleskop habe.
Aber ich hatte doch vorher einen Trick erwähnt - die Interferometrie.
Dazu muss man wissen, Interferometrie wird schwieriger, wenn ich mit kurzen Wellenlängen arbeite.
Zum Glück können wir bei längeren Wellenlängen auch sehr viel größere Interferometer bauen.
Laut Formel brauchen wir jetzt aber im Millimeter-Wellenlängenbereich, um das schwarze Loch in M87 aufzulösen ein Teleskop von 11 000 Kilometern Durchmesser Ja, das klingt jetzt erst einmal wahnsinnig viel, aber da spielt uns der Kosmos ein bisschen in die Hände.
Denn 11 000 Kilometer, das kriegen wir so gerade auf unserem Erdball unter, wenn wir die Teleskope gut verteilen.
Genau das wurde beim EHT gemacht.
EHT steht für Ereignis-Horizont-Teleskop Das Ereignis-Horizont-Teleskop wurde, wie der Name schon sagt, dazu konstruiert, um eben die Ereignishorizonte von den nächsten schwarzen Löchern beobachten zu können.
Dieses Teleskop beobachtet im Millimeter-Wellenlängen- bereich, genauer gesagt bei 1,3 Millimeter.
Und es besteht aus 8 Teleskopen, die eben überall auf der Welt verteilt sind und zusammengeschlossen eine Auflösung 1000x besser als die von Hubble erreichen.
Wie funktioniert das jetzt auf physikalischer Ebene?
Ich habe euch ja vorhin einen tiefergehenden Einblick in die Interferometrie versprochen.
Und um Das jetzt ein bisschen zu veranschaulichen, was da wirklich passiert, machen wir ein kleines Expe- riment.
Also, es ist so: Licht besteht ja aus Protonen, hat aber eben auch eine Welleneigen- schaft.
Das heißt am Ende, was ich mit den Teleskopen messen kann, ist eine Lichtwelle.
Und wir verdeutlichen jetzt einfach mal das Prinzip dieser Wellen.
Also wenn ich jetzt zwei Wellen generiere in diesem Becken mit der Pipette, so, kann ich ein schönes Wellenmuster erzeugen.
Und da sieht man schon, wo die beiden Wellen zusammenkommen, wo sie interferieren, und daher kommt natürlich auch der Name Interferometer, Interferometrie, dort hat man dann eine Überla- gerung.
Und die Wellen können sich so überlagern, dass sie sich verstärken – also das heißt, wenn zwei Wellenberge gleichzeitig aufeinandertreffen, dann gibt es eben einen höheren Wellenberg, das Signal wird also stärker - wenn aber jetzt Berg und Tal aufeinandertreffen, dann löschen sich die beiden gegenseitig aus und ich beobachte dann gar nichts.
Das ist eine der Haupt-Herausforderungen bei der Interferometrie.
Wir möchten eben mit den unter- schiedlichen, einzelnen Teleskopen das herein- kommende Licht, die hereinkommenden Wellen, in genau der gleichen Phase messen.
Also das heißt, wir müssen genau die Berge aufeinandersetzen.
Es gibt nur eine klitzekleine Herausforderung.
Wenn ich meine Teleskope zusammenschalte, dann ist es ja so, dass ich - das sind jetzt meine Teleskope -, dass ich hier ein Signal empfange, hier, hier, hier, hier, hier, klar.
Aber dazwi- schen, in diesen Löchern, die auch sehr groß sein können, empfange ich keine Informationen.
Das heißt, ich weiß gar nicht, was da passiert.
Was ist da in dem Bild los?
Und was ich jetzt machen muss ist, dass ich aufgrund der Informa- tionen, die ich an den einzelnen Stellen habe, rekonstruieren muss, wie dann das Bild dazwischen aussehen könnte.
Das ist ein bisschen wie bei einem Text, wo die Hälfte der Buchstaben fehlen.
Also wenn jetzt nur ein paar Buchstaben fehlen, dann kann das menschliche Gehirn noch sagen "OK, das Wort kenne ich, da fehlen 3 Buch- staben, aber ich weiß trotzdem, was das Wort ist."
Wenn ich dann nur noch 2 Buchstaben vom ganzen Text habe, geht das Ganze natürlich nicht mehr.
