Event Horizon Telescope – Die bisher schärfsten Beobachtungen von der Erdoberfläche aus

Die Event Hori­zon Telescope (EHT) Col­la­bo­ra­ti­on hat Test­be­ob­ach­tun­gen mit dem Ata­ca­ma Lar­ge Millimeter/submillimeter Array (ALMA) und ande­ren Tele­sko­pen durch­ge­führt, die die höchs­te Auf­lö­sung erreich­ten, die jemals von der Erd­ober­flä­che aus erzielt wur­de [1]. Sie schaff­ten die­ses Meis­ter­stück, indem sie Licht von ent­fern­ten Gala­xien bei einer Fre­quenz von etwa 345 GHz, was einer Wel­len­län­ge von 0,87 mm ent­spricht, detek­tier­ten. Die For­schungs­grup­pe schätzt, dass sie in Zukunft Bil­der von Schwar­zen Löchern erstel­len kön­nen, die 50 % detail­lier­ter sind als bis­her. Dadurch wird die Regi­on unmit­tel­bar außer­halb der Gren­ze zu nahe gele­ge­nen super­mas­se­rei­chen Schwar­zen Löchern schär­fer dar­ge­stellt. Außer­dem kön­nen sie mehr Schwar­ze Löcher abbil­den als bis­her. Die neu­en Mes­sun­gen, die Teil eines Pilot­ver­suchs sind, wur­den heu­te im Astro­no­mic­al Jour­nal veröffentlicht.

Die EHT-Kol­la­bo­ra­ti­on ver­öf­fent­lich­te 2019 Bil­der von M87*, dem super­mas­se­rei­chen Schwar­zen Loch im Zen­trum der Gala­xie M87, und 2022 Bil­der von Sgr A*, dem Schwar­zen Loch im Her­zen unse­rer Milch­stra­ßen­ga­la­xie. Die­se Bil­der wur­den durch die Ver­knüp­fung meh­re­rer Radio­ob­ser­va­to­ri­en auf der gan­zen Welt mit­hil­fe einer Tech­nik erstellt, die als Very Long Base­line Inter­fe­ro­me­try (VLBI) bezeich­net wird, um ein ein­zi­ges „erd­gro­ßes“ vir­tu­el­les Tele­skop zu bilden.

Um Bil­der mit höhe­rer Auf­lö­sung zu erhal­ten, ver­las­sen sich Astro­no­men in der Regel auf grö­ße­re Tele­sko­pe – oder auf einen grö­ße­ren Abstand zwi­schen den Obser­va­to­ri­en, die als Teil eines Inter­fe­ro­me­ters arbei­ten. Da das EHT jedoch bereits die Grö­ße der Erde hat­te, erfor­der­te ein höhe­res Auf­lö­sungs­ver­mö­gen bei den boden­ge­stütz­ten Beob­ach­tun­gen einen ande­ren Ansatz. Eine wei­te­re Mög­lich­keit, die Auf­lö­sung eines Tele­skops zu erhö­hen, besteht dar­in, Licht mit einer kür­ze­ren Wel­len­län­ge zu beob­ach­ten – und genau das hat die EHT-Kol­la­bo­ra­ti­on nun getan.

„Mit dem EHT haben wir die ers­ten Auf­nah­men von Schwar­zen Löchern mit einer Wel­len­län­ge von 1,3 mm gemacht. Der hel­le Ring, der durch die Licht­beu­gung in der Schwer­kraft des Schwar­zen Lochs ent­stand, sah jedoch immer noch ver­schwom­men aus. Wir stie­ßen an die abso­lu­ten Gren­zen der Schär­fe, mit der wir die Bil­der auf­neh­men konn­ten“, so Alex­an­der Ray­mond, einer der bei­den Lei­ter der Stu­die. Er war zuvor Post­dok­to­rand am Cen­ter for Astro­phy­sics | Har­vard & Smit­h­so­ni­an (CfA) und ist jetzt am Jet Pro­pul­si­on Labo­ra­to­ry tätig, bei­de in den Ver­ei­nig­ten Staa­ten. „Bei 0,87 mm wer­den unse­re Bil­der schär­fer und detail­lier­ter sein. Dadurch wer­den wir wahr­schein­lich neue Eigen­schaf­ten ent­de­cken, sowohl sol­che, die bereits vor­her­ge­sagt wur­den, als auch eini­ge über­ra­schen­de.“

