5 Fragen, die Ihnen helfen, das erste Foto des Schwarzen Lochs im Zentrum der Milchstraße schnell zu verstehen

Letzte Nacht wurde das erste Foto des Schwarzen Lochs im Zentrum der Milchstraße veröffentlicht.

Erstes Foto eines Schwarzen Lochs im Zentrum der Milchstraße! (Bereitgestellt von der EHT Collaborative Organization)

Am 12. Mai um 21:07 Uhr zeigten Astronomen auf einer Pressekonferenz, die gleichzeitig auf der ganzen Welt, darunter auch in Shanghai, stattfand, das erste Foto des supermassereichen Schwarzen Lochs im Zentrum unserer Milchstraße!

Dieses Foto wurde von einem internationalen Forschungsteam „aufgenommen“, das von der Event Horizon Telescope (EHT)-Kollaboration mithilfe eines Netzwerks von Radioteleskopen auf der ganzen Welt organisiert wurde.

Wir sind alle sehr aufgeregt, als wir dieses Foto des Schwarzen Lochs im Zentrum der Milchstraße sehen, denn es ist drei Jahre her, seit am 10. April 2019 das erste Foto eines Schwarzen Lochs veröffentlicht wurde. Jetzt wirft dieses wertvolle Foto weitere Fragen auf, die darauf warten, von uns erforscht und entdeckt zu werden.

Frage 1: Das Schwarze Loch im Zentrum der Milchstraße ist näher an der Erde. Warum wurde das erste Schwarze Loch nicht fotografiert?

Seitdem die Menschen 2019 das erste Foto eines Schwarzen Lochs gesehen haben (das Foto des Schwarzen Lochs im Zentrum von M87), sind sie von dem Foto des Schwarzen Lochs im Zentrum ihrer eigenen Galaxie besessen und haben es immer in ihren Herzen behalten.

Nachdem das Foto 2017 aufgenommen wurde, erhielten wir zwei Jahre später, 2019, ein Foto des Schwarzen Lochs von M87, das 55 Millionen Lichtjahre von uns entfernt ist. Dies ist das einzige Mal, dass wir das Erscheinungsbild eines Schwarzen Lochs deutlich beobachten konnten. Im Vergleich zum Schwarzen Loch in der Milchstraße hat das Schwarze Loch M87 einen großen Vorteil. Seine Rotationsachse beträgt nur 17 Grad und wir können es fast entlang der Richtung seiner Rotationsachse sehen, es gibt also fast keine Behinderung, sodass es für uns relativ einfach ist, das Foto des Schwarzen Lochs M87 zu sehen.

Foto des Schwarzen Lochs im Zentrum von M87 (bereitgestellt von der EHT-Kollaboration)

Das supermassereiche Schwarze Loch der Milchstraße ist das supermassereiche Schwarze Loch unserer eigenen Galaxie und befindet sich im Zentrum der Milchstraße. Manche Leute werden sich bestimmt denken: Ist es nicht einfacher, Fotos zu machen, da es direkt neben uns ist?

Tatsächlich heißt es in dem Gedicht: „Ich kann das wahre Aussehen des Berges Lu nicht erkennen, weil ich mich bereits auf ihm befinde.“ Obwohl sich dieses Schwarze Loch im Zentrum der Milchstraße befindet, befinden wir uns selbst innerhalb der Milchstraße, was das Fotografieren erschwert.

Mithilfe der Radio- und Infrarotbänder jenseits optischer Wellen haben wir nach und nach unsere Galaxie sowie andere Galaxien kennengelernt. Obwohl das Schwarze Loch unserer Milchstraße (Sgr. A* genannt) näher ist, ist die Datenverarbeitung aufgrund der Sichtbehinderung schwieriger und zeitaufwändiger, sodass das „Aufnehmen von Fotos“ mehr Zeit in Anspruch nimmt.

Das Warten macht die Veröffentlichung dieses Fotos jedoch noch spannender, denn es handelt sich um ein Foto des Schwarzen Lochs im Zentrum unserer eigenen Galaxie! Dies ist ein weiterer wichtiger Durchbruch für die EHT-Zusammenarbeit, nachdem sie 2019 das erste Foto eines Schwarzen Lochs veröffentlicht hatte, auf dem das zentrale Schwarze Loch (M87*) in der weiter entfernten Galaxie M87 zu sehen ist.

Frage 2: Wie ist dieses Foto des Schwarzen Lochs im Zentrum der Milchstraße entstanden? Welche neuen Methoden werden im Vergleich zum Foto des Schwarzen Lochs im Zentrum der Galaxie M87 verwendet?