Also das heißt, ich brauche in Minimum an Infor- mationen, um ein verlässliches Bild rekonstruieren zu können.
Für die Spezialisten unter euch: Wir benutzen da eine Technik, die inverse Phorea- Transformation in der zweidimensionalen Ebene beinhaltet.
Also, könnt ihr vielleicht mal googlen, da gehen wir jetzt heute nicht näher darauf ein, aber zum Glück kann man das relativ schön bildlich darstellen.
Und dafür wählen wir jetzt ein Objekt, einen Protagonisten, der im Internet immer gut kommt: ein kleines Kätzchen.
Also, wir wollen jetzt simulieren, wie diese Katze, wenn sie jetzt am Himmel wäre und im Millimeter- Wellenlängenbereich strahlen würde, wie die aus- sehen würde, durch ein Interferometrieteleskop beobachtet.
Dazu muss ich erst einmal dieses wunderschöne Katzenbild nehmen und es einfach in eine Helligkeitsskala umwandeln.
Also auf dem Bild hier ist jetzt Rot, steht einfach für sehr hell, und Blau steht für sehr dunkel.
Und dann kann ich jetzt sehen, ich fange jetzt einfach an mit - hypothetisch - 2 Teleskopen.
Und da sehe ich jetzt erst einmal nur Streifen.
Ist vielleicht modisch gar nicht so schlecht so schön blau-rote Streifen, aber an die Katze kommt's noch nicht wirklich heran.
Warum ist das jetzt so?
Na ja, es ist so: ich habe eben 2 Teleskope, das heißt, ich habe nur eine Baseline.
Das heißt, ich habe nur im eindimensionalen Raum überhaupt Informationen.
Also ich kann noch kein zweidimensionales Bild bekommen.
Ja, toll, sagt ihr euch jetzt vielleicht, was bringt mir das dann mit zwei Teleskopen?
Na ja, es ist so, dass ich trotzdem, wenn ich die Teleskope weiter auseinanderstelle, z.B. feinere Streifen bekomme.
Und da sieht man auch, warum wir so große Interferometer bauen müssen, denn je feiner diese Streifen sind, desto kleiner sind auch die kleinsten Strukturen, die ich später im Bild auflösen kann, also desto kleiner sind auch die Pixel, desto schärfer ist mein Bild. Okay, aber wir wollen jetzt natürlich keine Streifen, sondern wir wollen die Katze sehen, oder?
Und da- zu brauche ich dann mindestens 3 Teleskope.
Also wenn ich jetzt 3 Teleskope habe, dann kann ich im zweidimensionalen Raum Informationen bekommen.
Das heißt, ihr seht schon hier, jetzt bekomme ich so eine Ansammlung von Punkten.
Gut, das ist jetzt aber noch immer keine Katze.
Fü- gen wir jetzt einfach mal mehr Antennen hinzu.
So, jetzt habe ich 8 Antennen.
Und ja, was man jetzt sehen kann, okay, ich habe jetzt schon eine Struktur die ein bisschen interessanter aussieht.
Das sind jetzt nicht nur Punkte, aber es ist auch noch nicht wirklich eine Katze.
Also ich kann da zumindest nichts erkennen.
Und dann bedienen wir uns eigentlich eines Phä- nomens der Natur: Wir beobachten einfach über einen längeren Zeitraum.
Und dann ist es so, dass sich die Teleskope, die natürlich auf der Erde feststehen, also wir bewegen die da nicht herum, dass die sich im Vergleich zum Sternenhimmel, oder zum schwarzen Loch, oder welchem astrono- mischen Objekt auch immer wir beobachten, dass die sich dann durch die Drehung der Erde darunter hindurch bewegen.
Das heißt, wir haben de facto eigentlich ganz viele Teleskope, die Aufnahmen machen, die alle in so einer Reihe stehen.
Und daraus, wenn wir das jetzt hier mal in den Simulator übertragen, wenn wir jetzt mal länger beobachten, kann man dann tatsächlich auch mit relativ wenig Teleskopen ein relativ gutes Bild dieser Katze bekommen.
Aber hier sieht man auch schon ganz gut, glaube ich, also ja, es sieht ein bisschen aus, wie eine Katze.
Ich erkenne so die Strukturen, den Kopf hier, die Pfote...
