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Weg zu messerscharfen Schwarzlochbildern entdeckt – auffällige und komplizierte Unterstruktur

Schwarzer Loch-Photonenring

Das Bild eines Schwarzen Lochs hat einen hellen Emissionsring, der einen vom Schwarzen Loch geworfenen „Schatten“ umgibt. Dieser Ring besteht aus einem Stapel zunehmend scharfer Teilringe, die der Anzahl der Umlaufbahnen entsprechen, die Photonen um das Schwarze Loch genommen haben, bevor sie den Betrachter erreicht haben. Bildnachweis: George Wong (UIUC) und Michael Johnson (CfA)

Im vergangenen April löste das Event Horizon Telescope (EHT) internationale Aufregung aus, als es das erste Bild eines Schwarzen Lochs enthüllte. Heute hat ein Forscherteam neue Berechnungen veröffentlicht, die eine auffällige und komplizierte Unterstruktur vorhersagen schwarzes Loch Bilder von extremer Gravitationslichtbiegung.

„Das Bild eines Schwarzen Lochs enthält tatsächlich eine verschachtelte Reihe von Ringen“, erklärt Michael Johnson vom Center for Astrophysics | Harvard und Smithsonian (CfA). „Jeder aufeinanderfolgende Ring hat ungefähr den gleichen Durchmesser, wird jedoch immer schärfer, weil sein Licht das Schwarze Loch mehrmals umkreist, bevor es den Betrachter erreicht. Mit dem aktuellen EHT-Bild haben wir nur einen kleinen Einblick in die volle Komplexität erhalten, die im Bild eines Schwarzen Lochs entstehen sollte. “

Da Schwarze Löcher alle Photonen einfangen, die ihren Ereignishorizont überqueren, werfen sie einen Schatten auf ihre helle Umgebungsemission von heißem infallierendem Gas. Ein „Photonenring“ umgibt diesen Schatten, der aus Licht erzeugt wird, das durch die starke Schwerkraft in der Nähe des Schwarzen Lochs konzentriert wird. Dieser Photonenring trägt den Fingerabdruck des Schwarzen Lochs – seine Größe und Form kodieren die Masse und Rotation oder den „Spin“ des Schwarzen Lochs. Mit den EHT-Bildern haben Schwarzlochforscher ein neues Werkzeug, um diese außergewöhnlichen Objekte zu untersuchen.

Schwarze Löcher werfen einen Schatten auf das Bild des hellen umgebenden Materials, da ihr starkes Gravitationsfeld Licht biegen und einfangen kann. Der Schatten wird von einem hellen Lichtring begrenzt, der Photonen entspricht, die vor dem Entweichen in der Nähe des Schwarzen Lochs passieren. Der Ring ist tatsächlich ein Stapel zunehmend scharfer Teilringe, und der n-te Teilring entspricht Photonen, die das Schwarze Loch n / 2 Mal umkreisten, bevor sie den Betrachter erreichten. Diese Animation zeigt, wie aus diesen Teilringen und den Trajektorien der Photonen, die das Bild erzeugen, ein Schwarzes Lochbild entsteht. Kredit: Zentrum für Astrophysik | Harvard & Smithsonian

“Dies ist eine äußerst aufregende Zeit, um über die Physik der Schwarzen Löcher nachzudenken”, sagt Daniel Kapec, Mitglied der School of Natural Sciences am Institute for Advanced Study. „Einsteins allgemeine Relativitätstheorie macht eine Reihe beeindruckender Vorhersagen für die Arten von Beobachtungen, die endlich in Reichweite kommen, und ich denke, wir können uns auf viele Fortschritte in den kommenden Jahren freuen. Als Theoretiker finde ich die schnelle Konvergenz zwischen Theorie und Experiment besonders lohnend, und ich hoffe, wir können weiterhin universellere Vorhersagen der allgemeinen Relativitätstheorie isolieren und beobachten, wenn diese Experimente empfindlicher werden. “

Das Forschungsteam bestand aus Beobachtungsastronomen, theoretischen Physikern und Astrophysikern.

Photonenring Infografik

Universelle interferometrische Signaturen des Photonenrings eines Schwarzen Lochs. Bildnachweis: Michael D. Johnson (CfA), Simulation: George Wong (UIUC)

„Durch die Zusammenführung von Experten aus verschiedenen Bereichen konnten wir ein theoretisches Verständnis des Photonenrings mit dem verbinden, was mit Beobachtung möglich ist“, erklärt George Wong, ein Doktorand der Physik an der Universität von Illinois in Urbana-Champaign. Wong entwickelte eine Software, um simulierte Schwarzlochbilder mit höheren Auflösungen als zuvor zu erzeugen und diese in die vorhergesagten Serien von Teilbildern zu zerlegen. “Was als klassische Bleistift-Papier-Berechnungen begann, veranlasste uns, unsere Simulationen an neue Grenzen zu bringen.”

Die Forscher fanden auch heraus, dass die Bildunterstruktur des Schwarzen Lochs neue Möglichkeiten zur Beobachtung von Schwarzen Löchern schafft. “Was uns wirklich überrascht hat, war, dass die verschachtelten Teilringe auf Bildern mit bloßem Auge kaum wahrnehmbar sind – selbst perfekte Bilder -, aber starke und klare Signale für Arrays von Teleskopen sind, die als Interferometer bezeichnet werden”, sagt Johnson. „Während für die Aufnahme von Schwarzlochbildern normalerweise viele verteilte Teleskope erforderlich sind, eignen sich die Teilringe perfekt zum Studieren mit nur zwei Teleskopen, die sehr weit voneinander entfernt sind. Das Hinzufügen eines Weltraumteleskops zum EHT würde ausreichen. “

„Die Physik des Schwarzen Lochs war schon immer ein schönes Fach mit tiefgreifenden theoretischen Implikationen, aber jetzt ist es auch eine experimentelle Wissenschaft geworden“, sagt Alex Lupsasca von der Harvard Society of Fellows. “Als Theoretiker freue ich mich, endlich echte Daten über diese Objekte zu erhalten, über die wir so lange abstrakt nachgedacht haben.”

Die Ergebnisse wurden in veröffentlicht Fortschritte in der Wissenschaft und sind hier verfügbar (PDF).

Referenz: „Universelle interferometrische Signaturen des Photonenrings eines Schwarzen Lochs“ von Michael D. Johnson, Alexandru Lupsasca, Andrew Strominger, George N. Wong, Shahar Hadar, Daniel Kapec, Ramesh Narayan, Andrew Chael, Charles F. Gammie, Peter Galison, Daniel CM Palumbo, Sheperd S. Doeleman, Lindy Blackburn, Maciek Wielgus, Dominic W. Pesce, Joseph R. Farah und James M. Moran, 18. März 2020, Fortschritte in der Wissenschaft.
DOI: 10.1126 / sciadv.aaz1310

Diese Forschung wurde durch Zuschüsse der National Science Foundation, des US-Energieministeriums, der Gordon and Betty Moore Foundation, der John Templeton Foundation, der Jacob Goldfield Foundation und unterstützt NASA.