Wie wir alle wissen, liegt M87 fast in Richtung der Rotationsachse, während wir uns auf der galaktischen Scheibe befinden. Im Vergleich zu M87 wird das schwarze Loch im Zentrum der Milchstraße bei der Abbildung daher stark verdeckt sein. Wenn wir beispielsweise die Milchstraße im optischen Band beobachten, sehen wir große Hindernisse wie Staub und andere Gase. Derzeit müssen wir Infrarot- oder Radiobänder mit längeren Wellenlängen verwenden. Derzeit sind die Millimeterwellen- und Submillimeterwellenbänder ausgereift, d. h. das Ereignishorizontteleskop. Erwähnenswert ist, dass dabei verschiedene Submillimeter- und Millimeterwellenteleskope auf der ganzen Welt zum Einsatz kommen, um ein Array mit einer Öffnung von Zehntausenden Kilometern zu bilden.

Dieses Foto ist dem 2019 aufgenommenen Foto von M87 sehr ähnlich. Beide wurden mit 8 verschiedenen Millimeterwellenteleskopen auf der ganzen Welt aufgenommen, kurz Ereignishorizontteleskope.

Diese riesige Teleskopkombination besteht aus: ALMA (Atacma Large Millimeter/Submeter Array) in Chile, SPT (South Pole Telescope) in der Antarktis, SMA (Submillimeter Array) auf Hawaii, USA, LMT (Large Millimeter Array) in Mexiko, JCMT (James Clerk Maxwell Telescope) auf Hawaii, USA, IRAM (IRAM 30-m-Teleskop) in Spanien, APEX (Atacama Pathfinder Experiment) in Chile und SMT (Submillimeter Telescope) in Arizona, USA.

Erwähnenswert ist, dass es sich bei dem JCMT-Teleskop auf Hawaii, USA, um ein mit chinesischer Beteiligung betriebenes Teleskop handelt und viele chinesische Wissenschaftler hier Beobachtungen durchgeführt haben sollen. Leider beträgt der maximale Durchmesser, der durch Infrarotbeobachtungen erreicht werden kann, derzeit Hunderte von Metern. Beispielsweise kann das VLT/Gravity der Europäischen Südsternwarte einen Durchmesser von bis zu 130 Metern beobachten, aber von der Öffnungshöhe von Kilometern besteht immer noch ein großer Unterschied. Ich hoffe, dass wir in Zukunft das Infrarotband nutzen können, um Fotos von Schwarzen Löchern zu sehen.

Das Bild zeigt die Milchstraße in verschiedenen Wellenlängen, wobei die Energie von oben nach unten zunimmt, von Millimeterwellen bis zu Gammastrahlen.

Wir wissen, dass das Schwarze Loch in der Milchstraße nur etwa 4 Millionen Mal so groß ist wie die Sonnenmasse (gemäß den Ergebnissen des Nobelpreises 2020), während das Schwarze Loch in M87 die 6,5 Milliarden Mal größere Sonnenmasse erreicht. Ersteres ist 1.650-mal kleiner als Letzteres.

Das Schwarze Loch im Zentrum der Milchstraße ist größenmäßig offensichtlich etwas kleiner, dafür ist es aber schwieriger zu fotografieren. Dies liegt daran, dass die Masse des Schwarzen Lochs im Zentrum der Milchstraße viel kleiner ist als die von M87 und die Entfernung viel geringer ist, sodass die Möglichkeit von Veränderungen in der umgebenden Materie viel größer ist.

Im Vergleich zur Beobachtung des Schwarzen Lochs von M87 treten die Änderungen, die ursprünglich mehrere Tage dauerten, nun innerhalb weniger Minuten auf, was die Beobachtung schwieriger macht. Für dieses Bild haben Wissenschaftler beispielsweise neue, hochentwickelte Werkzeuge entwickelt, um speziell das Gas von Sgr A* zu berücksichtigen.

Frage 3: Welche Unterschiede gibt es im Vergleich zum Foto des Schwarzen Lochs im Zentrum der Galaxie M87 und welche neuen Informationen gibt es?

Da Einzelbeobachtungen sehr schwierig sind, entstand das Foto des Schwarzen Lochs im Zentrum der Milchstraße (Sgr A*), das wir dieses Mal gesehen haben, dadurch, dass das Forschungsteam viel Zeit damit verbrachte, verschiedene Fotos zu extrahieren und diese dann zu mitteln.

Dies ist auch das erste Mal, dass endlich ein Bild des im Zentrum unserer Galaxie verborgenen Schwarzen Lochs präsentiert wurde.

Wir können uns an den Zeitpunkt des letzten Fotos erinnern: Wir begannen 2017 mit dem Fotografieren und 2019 erhielten wir ein Bild des Schwarzen Lochs im Zentrum von M87.

