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3 Riesige Fragen, die das Bild des Schwarzen Lochs nicht beantwortet hat

Ein internationales Netzwerk von Radioteleskopen hat das erste Nahaufnahmebild des Schattens eines Schwarzen Lochs erstellt, das Wissenschaftler heute Morgen (10. Die Zusammenarbeit, genannt Event Horizon Telescope, bestätigte jahrzehntelange Vorhersagen darüber, wie sich Licht um diese dunklen Objekte herum verhalten würde, und ebnete den Weg für eine neue Ära der Astronomie mit Schwarzen Löchern.

„Von einer Skala von Null bis erstaunlich war es erstaunlich“, sagte Erin Bonning, Astrophysikerin und Forscherin für Schwarze Löcher an der Emory University, die nicht an der Bildgebung beteiligt war.

„Das heißt, es war das, was ich erwartet hatte“, sagte sie zu Live Science.

Die Ankündigung, die etwa anderthalb Wochen im Voraus gehänselt wurde, war sowohl unglaublich aufregend als auch fast völlig frei von überraschenden Details oder neuer Physik. Die Physik ist nicht zusammengebrochen. Es wurden keine unerwarteten Merkmale von Schwarzen Löchern entdeckt. Das Bild selbst passte fast perfekt zu Illustrationen von Schwarzen Löchern, die wir in Wissenschaft und Popkultur gewohnt sind. Der große Unterschied ist, dass es viel verschwommener ist.

Es gab einige wichtige Fragen im Zusammenhang mit Schwarzen Löchern, die jedoch ungelöst blieben, sagte Bonning.

Wie erzeugen Schwarze Löcher ihre riesigen Jets heißer, schneller Materie?

Alle supermassiven Schwarzen Löcher haben die Fähigkeit, Materie in der Nähe aufzusaugen, den größten Teil davon über ihren Ereignishorizont hinaus zu absorbieren und den Rest mit nahezu Lichtgeschwindigkeit in lodernden Türmen, die Astrophysiker „relativistische Jets“ nennen, in den Weltraum auszuspucken.“

Und das Schwarze Loch im Zentrum von Virgo A (auch Messier 87 genannt) ist berüchtigt für seine beeindruckenden Jets, die Materie und Strahlung im gesamten Weltraum ausspucken. Seine relativistischen Jets sind so groß, dass sie der umgebenden Galaxie vollständig entkommen können.

Ein Hubble-Bild von 1998 zeigt den relatavistischen Jet, der Virgo A entkommt. (Bildnachweis: J. A. Biretta et al., Hubble Heritage Team (STScI /AURA), NASA)

Und Physiker kennen die großen Striche, wie dies geschieht: Das Material beschleunigt auf extreme Geschwindigkeiten, wenn es in die Schwerkraft des Schwarzen Lochs fällt, dann entweicht etwas davon, während es diese Trägheit beibehält. Aber Wissenschaftler sind sich nicht einig über die Details, wie dies geschieht. Dieses Bild und die dazugehörigen Papiere bieten noch keine Details.

Das herauszufinden, sagte Bonning, wird eine Frage der Verknüpfung von Event Horizons Telescope Beobachtungen – die eine ziemlich kleine Menge an Raum abdecken – mit den viel größeren Bildern von relativistischen Jets sein.

Während die Physiker noch keine Antworten haben, sagte sie, gibt es eine gute Chance, dass sie bald kommen werden — besonders wenn die Zusammenarbeit Bilder ihres zweiten Ziels produziert: das supermassive Schwarze Loch Sagittarius A * im Zentrum unserer eigenen Galaxie, das keine Jets wie Virgo A produziert. Ein Vergleich der beiden Bilder, sagte sie, könnte etwas Klarheit bieten.

Wie passen Allgemeine Relativitätstheorie und Quantenmechanik zusammen?

Wenn Physiker zusammenkommen, um über eine wirklich aufregende neue Entdeckung zu sprechen, können Sie erwarten, dass jemand vorschlägt, dass dies zur Erklärung der „Quantengravitation“ beitragen könnte.“

Das liegt daran, dass die Quantengravitation das große Unbekannte in der Physik ist. Seit etwa einem Jahrhundert arbeiten Physiker mit zwei verschiedenen Regeln: der Allgemeinen Relativitätstheorie, die sehr große Dinge wie die Schwerkraft abdeckt, und der Quantenmechanik, die sehr kleine Dinge abdeckt. Das Problem ist, dass sich diese beiden Regelbücher direkt widersprechen. Die Quantenmechanik kann die Schwerkraft nicht erklären, und die Relativitätstheorie kann das Quantenverhalten nicht erklären.

Eines Tages hoffen Physiker, die beiden in einer großen einheitlichen Theorie miteinander zu verbinden, die wahrscheinlich eine Art Quantengravitation beinhaltet.

Und vor der heutigen Ankündigung gab es Spekulationen, dass es einen Durchbruch zu diesem Thema geben könnte. (Wenn die Vorhersagen der allgemeinen Relativitätstheorie im Bild nicht bestätigt worden wären, hätte das den Ball vorwärts bewegt.) Während einer Pressekonferenz der National Science Foundation schlug Avery Broderick, Physiker an der University of Waterloo in Kanada und Mitarbeiter des Projekts, vor, dass solche Antworten kommen könnten.

Aber Bonning war skeptisch gegenüber dieser Behauptung. Dieses Bild war aus Sicht der allgemeinen Relativitätstheorie völlig überraschend, so dass es keine neue Physik bot, die die Lücke zwischen den beiden Feldern schließen könnte, sagte Bonning.

