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SCHWARZE LÖCHER
Verschiedene Typen schwer zu unterscheiden
Redaktion / idw / Pressemitteilung des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie
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17. April 2018

Könnte man durch die Beobachtung von Schwarzen Löchern feststellen, ob Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie oder vielleicht doch eine alternative Beschreibung der Gravitation korrekt ist? Diese Frage haben sich Wissenschaftler gestellt, die gerade versuchen, den Schatten des Schwarzen Lochs der Milchstraße zu beobachten. Ihre Simulationen zeigen jedoch: Einfach wird das nicht.

Schwarze Löcher

Simulationen der Schattenbilder von Sagittarius A*, berechnet für ein Schwarzes Loch des Kerr-Typs (Allgemeine Relativitätstheorie, oben), und des Dilaton-Typs (alternative Schwerkrafttheorie, unten). Rechts jeweils die erwartete Beobachtung. Bild: Fromm / Younsi / Mizuno / Rezzolla (Frankfurt) [Großansicht]

 Eine der fundamentalsten Vorhersagen von Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie ist die Existenz von Schwarzen Löchern. Doch trotz der erst kürzlich gelungenen Entdeckung der Gravitationswellen binärer Schwarzer Löcher am LIGO-Experiment steht ein direkter Nachweis mit Radioteleskopen noch aus. Zum ersten Mal haben nun Astrophysiker der Goethe-Universität Frankfurt, des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie in Bonn und der Universität Nijmegen im Rahmen des vom Europäischen Forschungsrat geförderten Projekts BlackHoleCam realistische Schattenbilder von Sagittarius A* erstellt, dem Kandidaten für ein supermassereiches Schwarzes Lochs im Zentrum unserer Milchstraße. Sie wollen damit nicht nur prüfen, ob Schwarze Löcher existieren, sondern auch, ob sich Schwarze Löcher im Rahmen von Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie von denjenigen unterscheiden lassen, die in alternativen Schwerkrafttheorien auftreten.

Materie, die in den Ereignishorizont am Rande eines Schwarzen Lochs gerät, wird endgültig verschluckt und ist nicht mehr nachweisbar. Doch einige der Lichtteilchen, welche die Materie als letzte Signale aussendet, können entkommen und von fernen Beobachtern registriert werden. Die Größe und Form des dadurch erzeugten Schattens hängt dabei von den Eigenschaften des Schwarzen Lochs und der in die Rechnung eingehenden Gravititationstheorie ab.

Da die größten Abweichungen von Einsteins Relativitätstheorie sehr nahe am Ereignishorizont erwartet werden, und da alternative Gravitationstheorien unterschiedliche Vorhersagen über die Eigenschaften des Schattens treffen, sind direkte Beobachtungen von Sagittarius A* ein vielversprechender Ansatz, die Auswirkung der Gravitation unter den extremsten Bedingungen zu testen. Solche Bilder vom Schatten eines Schwarzen Lochs zu erzeugen, ist das oberste Ziel der internationalen Event-Horizon-Telescope-Kollaboration (EHTC), die Radiodaten von Teleskopen aus der ganzen Welt kombiniert und so ein Riesenteleskop von nahezu Erddurchmesser simuliert.

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Wissenschaftler aus dem BlackHoleCam-Team in Europa, die der EHT-Kollaboration angehören, sind nun einen Schritt weiter gegangen und haben untersucht, ob es möglich ist, zwischen verschiedenen Typen von Schwarzen Löchern zu unterscheiden, die von unterschiedlichen Gravitationstheorien vorhergesagt werden. In Einsteins Theorie ist das der sogenannte Kerr-Typ, während der Dilaton-Typ die repräsentative Lösung einer anderen Gravitationstheorie darstellt.