Es dauerte jedoch bis zu fünf Jahre, bis Wissenschaftler mithilfe von Supercomputern Daten synthetisierten und analysierten und die Datenbank mit den Schwarzloch-Simulationen gründlich mit Beobachtungsergebnissen verglichen. So konnten wir das erste Foto des Schwarzen Lochs im Zentrum der Milchstraße sehen. Dank der Weisheit und harten Arbeit der Wissenschaftler können wir beispiellose Bilder sehen!

Frage 4: Das Schwarze Loch im Zentrum der Milchstraße macht weniger als 0,0005 % der Milchstraße aus. Warum kann es Hunderte von Milliarden Sternen binden?

Wenn wir uns die Struktur der Milchstraße ansehen, kann sie in drei Teile unterteilt werden: den galaktischen Kern (einschließlich des Schwarzen Lochs), die galaktische Scheibe und den galaktischen Halo; in Bezug auf die Masse beträgt die Masse des großen Schwarzen Lochs im Zentrum der Milchstraße weniger als 0,0005 % der Masse der Milchstraße; und aus der Perspektive des Kerns der Milchstraße ist das Schwarze Loch der Milchstraße nur ein Teil des galaktischen Kerns.

Welche Art von Kraft fixiert also die Hunderte von Milliarden Sternen in der Milchstraße in einem begrenzten Bereich? Wie ist alle sichtbare Materie entstanden?

Tatsächlich wurde diese Frage bereits zu Beginn des letzten Jahrhunderts gestellt.

Der Astrophysiker Fritz Zwicky vermaß die Sterne im Coma-Galaxienhaufen und entdeckte die Existenz dunkler Materie. Da Zwickys Persönlichkeit nicht jedem gefiel, wurde dieses Konzept, obwohl es richtig war, nicht von allen ernst genommen.

Erst 1970 untersuchten die junge Verin Rubin und ihr Mentor Kent Ford die Rotationsgeschwindigkeiten von Sternen in der Andromedagalaxie. Mithilfe hochpräziser Spektralmesstechnik können sie die Beziehung zwischen der Geschwindigkeit und der Entfernung äußerer Sterne ermitteln, die die Galaxie weit entfernt von der galaktischen Kernregion umkreisen. Gemäß den Newtonschen Gesetzen nimmt die Geschwindigkeit der Sterne am äußeren Rand der Galaxie mit der Entfernung ab, wenn sich die Masse einer Galaxie hauptsächlich auf die sichtbaren Sterne im Kern der Galaxie konzentriert.

Beobachtungen zeigen jedoch, dass die Geschwindigkeiten der Sterne am Rande einer Galaxie über einen ziemlich großen Bereich konstant sind. Dies bedeutet, dass es in der Galaxie möglicherweise eine große Menge unsichtbarer Materie gibt, die nicht nur im Kernbereich der Galaxie verteilt ist, sondern deren Masse weitaus größer ist als die Gesamtmasse der leuchtenden Sterne.

Heute wissen wir, dass die Masse unsichtbarer Materie (Dunkle Materie) etwa zehnmal schwerer ist als die sichtbare Masse, und das gilt für fast alle Galaxien.

Dies ist die Antwort auf die vorherige Frage. Obwohl das Schwarze Loch im Zentrum unserer Milchstraße eine so geringe Masse hat, kann es mit Hilfe der dunklen Materie Hunderte Milliarden Sterne binden!

Frage 5: Welche Bedeutung hat die Aufnahme dieses Fotos für die Forschung?

Vor der Pressekonferenz hatten viele Leute vielleicht erwartet, ein Schwarzes Loch ähnlich dem im Film „Interstellar“ zu sehen, als sie von dem Foto des Schwarzen Lochs im Zentrum der Milchstraße hörten, doch das Ergebnis war nicht der Fall.

Dies liegt daran, dass wir den Teil sehen, der sich ganz in der Nähe des Schwarzen Lochs befindet. Wäre es relativ weit entfernt, sähe sich eine Szene ähnlich der im Film „Interstellar“ an.

Ungeachtet dessen ist dieses Foto intimer als das vorherige von M87, da es ein Bild des Schwarzen Lochs unserer eigenen Galaxie ist und viel schwieriger zu fotografieren ist.

Wir möchten uns noch einmal bei allen Wissenschaftlern und den chinesischen Forschern bedanken, die an dieser Forschung beteiligt waren und uns einen Einblick in das Aussehen des Schwarzen Lochs im Zentrum der Milchstraße ermöglicht haben. Die astronomische Erforschung wird niemals aufhören!

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Gou Lijun, Nationales Astronomisches Observatorium, Chinesische Akademie der Wissenschaften

Hersteller: China Science Expo

Dieser Artikel wurde vom Science Popularization China Frontier Technology Project erstellt. Bitte geben Sie beim Nachdruck als Quelle „Science Popularization China“ an.

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