Erstmals ist es Astronomen gelungen, eine direkte Aufnahme eines Schwarzen Loches zu machen. Dass diese seltsamen kosmischen Gebilde tatsächlich existieren, konnte zuvor nur mehr oder weniger indirekt nachgewiesen werden, durch Gravitationswellen oder indem man die seltsame Bewegung von Sternen in der Umgebung verfolgte. Nun ist, genau 100 Jahre nachdem Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie erstmals experimentell untermauert wurde, ein weiterer, vielleicht der ultimative Nachweis ihrer Richtigkeit erbracht: Schwarze Löcher sind real und sehen tatsächlich ziemlich exakt so aus wie vermutet.
Der Blick in ein Schwarzes Loch selbst ist zwar nicht besonders spannend. Es sieht ungefähr so aus wie im Keller, wenn das Licht ausgeht - vollkommen schwarz eben, denn diese sogenannte Singularität in der Raumzeit lässt nichts entweichen, nicht einmal Licht. Aber das Drumherum bietet jede Menge Leuchtkraft: Die extreme Gravitation lässt Gas um das Zentrum herumwirbeln, wo es sich stark aufheizt und Strahlung aussendet. Diese Licht- und Radiowellen wiederum werden durch die starke Krümmung der Raumzeit verbogen, sodass ein ringförmiger Kranz entsteht, mit dem schwarzen Schatten des Loches in der Mitte. Diesen Effekt sichtbar zu machen, ist ein historischer Meilenstein der Astronomie.
Bislang konnte man den Tanz des Lichts am Abgrund eines Schwarzen Loches nur auf theoretischer Grundlage simulieren; zu sehen war solch eine Simulation im Film "Interstellar". Eine direkte Beobachtung wurde lange für unmöglich gehalten - bis Astronomen vor zwei Jahren acht leistungsstarke Radioteleskope auf mehreren Erdteilen zusammenschalteten, in einem Verbund namens "Event Horizon Telescope" oder "Ereignishorizont-Teleskop" (EHT). Mit Horizont ist der Rand eines Schwarzen Loches gemeint, innerhalb dessen nichts mehr dem Sog der Gravitation entkommen kann, auch kein Licht. Der Ereignishorizont umhüllt das Schwarze Loch, das mathematisch einen Punkt darstellt. In diesem ist die Masse des Loches, ein ehemals großer Stern, in sich zusammengefallen und so stark komprimiert, dass die Raumzeit zerreißt.
Ihren Erfolg präsentierten die Wissenschaftler in sechs simultanen Pressekonferenzen
An der internationalen Kollaboration von rund 200 Forschern ist unter anderem das deutsche Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn beteiligt, an dessen Supercomputer ein Teil der Daten ausgewertet wurde. Ihre Ergebnisse präsentierten die Wissenschaftler am Mittwoch in sechs simultanen Pressekonferenzen weltweit; die zugehörigen Fachartikel erscheinen in der aktuellen Ausgabe der Astrophysical Journal Letters.
Weil Schwarze Löcher von undurchsichtiger Materie umgeben sind, und optische Fernrohre versagen, muss man die Strukturen anhand von elektromagnetischer Strahlung im Radiowellenbereich erkunden. Bislang haben die Forscher vom EHT zwei Schwarze Löcher anvisiert: Jenes im Zentrum der Galaxie Messier 87 (M87), die mit 55 Millionen Lichtjahren Entfernung vergleichsweise nah an unserer Milchstraße liegt. Und Sagittarius A*, das Schwarze Loch im Zentrum unserer Heimatgalaxie, das nur den Katzensprung von 25 000 Lichtjahren von der Erde entfernt ist. Ganz leichte Ziele sind beide nicht. Das Schwarze Loch in M87 ist zwar mit rund 6,5 Milliarden Sonnenmassen sehr groß und mehr als tausendmal so schwer wie Sagittarius A*. Dafür ist die Entfernung aber auch gut 2000 Mal so groß. Trotzdem erwies sich M87 letztendlich als fotogener, auch weil dieses Schwarze Loch einigermaßen stillhält, statt zu flimmern wie jenes in der Milchstraße. Ein Bild des Massemonsters in unserer Milchstraße soll dann vermutlich in einer weiteren Publikation folgen, wenn die Auswertung der Daten abgeschlossen ist.