Um zu zei­gen, dass Mes­sun­gen bei 0,87 mm mög­lich sind, unter­nahm die Kol­la­bo­ra­ti­on Test­be­ob­ach­tun­gen ent­fern­ter, hel­ler Gala­xien bei die­ser Wel­len­län­ge [2]. Anstatt das gesam­te Netz­werk des EHT zu ver­wen­den, nutz­ten sie zwei klei­ne­re Teil­sys­te­me, die sowohl ALMA als auch das Ata­ca­ma Path­fin­der EXpe­ri­ment (APEX) in der Ata­ca­ma-Wüs­te in Chi­le beinhal­te­ten. Die Euro­päi­sche Süd­stern­war­te (ESO) ist ein Part­ner von ALMA und einer der Betrei­ber von APEX. Zu den wei­te­ren genutz­ten Stütz­punk­ten gehö­ren das 30-Meter-Tele­skop IRAM in Spa­ni­en und das NOr­t­hern Exten­ded Mil­li­me­ter Array (NOEMA) in Frank­reich sowie das Grön­land-Tele­skop und das Sub­mil­li­me­ter Array in Hawaiʻi.

In die­sem Pilot­ver­such gelang es den For­schern, Beob­ach­tun­gen mit einer Detail­ge­nau­ig­keit von 19 Mikro­bo­gen­se­kun­den durch­zu­füh­ren, was bedeu­tet, dass sie mit der bis­her höchs­ten Auf­lö­sung von der Erd­ober­flä­che aus beob­ach­te­ten. Aller­dings konn­ten sie noch kei­ne Bil­der pro­du­zie­ren: Zwar wie­sen sie das Licht meh­re­rer ent­fern­ter Gala­xien zuver­läs­sig nach. Die Anzahl der ver­wen­de­ten Emp­fän­ger reich­te jedoch nicht aus, um aus den Daten ein genau­es Bild rekon­stru­ie­ren zu können.

Die­ser Tech­no­lo­gie­test hat ein neu­es Fens­ter zur Erfor­schung von Schwar­zen Löchern geöff­net. Mit dem voll­stän­di­gen Array könn­te das EHT Details von nur 13 Mikro­bo­gen­se­kun­den Grö­ße nach­wei­sen, so als wür­de man von der Erde aus eine Mün­ze auf dem Mond erken­nen. Bei einer Wel­len­län­ge von 0,87 mm soll­ten also Bil­der zu erzie­len sein, deren Auf­lö­sung etwa 50 % bes­ser ist als die der zuvor ver­öf­fent­lich­ten Bil­der von M87* und SgrA* bei 1,3 mm. Dar­über hin­aus besteht die Mög­lich­keit, wei­ter ent­fern­te, klei­ne­re und schwä­che­re Schwar­ze Löcher zu beob­ach­ten als die bei­den, die die Kol­la­bo­ra­ti­on bis­her abge­bil­det hat.

EHT-Grün­dungs­di­rek­tor She­perd „Shep“ Doe­le­man, Astro­phy­si­ker am CfA und Co-Lei­ter der Stu­die, sagt: „Indem wir Ver­än­de­run­gen im umge­ben­den Gas bei ver­schie­de­nen Wel­len­län­gen unter­su­chen, kön­nen wir das Rät­sel lösen, wie Schwar­ze Löcher Mate­rie anzie­hen und auf­neh­men und wie sie leis­tungs­star­ke Jets erzeu­gen kön­nen, die über galak­ti­sche Ent­fer­nun­gen hin­aus­rei­chen.“