Dennoch ist es nicht verrückt, dass die Menschen auf Antworten aus dieser Art von Beobachtung hoffen, sagte sie, weil der Rand des Schattens eines Schwarzen Lochs relativistische Kräfte in winzige, quantengroße Räume bringt.

„Wir würden erwarten, die Quantengravitation sehr, sehr nahe am Ereignishorizont oder sehr, sehr früh im frühen Universum zu sehen“, sagte sie.

Aber bei der immer noch verschwommenen Auflösung des Event Horizons Telescope, sagte sie, werden wir diese Art von Effekten wahrscheinlich nicht finden, selbst bei geplanten Upgrades.

Waren Stephen Hawkings Theorien so korrekt wie Einsteins?

Der größte frühe Beitrag des Physikers Stephen Hawking zur Physik war die Idee der „Hawking-Strahlung“ — dass Schwarze Löcher nicht wirklich schwarz sind, sondern im Laufe der Zeit kleine Mengen an Strahlung emittieren. Das Ergebnis war enorm wichtig, denn es zeigte, dass ein Schwarzes Loch, sobald es aufhört zu wachsen, sehr langsam durch den Energieverlust schrumpfen wird.

Aber das Event Horizons Telescope bestätigte oder leugnete diese Theorie nicht, sagte Bonning, nicht dass irgendjemand damit gerechnet hätte.

Riesige Schwarze Löcher wie das in Virgo A emittieren im Vergleich zu ihrer Gesamtgröße nur minimale Mengen an Hawking-Strahlung. Während unsere fortschrittlichsten Instrumente jetzt die hellen Lichter ihrer Ereignishorizonte erkennen können, besteht kaum eine Chance, dass sie jemals das ultradämpfte Leuchten der Oberfläche eines supermassiven Schwarzen Lochs herausholen werden.

Diese Ergebnisse, sagte sie, werden wahrscheinlich von den kleinsten Schwarzen Löchern stammen — theoretischen, kurzlebigen Objekten, die so klein sind, dass Sie ihren gesamten Ereignishorizont in Ihre Hand nehmen könnten. Mit der Möglichkeit für hautnahe Beobachtungen und viel mehr Strahlung im Vergleich zu ihrer Gesamtgröße könnten Menschen schließlich herausfinden, wie sie eine produzieren oder finden und ihre Strahlung detektieren können.

Was haben wir eigentlich aus diesem Bild gelernt?

Zuerst erfuhren die Physiker, dass Einstein wieder einmal Recht hatte. Der Rand des Schattens ist, soweit das Event Horizons Telescope sehen kann, ein perfekter Kreis, genau wie Physiker im 20.Jahrhundert, die mit Einsteins allgemeinen Relativitätsgleichungen arbeiteten, vorhergesagt haben.

„Ich glaube nicht, dass irgendjemand überrascht sein sollte, wenn ein weiterer Test der allgemeinen Relativitätstheorie besteht“, sagte Bonning. „Wenn sie auf die Bühne gegangen wären und gesagt hätten, dass die allgemeine Relativitätstheorie gebrochen sei, wäre ich von meinem Stuhl gefallen.“

Das Ergebnis mit unmittelbareren, praktischen Auswirkungen war, dass das Bild es Wissenschaftlern ermöglichte, die Masse dieses supermassiven Schwarzen Lochs, das 55 Millionen Lichtjahre entfernt im Herzen der Virgo A-Galaxie liegt, genau zu messen. Es ist 6,5 Milliarden Mal massereicher als unsere Sonne.

Das ist eine große Sache, sagte Bonning, weil es die Art und Weise verändern könnte, wie Physiker die supermassiven Schwarzen Löcher in den Herzen anderer, entfernterer oder kleinerer Galaxien wiegen.

Im Moment haben Physiker eine ziemlich genaue Messung der Masse des supermassiven Schwarzen Lochs im Herzen der Milchstraße, sagte Bonning, weil sie beobachten können, wie seine Schwerkraft einzelne Sterne in seiner Nachbarschaft bewegt.

Aber in anderen Galaxien können unsere Teleskope die Bewegungen einzelner Sterne nicht sehen, sagte sie. Physiker bleiben also bei raueren Messungen hängen: Wie die Masse des Schwarzen Lochs das Licht beeinflusst, das aus verschiedenen Sternschichten in der Galaxie kommt, oder wie seine Masse das Licht beeinflusst, das aus verschiedenen Schichten frei schwebenden Gases in der Galaxie kommt.

Aber diese Berechnungen sind unvollkommen, sagte sie.

„Man muss ein sehr komplexes System modellieren“, sagte sie.

Und die beiden Methoden führen in jeder Galaxie, die Physiker beobachten, zu etwas anderen Ergebnissen. Aber zumindest für das Schwarze Loch in Virgo A wissen wir jetzt, dass eine Methode richtig ist.

„Unsere Bestimmung von 6.5 Milliarden Sonnenmassen landen direkt auf der schwereren Masse, aus der sie stammen „, sagte Sera Markoff, Astrophysikerin an der Universität Amsterdam und Mitarbeiterin des Projekts, in der Pressekonferenz.

Das bedeutet nicht, dass Physiker einfach zu diesem Ansatz übergehen werden, um die Massen von Schwarzen Löchern zu messen, sagte Bonning. Es bietet jedoch einen wichtigen Datenpunkt für die Verfeinerung zukünftiger Berechnungen.

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Ursprünglich auf Live Science veröffentlicht.

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