#Ein Jahr am Schwarzen Loch M87*

Das ikonische erste Foto eines Schwarzen Lochs machte M87* berühmt. Jetzt zeigen neue Daten und Analysen der Event-Horizon-Kollaboration, wie sich das supermassereiche Schwarze Loch im Zentrum der Galaxie M87 im Laufe eines Jahres verändert hat. Obwohl der helle Lichtring genauso groß geblieben ist, hat sich seine hellste Region gegen den Uhrzeigersinn verschoben – gegen die Rotationsrichtung des Schwarzen Lochs, wie die Astronomen berichten. Dies entspricht theoretischen Vorhersagen und bestätigt, dass die Akkretionsscheibe aus heißen, schnell um das Schwarze Loch kreisenden Gasen von Turbulenzen geprägt ist. Der Vergleich im Jahresabstand liefert zudem stark Indizien dafür, dass dieses supermassereiche Schwarze Loch gegen unsere Blickrichtung gekippt ist. Seine Rotationsachse zeigt demnach etwas von der Erde weg. Diese Resultate tragen dazu bei, die Prozesse im Umfeld solcher Schwerkraftgiganten genauer zu entschlüsseln.

Im Jahr 2019 veröffentlichten Astronomen das erste Foto eines Schwarzen Lochs – ein bedeutender Meilenstein. Denn die vom Radioteleskopverbund Event-Horizon-Telescope (EHT) erstellte Aufnahme des supermassereichen Schwarzen Lochs M87* bestätigte viele theoretische Vorhersagen zum Aussehen solcher Objekte. Das Bild zeigte den dunklen, zentralen Schatten des Schwerkraftgiganten, umgeben vom hellen Lichtring der heißen, um den Ereignishorizont kreisenden Gase. Doch dabei handelte es sich nur um eine Momentaufnahme, basierend auf wenigen Tagen der Beobachtung im Frühjahr 2017. Um herauszufinden, wie sich vor allem die Akkretionsscheibe aus heißen Gasen im Laufe der Zeit verändert, hat die EHT-Kollaboration daher dieses Schwarze Loch auch in den Folgejahren immer wieder ins Visier genommen.

Jahresvergleich bestätigt Eckdaten…

Jetzt, sechs Jahre nach Erscheinen des ersten Bildes von M87*, stellen die Astronomen der EHT-Kollaboration eine Fortsetzung vor: Vergleichsanalysen auf Basis von Daten, die im April 2018 – fast genau ein Jahr nach der ersten Beobachtungskampagne – gewonnen wurden. „Die Akkretionsumgebung von Schwarzen Löchern ist turbulent und dynamisch. Da wir die Beobachtungen von 2017 und 2018 als unabhängige Messungen betrachten können, haben wir eine neue Perspektive zur Untersuchung der Umgebung des Schwarzen Lochs”, sagt Co-Autor Hung-Yi Pu von der National Taiwan Normal University. Für ihre Studie analysierten und verglichen die Astronomen die Beobachtungsdaten beider Jahre mithilfe von Computermodellen und Simulationen. „Durch die Integration von Multi-Epochen-Daten mit fortgeschrittenen Modellen können wir die dynamischen Prozesse besser verstehen, die die beobachteten Helligkeitsschwankungen bei M87* antreiben”, erklärt EHT-Forscher Christian Fromm von der Universität Würzburg und dem Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn.

Dank dieser Analysen lässt sich nun erkennen, wie sich das supermassereiche Schwarze Loch M87* innerhalb eines Jahres verändert hat. Sie zeigen, dass sich der leuchtende Ring um den Ereignishorizont des Schwarzen Lochs in seiner Größe nicht verändert hat. Er hat – wie schon 2017 gemessen – einen Durchmesser von etwa 43 Mikrobogensekunden. Dies entspricht den theoretischen Vorhersagen für den Schatten eines Schwarzen Lochs mit der Masse von 6,5 Milliarden Sonnenmassen wie bei M87* der Fall. „Schwarze Löcher, die so gigantisch sind wie M87*, verändern sich nur auf sehr langen Zeitskalen. Daher ist es nicht überraschend, dass wir vieles von dem, was wir 2017 gemessen haben, auch im Jahr 2018 sehen”, erklärt Luciano Rezzolla von der Goethe-Universität Frankfurt.
Aber die neuen Daten zeigen auch Veränderungen. “Die kleinen Unterschiede, die wir gefunden haben, sind sehr wichtig, um zu verstehen, was in der Nähe von M87* tatsächlich passiert”, sagt Rezzolla.

…und zeigt vielsagende Unterschiede

Eine der im Jahresvergleich auffallenden Veränderungen betrifft eine besonders helle Region im Lichtring von M87*. Sie hat sich im Laufe eines Jahres um rund 30 Grad gegen den Uhrzeigersinn verschoben, wie die Analysen ergaben. „Die Verschiebung der hellsten Region ist eine natürliche Folge der Turbulenzen in der Akkretionsscheibe um das Schwarze Loch“, erklärt Abhishek Joshi von der University of Illinois Urbana-Champaign. Wenn sich Gas spiralförmig in ein Schwarzes Loch hineinbewegt, kann es sich entlang der Rotationsachse des Schwarzen Lochs ausrichten oder entgegengesetzt rotieren. Diese Richtung beeinflusst auch das Ausmaß und die Dynamik der Turbulenzen – und damit die Verlagerung der helleren Bereiche im Lichtring. „In unserer ursprünglichen theoretischen Interpretation der Beobachtungen von 2017 haben wir vorhergesagt, dass sich die hellste Region höchstwahrscheinlich gegen den Uhrzeigersinn verschieben würde. Wir freuen uns sehr, dass die Beobachtungen im Jahr 2018 diese Vorhersage bestätigt haben!“, so Joshi weiter. Die innerhalb eines Jahres erkennbare Verlagerung deutet den Astronomen zufolge darauf hin, dass die Akkretionsscheibe von M87* wahrscheinlich gegen die Rotationsrichtung des Schwarzen Lochs kreist.

Die Beobachtungsdaten liefern auch weitere Hinweise darauf, wie das supermassereiche Schwarze Loch ausgerichtet ist. „Die Lage der hellsten Region im Jahr 2018 bekräftigt unsere frühere Interpretation der Ausrichtung des Schwarzen Lochs aus den Beobachtungen von 2017: Die Rotationsachse des Schwarzen Lochs zeigt von der Erde weg“, berichtet Bidisha Bandyopadhyay von der Universität von Concepción. Demnach steht das Schwarze Loch von uns aus gesehen leicht gekippt. Insgesamt tragen diese Ergebnisse dazu bei, besser zu verstehen, wie Materie vom Schwarzen Loch M87* angezogen wird und welche Eigenschaften M87* tatsächlich hat. “In den kommenden Jahren werden wir weitere Beobachtungen dieser Art mit zunehmender Präzision durchführen, mit dem Ziel, einen Film darüber zu erstellen, was in der Nähe von M87* tatsächlich passiert”, sagt Rezzolla. Die Analysen der EHT-Daten aus den Jahren 2021 und 2022 laufen bereits. Sie könnten dann noch tiefere Einblicke in das Verhalten dieses Schwerkraftgiganten liefern.

Quelle: Event Horizon Telescope Collaboration, Astronomy and Astrophysics; doi: 10.1051/0004-6361/202451296

© wissenschaft.de – Nadja Podbregar