20.04.2018

Im Schatten des schwarzen Lochs

Simulationen zeigen ähnliches Verhalten von schwarzen Standard-Löchern und solchen, die alter­nativen Gravitations­theorien gehorchen.

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* (Sgr A*) erstellt, dem Kandidaten eines super­masse­reichen schwarzen Lochs im Zentrum unserer Milch­straße. Sie wollen damit nicht nur prüfen, ob schwarze Löcher existieren, sondern auch, ob sich schwarzen Löcher im Rahmen von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie von denjenigen unterscheiden lassen, die in alternativen Schwer­kraft­theorien auftreten.

Abb.: Simulationen der Schattenbilder von Sgr A* , berechnet für ein schwarzes Loch des „Kerr”-Typs (ART, obere Reihe), und des „Dilaton”-Typs (alternative Schwerkrafttheorie, untere Reihe; Bild: Fromm, Younsi, Mizuno, Rezzolla / Frankfurt)

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 Sgr 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.

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 „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 Yosuke Mizuno.

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 Einsteinschen Sinne unterscheiden, sich in den simulierten Erscheinungs­bildern kaum noch voneinander unterscheiden lassen.

„Unsere Ergebnisse legen nahe, dass 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“, sagt Michael Kramer, Direktor am Max-Planck-Institut für Radio­astronomie in Bonn. Heino Falcke, Professor an der nieder­ländischen Radboud-Universität, ist 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 zwanzig Jahren als erster vorgeschlagen, Radio­teleskope zu benutzen, um die Schatten von schwarzen Löchern abzubilden.

MPIfR / DE

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