Das erste Bild eines Schwarzen Lochs wird heute veröffentlicht. Diese monumentale Leistung wurde zum Teil durch die Schlüsselführung und Finanzierung durch das Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian (CfA) ermöglicht.
Das Event Horizon Telescope (EHT) ist ein globales Array von Radioteleskopen, an dem Dutzende von Institutionen und Hunderte von Wissenschaftlern beteiligt sind. Die bahnbrechende Entdeckung des EHT ist ein Bild des supermassiven Schwarzen Lochs von Messier 87 (M87) im Zentrum des Virgo-Galaxienhaufens, 55 Millionen Lichtjahre entfernt. Dieses Schwarze Loch enthält 6,5 Milliarden Mal die Masse der Erdsonne.
Sechs Artikel werden heute in den Astrophysical Journal Letters veröffentlicht, um dieses bahnbrechende Ergebnis zu beschreiben.
Das CfA (ehemals Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics) mit Sitz in Cambridge, Massachusetts, ist eine Zusammenarbeit zwischen dem Smithsonian Astrophysical Observatory (SAO) und dem Harvard College Observatory.
„Dies erfüllt unseren Traum, das erste Bild eines Schwarzen Lochs zu machen“, sagte Sheperd (Shep) S. Doeleman, der Direktor des EHT am CfA. „Wir haben jetzt Zugang zu einem kosmischen Labor mit extremer Schwerkraft, in dem wir Einsteins allgemeine Relativitätstheorie testen und unsere grundlegenden Annahmen über Raum und Zeit in Frage stellen können.“
Schwarze Löcher sind extrem komprimierte kosmische Objekte, die außergewöhnliche Mengen an Masse in einer winzigen Region enthalten. Diese Masse ist von einem Ereignishorizont umgeben, dh der Grenze, hinter der nichts — nicht einmal Licht — der starken Anziehungskraft des Schwarzen Lochs entkommen kann.
Das Vorhandensein dieser Objekte beeinflusst ihre Umgebung auf extreme Weise, einschließlich der Verzerrung der Raumzeit und der Erwärmung des umgebenden Materials auf Hunderte von Milliarden Grad. Die allgemeine Relativitätstheorie sagt voraus, dass ein Schwarzes Loch einen kreisförmigen Schatten auf dieses helle, leuchtende Material werfen wird. Das neu veröffentlichte Bild von M87 vom EHT zeigt diesen Schatten.
„Seit Jahrzehnten untersuchen wir, wie Schwarze Löcher Material verschlucken und die Herzen von Galaxien antreiben“, sagte Ramesh Narayan, Professor an der Harvard University und führend in der Arbeit an der EHT-Theorie. „Endlich ein Schwarzes Loch in Aktion zu sehen, das sein nahes Licht in einen hellen Ring verwandelt, ist eine atemberaubende Bestätigung dafür, dass supermassive Schwarze Löcher existieren und dem Aussehen entsprechen, das von unseren Simulationen erwartet wird.“
Während Astronomen seit vielen Jahren Schwarze Löcher untersuchen, erfordert die Erstellung eines Bildes ein neues Teleskop mit beispielloser Auflösung, damit es feine Details erkennen kann. Dazu kombiniert das EHT die Signale eines Arrays von acht bestehenden Teleskopen auf der ganzen Welt, darunter das Submillimeter Array (SMA) auf Maunakea in Hawaii. Wie CFA-Ingenieur Jonathan Weintroub erklärt: „Die Auflösung des EHT hängt von der Trennung zwischen den Teleskopen, der so genannten Baseline, sowie den beobachteten kurzen Millimeter-Radiowellenlängen ab. Die beste Auflösung im EHT ergibt sich aus der längsten Grundlinie, die sich für M87 von Hawaii bis Spanien erstreckt. Weintroub, der die Instrumentenentwicklungsgruppe des EHT koordiniert, fügte hinzu: „Um die Long-Baseline-Empfindlichkeit zu optimieren und Detektionen zu ermöglichen, haben wir ein spezielles System entwickelt, das die Signale aller verfügbaren SMA-Schalen auf Maunakea addiert. In diesem Modus fungiert die SMA als einzelne EHT-Station.“
Nachdem die Signale an allen acht Teleskopen separat aufgezeichnet wurden, werden die Daten an einen einzigen Ort geflogen, um rechnerisch zu dem kombiniert zu werden, was von einem Teleskop in Erdgröße gemessen werden würde. „Das EHT zeichnet Millionen von Gigabyte an Daten von vielen Teleskopen auf, die ursprünglich nicht für die Zusammenarbeit entwickelt wurden“, sagte Lindy Blackburn, die das EHT-Team für Datenverarbeitung und Kalibrierung leitete. „Wir haben mehrere Wege entwickelt, um die Daten zu verarbeiten und zu kalibrieren, indem wir neue Algorithmen verwendet haben, um die Erdatmosphäre rechnerisch zu stabilisieren und die Signale von allen Standorten innerhalb von Billionstelsekunden präzise auszurichten.“