Zum ers­ten Mal wur­de die VLBI-Tech­nik erfolg­reich bei einer Wel­len­län­ge von 0,87 mm ein­ge­setzt. Zwar war es bereits vor den neu­en Mes­sun­gen mög­lich, den Nacht­him­mel bei 0,87 mm zu beob­ach­ten, doch war die Anwen­dung der VLBI-Tech­nik bei die­ser Wel­len­län­ge immer mit Her­aus­for­de­run­gen ver­bun­den, deren Bewäl­ti­gung Zeit und tech­no­lo­gi­sche Fort­schrit­te erfor­der­te. So absor­biert Was­ser­dampf in der Atmo­sphä­re Strah­lung bei 0,87 mm viel stär­ker als bei 1,3 mm, was es für Radio­te­le­sko­pe schwie­ri­ger macht, Signa­le von Schwar­zen Löchern bei der kür­ze­ren Wel­len­län­ge zu emp­fan­gen. Die Ent­wick­lung von VLBI hin zu kür­ze­ren Wel­len­län­gen, ins­be­son­de­re in den Sub­mil­li­me­ter­be­reich, ver­lief nur lang­sam. Das lag an den zuneh­mend stär­ke­ren atmo­sphä­ri­schen Tur­bu­len­zen und der ver­mehr­ten Rausch­bil­dung bei die­sen Wel­len­län­gen. Hin­zu kam die Schwie­rig­keit, die glo­ba­len Wet­ter­ver­hält­nis­se bei emp­find­li­chen Beob­ach­tun­gen zu kon­trol­lie­ren. Doch mit die­sen neu­en Beob­ach­tun­gen hat sich das nun geändert.

„Die­se Signal­mes­sun­gen mit dem VLBI bei 0,87 mm sind bahn­bre­chend, da sie ein neu­es Beob­ach­tungs­fens­ter für die Unter­su­chung super­mas­se­rei­cher Schwar­zer Löcher öff­nen“, erklärt Tho­mas Krich­baum, Mit­au­tor der Stu­die vom Max-Planck-Insti­tut für Radio­as­tro­no­mie in Bonn, Deutsch­land. Die­se For­schungs­ein­rich­tung betreibt zusam­men mit der ESO das APEX-Tele­skop. Er fügt hin­zu: „In Zukunft wird die Kom­bi­na­ti­on der IRAM-Tele­sko­pe in Spa­ni­en (IRAM-30m) und Frank­reich (NOEMA) mit ALMA und APEX die gleich­zei­ti­ge Abbil­dung von noch klei­ne­ren und schwä­che­ren Emis­sio­nen als bis­her bei zwei Wel­len­län­gen, 1,3 mm und 0,87 mm, ermög­li­chen.“

Endnoten

[1] Es gab bereits astro­no­mi­sche Beob­ach­tun­gen mit höhe­rer Auf­lö­sung, aber die­se wur­den durch die Kom­bi­na­ti­on von Signa­len von Tele­sko­pen am Boden mit einem Tele­skop im Welt­raum erzielt: https://www.mpifr-bonn.mpg.de/pressemeldungen/2022/2. Die heu­te ver­öf­fent­lich­ten neu­en Beob­ach­tun­gen sind die bis­lang detail­lier­tes­ten, die jemals nur mit boden­ge­stütz­ten Tele­sko­pen erzielt wurden.

[2] Als Test für ihre Beob­ach­tun­gen rich­te­te die EHT-Kol­la­bo­ra­ti­on die Anten­nen auf sehr weit ent­fern­te „akti­ve“ Gala­xien, die von super­mas­si­ven Schwar­zen Löchern in ihren Ker­nen ange­trie­ben wer­den und sehr hell sind. Die­se Arten von Quel­len hel­fen bei der Kali­brie­rung der Beob­ach­tun­gen, bevor das EHT schwä­che­re Quel­len wie nahe­ge­le­ge­ne Schwar­ze Löcher anvisiert.

Weitere Informationen

Die­se For­schungs­ar­beit der EHT-Kol­la­bo­ra­ti­on wur­de in einem Arti­kel von A. W. Ray­mond et al. prä­sen­tiert, der heu­te in The Astro­no­mic­al Jour­nal (doi: 10.3847/1538–3881/ad5bdb) ver­öf­fent­licht wurde.