"Dieses typische, ringförmige Muster, das durch die Ablenkung des Lichts entsteht, ist wie ein Fingerabdruck; das passt sehr gut zu den Simulationen", sagt Karl Schuster, Direktor am Iram. Das internationale Institut für Radioastronomie, an dem auch die deutsche Max-Planck-Gesellschaft beteiligt ist, betreibt mit dem 30-Meter-Radioteleskop in der Sierra Nevada eines der von EHT benutzten Teleskope. Ende 2018 kam mit dem neuen Teleskop Noema in den französischen Alpen ein weiteres hinzu. Die Auflösung, welche die Aufnahme ermöglicht hat, ist atemberaubend. Laut den Wissenschaftlern beträgt der Winkel, in dem zwei noch unterscheidbare Strukturen in M87 zu sehen sind, nur 20 Millionstel einer Bogensekunde. Jede Bogensekunde ist der 3600ste Teil eines Grades.
Oder, wie es EHT-Vertreter gerne formulieren: Es entspricht einem Fernrohr, mit dessen Hilfe man von Deutschland aus eine Zeitung in New York lesen kann (gäbe es keine Erdkrümmung und Lufttrübung). Da die Auflösung proportional zur Öffnung der Teleskopantenne ist, braucht man für die eben genannte Präzision ein absurd großes Teleskop - oder mehrere einzelne in großem Abstand, die verknüpft werden. Genau das geschah: Für das EHT wurden acht Teleskope weltweit zu einem virtuellen Radioteleskop zusammengeschaltet, dessen Öffnung (Apertur) somit annähernd dem Durchmesser des Erdballs entspricht. Das ist technisch anspruchsvoll, weil alle Teleskope perfekt synchron arbeiten müssen; auch die Datenauswertung ist sehr komplex.
Es gibt so viele Daten, dass man sie auf Festplatten transportiert, statt das Internet zu nutzen
Insgesamt fielen bei den wenigen Beobachtungstagen im April 2017, deren Ergebnisse jetzt präsentiert wurden, etwa vier Petabyte Daten an, verteilt auf acht Teleskope. Das lässt sich tatsächlich leichter physisch auf Festplatten transportieren als über das Internet, zumal die abgelegeneren Teleskope ohnehin nicht über eine schnelle Datenverbindung verfügen. Aber bis die Festplatten an den zwei Auswertungsorten am MPI für Radioastronomie in Bonn und am Haystack Observatory in den USA angekommen waren, dauerte es monatelang; nicht zuletzt musste man auf den antarktischen Sommer warten, bevor ein Teleskop am Südpol seine Datenspeicher auf die Reise schicken konnte.
"Über viele Jahrzehnte konnten wir Schwarze Löcher nur indirekt nachweisen", sagt Michael Kramer, Direktor am Max-Planck-Institut für Radioastronomie in einer Mitteilung des Instituts. Dann kamen seit 2015 die Messungen von Gravitationswellen hinzu, die die Verschmelzung Schwarzer Löcher sozusagen hörbar gemacht haben. "Nun können wir sie endlich auch sehen."
Das eröffnet Astronomen neue Möglichkeiten: Nicht nur können sie Schwarze Löcher deutlich besser untersuchen. "Ganz streng genommen wissen wir noch immer nicht, ob es sich bei dem zentralen Objekt in M87 wirklich um ein Schwarzes Loch handelt", sagt Karl Schuster vom Iram. Auch wenn alles darauf hindeutet, es bleibt spannend, solche Objekte näher zu betrachten und exotische Erklärungen wie Bosonen- oder Gravasterne auszuschließen. Die Forscher haben auch einen neuen Einblick in die Entstehung von Galaxien gewonnen, die, so wird es vermutet, fast alle ein sehr großes Schwarzes Loch im Zentrum haben. Und sie hoffen, künftig rotierende Neutronensterne - sogenannte Pulsare - in dem extrem starken Gravitationsfeld des Schwarzen Loches in der Milchstraße untersuchen zu können, um die Allgemeine Relativitätstheorie weiter zu testen.
"Jetzt fängt der Spaß erst an", sagt Schuster. "Wir wissen nun, dass es funktioniert, jetzt können wir die Methode verfeinern und die Auflösung weiter verbessern." Künftig soll auch der Jet untersucht werden, jener Strom von Materie, den das Schwarze Loch im Zentrum von M87 bis zu 5000 Lichtjahre weit ins All hinausschleudert. Unklar ist bislang zudem noch, auf welche Weise das Schwarze Loch in M87 rotiert. Schuster hofft, künftig auch diese Rotation direkt beobachten zu können. Was übrigens bedeutet, der Raumzeit selbst beim Drehen zuzuschauen, denn wenn ein Schwarzes Loch rotiert, dreht sie sich mit.