Und da sieht man schon die Krux eigentlich an der Interferometrie, man bekommt immer nur eine Annäherung an das wahre Bild.
Also es heißt, gibt auch immer noch Spielraum für Fehl- Interpretationen.
Wie können wir denn jetzt sicher sein, dass das Bild vom schwarzen Loch auch eine wirklichkeits- getreue Darstellung des schwarzen Loches ist?
Bei der Simulation gerade, da hatten wir ja auch 8 Teleskope, wie eben beim EHT, und da hat man gesehen: gut, es war irgendein Tier auf jeden Fall.
Wir haben jetzt gesagt, es war eine Katze.
Wir wussten natürlich auch, es war eine Katze als Input-Modell, aber es hätte jetzt auch ein Fuchs sein können.
Vielleicht ist das beim schwarzen Loch ja ähnlich.
Tja, zum einen haben die Forscher über 4 Tage hinweg 8 Stunden lang das schwarze Loch beobachtet.
Also das heißt, sie haben eine relativ gute Datenqualität.
Zum Anderen haben dann 4 Forscherteams vollkommen unabhängig voneinander gearbeitet.
Also die durf- ten sich nicht sprechen, nicht miteinander telefonieren, und die sind alle unabhängig von- einander mit unterschiedlichen Algorithmen auch zum gleichen Ergebnis gekommen.
Und zum Letzten, und das ist für mich eigentlich auch das Wichtigste: Validierungstests haben gezeigt, dass die unterschiedlichen Modelle, die da hineingesteckt wurden, auch gut wieder rauskamen.
Also das heißt jetzt im Vergleich zu der Simulation, die wir gerade gemacht haben: da ha- ben wir eine Katze reingesteckt, es ist auch eine Katze rausgekommen und nicht etwa John Lennon oder ein Bildrauschen.
Das beruhigt mich und, ich hoffe, auch euch, dass das, was wir jetzt hier aufwändig rekonstruiert haben, mit unserer interferometrischen Technik auch dem entspricht, was wir mit einem echten Teleskop der Größe der Erde gesehen hätten.
Wie ist denn das jetzt mit dem Film?
Wie konnte der schon 2009 losgehen?
2009 hatte das EHT nur 3 Teleskope.
Und wir ha- ben ja gerade in der Simulation gesehen, mit 3 Teleskopen sieht man nicht wirklich viel.
Ja, da haben die Forscher wieder einen Trick verwendet.
Und zwar haben die einfach angenommen, dass sich das schwarze Loch über den Zeitraum von Monaten oder auch Jahren nicht besonders stark verändert.
Und so haben sie dann dieses Bild genommen und in die alten, unvollständigen Daten einfach hi- neingerechnet.
So haben sie dann künstliche Bilder erzeugen können und damit das Video vom schwarzen Loch.
Bei dem Video sehen wir jetzt, dass dieser helle Fleck zu wandern scheint.
Was ist dieser helle Fleck überhaupt?
Wir hatten ja gesagt, dass dieser Ring die Akkretionsscheibe um das schwarze Loch herum darstellt.
Und da ist es so, dass wahrscheinlich einige Stellen in dieser Scheibe heißer sind als andere.
Und die leuchten dann besonders stark und bilden dann helle Flecken.
Zum anderen ist es auch noch so, dass sich Material, das sich auf uns zubewegt, dass das heller leuchtet.
Das ist ein Effekt, der wird "Doppler-Beamen" genannt.
Also das heißt, in dem Video sehen wir einfach, dass sich die Struktur der Akkretionsscheibe, nicht das schwar- ze Loch selber, in einer Zeitspanne von einigen Monaten oder Jahren verändert.
In den nächsten Jahren wird das EHT immer weiter ausgebaut.
Also es werdeneinige andere Teleskope noch dazu- Kommen und das Team hofft, in den nächsten Jahren Immer wieder beobachten zu können.
Und, ja, mit ein bisschen Glück werden wir dann in einigen Jahren eine Animation haben, die des Titels "Black Hole - The Movie" auch wirklich würdig ist.
Allerdings muss dafür das Wetter mitspielen und zwar an allen Teleskopstandorten gleichzeitig.
Und deswegen wünsche ich dem gesamten EHT-Team auf der ganzen Welt: "Clear Skies!".
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