Um die EHT-Daten in ein Bild zu verwandeln, mussten neue Methoden und Verfahren entwickelt werden. „Wir waren erst bereit, unsere Bilder zu veröffentlichen, nachdem wir versucht hatten, sie auf jede erdenkliche Weise zu brechen“, sagte Andrew Chael, ein Harvard-Student am CfA, der eine neue Imaging-Softwarebibliothek für das EHT entwickelte. „Um unsere Ergebnisse zu bestätigen, verglichen wir Bilder von vier unabhängigen Gruppen von Wissenschaftlern mit drei verschiedenen bildgebenden Methoden.“ Diese Tests wurden von Katie Bouman, einer CFA-Postdoc, die in Elektrotechnik und Informatik promoviert hat, entworfen und geleitet. Bouman sagte: „Wir sind ein Schmelztiegel von Astronomen, Physikern, Mathematikern und Ingenieuren, und das war es, was nötig war, um etwas zu erreichen, das einst für unmöglich gehalten wurde.“
Michael Johnson, ein CFA-Astrophysiker, der die lokalen EHT-Wissenschafts- und Bildgebungsbemühungen leitet, freut sich auf die Zukunft. „Unser Bild zeigt, dass dieses riesige Schwarze Loch – groß genug, um das Sonnensystem zu verschlingen — einen Strahl verankert, der sich über Zehntausende von Lichtjahren erstreckt. Die Erweiterung des EHT könnte Filme ermöglichen, die die Dynamik dieses lebenden Systems enthüllen und zeigen, wie der Jet seine Energie aus dem Schwarzen Loch bezieht.“
Neben den oben aufgeführten haben viele andere am CfA auf unzählige und unschätzbare Weise dazu beigetragen. Die folgenden CfA-Wissenschaftler und Ingenieure sind Co-Autoren aller sechs Arbeiten: Mislav Baloković, Lindy Blackburn, Katie Bouman, Roger Brissenden, Andrew Chael, Shep Doeleman, Joseph Farah, Mark Gurwell, David James, Michael Johnson, Garrett Keating, Jim Moran, Ramesh Narayan, Daniel Palumbo, Nimesh Patel, Dominic Pesce, Alexander W. Raymond, Jonathan Weintroub, Maciek Wielgus und Ken Young.
Eine Liste der Biografien von CfA-Wissenschaftlern, die am EHT arbeiten, finden Sie unter https://www.cfa.harvard.edu/news/fe2019-01.
Das EHT und viele seiner Schlüsselwissenschaftler werden von einer Mischung aus öffentlichen (z., Steuerzahler) Quellen wie die National Science Foundation (NSF) und das Smithsonian sowie die Großzügigkeit privater Einrichtungen wie der Templeton Foundation und der Gordon and Betty Moore Foundation (GBMF). Die NSF hat die kontinuierliche Weiterentwicklung des EHT über mehr als ein Jahrzehnt finanziert, und das Smithsonian, das über SAO verwaltet wird, hat sieben Jahre lang Mittel bereitgestellt. Doeleman erhielt Zuschüsse von der NSF sowie von der GBMF und der John Templeton Foundation. Die GBMF finanzierte ab 2012 wichtige technische Entwicklungen und war maßgeblich am Aufbau der SAO-Gruppe beteiligt.
SAO ist eines der 13 Stakeholder-Institute für den EHT-Vorstand, und das CfA beherbergt das Array Operations Center für EHT-Beobachtungen. Die SMA ist ein Gemeinschaftsprojekt des Smithsonian Institute und der Academia Sinica Institute of Astronomy and Astrophysics (ASIAA) in Taiwan. Das von ASIAA und SAO finanzierte Greenland Telescope schloss sich im April 2018 zum zweiten Mal dem EHT an.
Weitere Informationen zum EHT und zu diesem bahnbrechenden Ergebnis finden Sie unter eventhorizontelescope.org und folgen Sie @ehtelescope in den sozialen Medien. Die Website für das CfA, das in sechs Forschungsabteilungen organisiert ist, um den Ursprung, die Entwicklung und das endgültige Schicksal des Universums zu untersuchen, ist cfa.harvard.edu .
Die sechs Papiere, die diese Ergebnisse in den Astrophysical Journal Letters berichten, sind:
Papier I: Der Schatten des supermassiven Schwarzen Lochs
Papier II: Array und Instrumentierung
Papier III: Datenverarbeitung und Kalibrierung
Papier IV: Abbildung des zentralen supermassiven Schwarzen Lochs
Papier V : Physikalischer Ursprung des asymmetrischen Rings
Papier VI: Der Schatten und die Masse des zentralen Schwarzen Lochs