An der EHT-Kol­la­bo­ra­ti­on sind mehr als 400 For­schen­de aus Afri­ka, Asi­en, Euro­pa, Nord- und Süd­ame­ri­ka betei­ligt, von denen etwa 270 an die­sem Arti­kel mit­ge­wirkt haben. Ziel der inter­na­tio­na­len Zusam­men­ar­beit ist es, die detail­lier­tes­ten Bil­der von Schwar­zen Löchern zu erstel­len, die jemals auf­ge­nom­men wur­den, indem ein vir­tu­el­les Tele­skop in der Grö­ße der Erde geschaf­fen wird. Mit Unter­stüt­zung beträcht­li­cher inter­na­tio­na­ler Anstren­gun­gen ver­bin­det das EHT bestehen­de Tele­sko­pe mit­hil­fe neu­ar­ti­ger Tech­ni­ken und schafft so ein grund­le­gend neu­es Instru­ment mit der höchs­ten bis­her erreich­ten Winkelauflösung.

Das EHT-Kon­sor­ti­um besteht aus 13 betei­lig­ten Insti­tu­ten: dem Aca­de­mia Sini­ca Insti­tu­te of Astro­no­my and Astro­phy­sics, der Uni­ver­si­ty of Ari­zo­na, dem Cen­ter for Astro­phy­sics | Har­vard & Smit­h­so­ni­an, der Uni­ver­si­ty of Chi­ca­go, dem East Asi­an Obser­va­to­ry, der Goe­the-Uni­ver­si­tät Frank­furt, Insti­tut de Radio­as­tro­no­mie Mil­li­mé­tri­que, Lar­ge Mil­li­me­ter Telescope, Max-Planck-Insti­tut für Radio­as­tro­no­mie, MIT Haystack Obser­va­to­ry, Natio­nal Astro­no­mic­al Obser­va­to­ry of Japan, Peri­me­ter Insti­tu­te for Theo­re­ti­cal Phy­sics und Rad­boud University.

Das Ata­ca­ma Lar­ge Millimeter/submillimeter Array (ALMA) ist eine inter­na­tio­na­le astro­no­mi­sche Ein­rich­tung, die gemein­sam von der ESO, der US-ame­ri­ka­ni­schen Natio­nal Sci­ence Foun­da­ti­on (NSF) der USA und den japa­ni­schen Natio­nal Insti­tu­tes of Natu­ral Sci­en­ces (NINS) in Koope­ra­ti­on mit der Repu­blik Chi­le betrie­ben wird. Getra­gen wird ALMA von der ESO im Namen ihrer Mit­glieds­län­der, von der NSF in Zusam­men­ar­beit mit dem kana­di­schen Natio­nal Rese­arch Coun­cil (NRC), dem Minis­try of Sci­ence and Tech­no­lo­gy (MOST) und NINS in Koope­ra­ti­on mit der Aca­de­mia Sini­ca (AS) in Tai­wan sowie dem Korea Astro­no­my and Space Sci­ence Insti­tu­te (KASI). Bei Ent­wick­lung, Auf­bau und Betrieb ist die ESO feder­füh­rend für den euro­päi­schen Bei­trag, das Natio­nal Radio Astro­no­my Obser­va­to­ry (NRAO), das sei­ner­seits von Asso­cia­ted Uni­ver­si­ties, Inc. (AUI) betrie­ben wird, für den nord­ame­ri­ka­ni­schen Bei­trag und das Natio­nal Astro­no­mic­al Obser­va­to­ry of Japan (NAOJ) für den ost­asia­ti­schen Bei­trag. Dem Joint ALMA Obser­va­to­ry (JAO) obliegt die über­grei­fen­de Pro­jekt­lei­tung für den Auf­bau, die Inbe­trieb­nah­me und den Beob­ach­tungs­be­trieb von ALMA.

Das Ata­ca­ma Path­fin­der EXpe­ri­ment (APEX) ist ein Tele­skop mit einem Durch­mes­ser von 12 Metern, das im Mil­li­me­ter- und Sub­mil­li­me­ter­be­reich – zwi­schen Infra­rot­licht und Radio­wel­len – arbei­tet. Die ESO betreibt APEX an einem der höchst­ge­le­ge­nen Obser­va­to­ri­en der Erde, auf einer Höhe von 5100 Metern, hoch oben auf dem Cha­jnan­tor-Pla­teau in der chi­le­ni­schen Ata­ca­ma-Regi­on. APEX ist ein Pro­jekt des Max-Planck-Insti­tuts für Radio­as­tro­no­mie (MPIfR), das von der ESO im Auf­trag des MPIfR ver­wal­tet und betrie­ben wird.