Die Forscher untersuchten was passiert, wenn Materie auf diese zwei sehr unterschiedlichen Arten von Schwarzen Löchern fällt und berechneten die entstehende Strahlung als Grundlage, um die Bilder zu erzeugen. "Zur Erfassung der Effekte verschiedener Schwarzer Löcher benutzten wir realistische Simulationen von Akkretionsscheiben mit fast identischen Ausgangsbedingungen. Diese kostspieligen numerischen Simulationen benötigten hochmoderne Rechencodes und beanspruchten mehrere Monate Rechenzeit auf dem LOEWE-CSC-Supercomputer unseres Instituts", sagt Dr. Yosuke Mizuno vom Institut für Theoretische Physik der Goethe-Universität Frankfurt.

Die erwarteten Radiobilder werden von Natur aus eine begrenzte Auflösung und Bildgenauigkeit haben. Als die Wissenschaftler ihren Rechnungen realistische Bildauflösungen zugrunde legten, fanden sie zu ihrem Erstaunen heraus, dass selbst Schwarze Löcher, die sich in ihren Eigenschaften stark von klassischen Schwarzen Löchern im Einstein’schen Sinne unterscheiden, sich in den simulierten Erscheinungsbildern kaum noch voneinander unterscheiden lassen.

"Unsere Ergebnisse legen nahe, dass man in manchen Gravitationstheorien, Schwarze Löcher ähnlich aussehen können, wie die in der Relativitätstheorie. Vermutlich brauchen wir neue Datenanalysemethoden für das EHT, um diese auseinander zu halten.", sagt Luciano Rezzolla, Professor der Goethe-Universität und Leiter des Frankfurter Teams. "Wir müssen offen dafür sein, dass zu Einstein das letzte Wort noch nicht gesprochen ist. Glücklicherweise werden zukünftige Beobachtungen und fortgeschrittene Technologien diese Zweifel ausräumen können", ist seine Schlussfolgerung.

"Tatsächlich werden unabhängige Informationen, beispielsweise von Pulsaren, die das zentrale Schwarze Loch umlaufen und nach denen wir intensiv suchen, uns dabei helfen, diese Mehrdeutigkeit zu klären", unterstreicht Michael Kramer, Direktor am Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn. Heino Falcke, Professor an der niederländischen Radboud-Universität, ist daher optimistisch: "Es gibt keine Zweifel, dass das EHT letztlich starke Beweise für den Schatten des Schwarzen Lochs liefern wird. Diese Ergebnisse hier fordern uns heraus, die Techniken noch weiter zu entwickeln und schärfere Bilder zu erzeugen." Falcke hat vor fast 20 Jahren als erster vorgeschlagen, Radioteleskope zu benutzen, um die Schatten von Schwarzen Löchern abzubilden.

BlackHoleCam ist ein vom Europäischen Forschungsrat finanziertes Synergie-Projekt, um astrophysikalische Schwarze Löcher vermessen und verstehen zu können. Die Projektleiter Falcke, Kramer und Rezzolla testen die grundlegenden Vorhersagen von Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie. Die Teammitglieder des BlackHoleCam-Projekts sind aktive Partner der globalen Event Horizon Telescope Collaboration (EHTC). Die Goethe-Universität ist als Anteilshalter im Vorstand der EHTC vertreten.

Die Ergebnisse der jüngsten Untersuchung wurden online auf der Website von Nature Astronomy veröffentlicht.

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siehe auch
Event Horizon Telescope: Blick auf das zentrale Schwarze Loch - 3. April 2017
Zentrales Schwarzes Loch: Das Magnetfeld am Ereignishorizont - 4. Dezember 2015
Event Horizon: Dem Ereignishorizont immer näher - 23. April 2015
Schwarze Löcher: Ereignishorizont im Visier - 18. Dezember 2013
VLBI: Detaillierter Blick ins Zentrum eines Quasars - 18. Juli 2012
VLBA: Jagd nach dem Schatten des Schwarzen Lochs - 7. November 2005
Milchstraße: Der Durchmesser des zentralen Schwarzen Lochs - 5. April 2004
Links im WWW
Preprint des Fachartikels bei arXiv.org
Max-Planck-Instituts für Radioastronomie
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