Die Euro­päi­sche Süd­stern­war­te (ESO) befä­higt Wis­sen­schaft­le­rin­nen und Wis­sen­schaft­ler welt­weit, die Geheim­nis­se des Uni­ver­sums zum Nut­zen aller zu ent­de­cken. Wir ent­wer­fen, bau­en und betrei­ben Obser­va­to­ri­en von Welt­rang, die Astro­nom­in­nen und Astro­no­men nut­zen, um span­nen­de Fra­gen zu beant­wor­ten und die Fas­zi­na­ti­on der Astro­no­mie zu wecken, und wir för­dern die inter­na­tio­na­le Zusam­men­ar­beit in der Astro­no­mie. Die ESO wur­de 1962 als zwi­schen­staat­li­che Orga­ni­sa­ti­on gegrün­det und wird heu­te von 16 Mit­glied­staa­ten (Bel­gi­en, Däne­mark, Deutsch­land, Frank­reich, Finn­land, Irland, Ita­li­en, den Nie­der­lan­den, Öster­reich, Polen, Por­tu­gal, Schwe­den, der Schweiz, Spa­ni­en, der Tsche­chi­schen Repu­blik und dem Ver­ei­nig­ten König­reich) sowie dem Gast­land Chi­le und Aus­tra­li­en als stra­te­gi­schem Part­ner unter­stützt. Der Haupt­sitz der ESO und ihr Besu­cher­zen­trum und Pla­ne­ta­ri­um, die ESO Super­no­va, befin­den sich in der Nähe von Mün­chen in Deutsch­land, wäh­rend die chi­le­ni­sche Ata­ca­ma-Wüs­te, ein wun­der­ba­rer Ort mit ein­zig­ar­ti­gen Bedin­gun­gen für die Him­mels­be­ob­ach­tung, unse­re Tele­sko­pe beher­bergt. Die ESO betreibt drei Beob­ach­tungs­stand­or­te: La Sil­la, Par­anal und Cha­jnan­tor. Am Stand­ort Par­anal betreibt die ESO das Very Lar­ge Telescope und das dazu­ge­hö­ri­ge Very Lar­ge Telescope Inter­fe­ro­me­ter sowie Durch­mus­te­rungs­te­le­sko­pe wie z. B. VISTA. Eben­falls am Par­anal wird die ESO das Che­ren­kov Telescope Array South betrei­ben, das größ­te und emp­find­lichs­te Gam­ma­strah­len-Obser­va­to­ri­um der Welt. Zusam­men mit inter­na­tio­na­len Part­nern betreibt die ESO auf Cha­jnan­tor APEX und ALMA, zwei Ein­rich­tun­gen zur Beob­ach­tung des Him­mels im Mil­li­me­ter- und Sub­mil­li­me­ter­be­reich. Auf dem Cer­ro Arma­zo­nes in der Nähe von Par­anal bau­en wir „das größ­te Auge der Welt am Him­mel“ – das Extre­me­ly Lar­ge Telescope der ESO. Von unse­ren Büros in Sant­ia­go, Chi­le, aus unter­stüt­zen wir unse­re Akti­vi­tä­ten im Land und arbei­ten mit chi­le­ni­schen Part­nern und der Gesell­schaft zusammen.

Die Über­set­zun­gen von eng­lisch­spra­chi­gen ESO-Pres­se­mit­tei­lun­gen sind ein Ser­vice des ESO Sci­ence Out­reach Net­work (ESON), eines inter­na­tio­na­len Netz­werks für astro­no­mi­sche Öffent­lich­keits­ar­beit, in dem Wis­sen­schaft­ler und Wis­sen­schafts­kom­mu­ni­ka­to­ren aus allen ESO-Mit­glieds­län­dern (und eini­gen wei­te­ren Staa­ten) ver­tre­ten sind. Deut­scher Kno­ten des Netz­werks ist das Haus der Astro­no­mie in Heidelberg.

MN

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