Das leistungsstärkste Teleskop der Erde erfasst Bilder von Schwarzen Löchern in beispielloser Detailgenauigkeit

Das Event Horizon Telescope konnte mit der 345-GHz-Frequenz beispiellos hochauflösende Beobachtungen von der Erde aus durchführen und detailliertere und farbenfrohere Bilder von Schwarzen Löchern liefern.

Dieser Fortschritt in der Astrophysik nutzt sehr lange fundamentale Interferenzen, um mehrere Radioschüsseln weltweit zu verbinden, was unser Verständnis der Phänomene rund um Schwarze Löcher verbessert und den Weg für zukünftige hochauflösende Visualisierungen und mögliche Echtzeitbilder dieser kosmischen Einheiten ebnet.

Ein Durchbruch in der Bildgebung Schwarzer Löcher

Dem Event Horizon Telescope (EHT)-Projekt ist es gelungen, Testbeobachtungen durchzuführen, die die höchste Auflösung erreichten, die jemals von der Erdoberfläche aus erreicht wurde, indem sie Licht aus den Zentren entfernter Galaxien mit einer Frequenz von etwa 345 Gigahertz detektierten.

In Kombination mit vorhandenen Bildern der massiven Schwarzen Löcher im Kern von M87 und Sgr A bei der niedrigen Frequenz von 230 GHz ergeben diese neuen Ergebnisse mehr als nur eine Untersuchung dieses Phänomens. Schwarzes Loch Die Bilder sind 50 % schärfer, erzeugen aber auch mehrfarbige Ansichten des Gebiets knapp außerhalb der Grenzen dieser kosmischen Monster.

Verbesserungen in der Radioastronomie

Die neuen Entdeckungen unter der Leitung von Wissenschaftlern des Zentrums für Astrophysik | Harvard und Smithsonian (CFA), zu der auch das Smithsonian Astrophysical Observatory (SAO) gehört, heute veröffentlicht in Astronomisches Magazin.

„Mit dem Event Horizon Telescope haben wir die ersten Bilder von Schwarzen Löchern gesehen, indem wir Radiowellen bei 230 GHz detektierten“, sagte Co-Autor Alexander Raymond, der als Postdoktorand am Harvard Fine Arts Center arbeitete und jetzt am Harvard Fine Arts arbeitet „Aber der helle Ring, den wir sahen, der durch die Lichtbeugung in der Schwerkraft des Schwarzen Lochs entstand, sah immer noch verschwommen aus, weil wir uns an der absoluten Grenze der Schärfe befanden, die wir aufnehmen konnten.“ NASADas Jet Propulsion Laboratory der NASALabor für Strahlantriebe„Bei 345 GHz werden unsere Bilder schärfer und detaillierter sein, was neue Eigenschaften offenbaren wird, sowohl solche, die zuvor vorhergesagt wurden, als auch einige, die möglicherweise nicht vorhergesagt wurden.“

Ein virtuelles erdgroßes Teleskop: Die Kraft des EHT freisetzen

Das EHT schafft ein virtuelles erdgroßes Teleskop, indem es mehrere Radioschüsseln auf der ganzen Welt miteinander verbindet und dabei eine Technik namens Very Long Baseline Interferometry (VLBI) verwendet. Um Bilder mit höherer Auflösung zu erhalten, haben Astronomen zwei Möglichkeiten: Sie können den Abstand zwischen den Radioschüsseln vergrößern oder mit einer höheren Frequenz beobachten. Da das EHT bereits die Größe unseres Planeten hatte, erforderte die Erhöhung der Auflösung bodengestützter Beobachtungen eine Erweiterung seines Frequenzbereichs, und genau das hat die EHT-Kollaboration nun getan.

„Um zu verstehen, warum dies ein großer Durchbruch ist, denken Sie an die enorme Explosion zusätzlicher Details, die Sie erhalten, wenn Sie von Schwarzweißbildern zu Farbbildern wechseln“, sagte der Co-Autor der Studie, Shepard „Shep“ Doleman, ein Astrophysiker an der Universität Cambridge Fine Arts Center. Sotheby’s Observatory und Gründungsdirektor des Event Horizon Telescope. „Diese neue ‚Farbsicht‘ ermöglicht es uns, die Auswirkungen von Einsteins Schwerkraft von den heißen Gas- und Magnetfeldern zu trennen, die Schwarze Löcher antreiben und leistungsstarke Jets ausstoßen, die über galaktische Entfernungen strömen.“

Ein Prisma teilt weißes Licht in einen Regenbogen aus Farben, da unterschiedliche Lichtwellenlängen mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten durch das Glas wandern. Aber die Schwerkraft beugt alles Licht auf ähnliche Weise, sodass Einstein erwartet, dass die Größe der vom EHT beobachteten Ringe bei 230 GHz und 345 GHz ähnlich ist, während das heiße Gas, das Schwarze Löcher umkreist, bei diesen beiden Frequenzen unterschiedlich aussehen wird.

Bewältigung technologischer Herausforderungen im Hochfrequenz-VLBI

Dies ist das erste Mal, dass die VLBI-Technologie erfolgreich bei 345 GHz eingesetzt wird. Während die Möglichkeit, den Nachthimmel mit einzelnen Teleskopen bei 345 GHz zu beobachten, bereits früher bestand, stellt die Verwendung der VLBI-Technologie bei dieser Frequenz seit langem Herausforderungen dar, deren Bewältigung Zeit und technologischen Fortschritt erforderte. Wasserdampf in der Atmosphäre absorbiert Wellen bei 345 GHz deutlich stärker als bei 230 GHz und schwächt Signale von Schwarzen Löchern bei der höheren Frequenz. Der Schlüssel lag darin, die Empfindlichkeit des EHT zu verbessern, was die Forscher erreichten, indem sie die Bandbreite der Instrumente erhöhten und an allen Standorten auf gutes Wetter warteten.

Globale Zusammenarbeit und Spitzentechnologie

Das neue Experiment nutzte zwei kleine Unterarrays des EHT – bestehend aus dem Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (Alma) das Atacama Pathfinder Experiment (APEX) in Chile, das IRAM 30-Meter-Teleskop in Spanien, das Northern Extended Millimeter Array (NOEMA) in Frankreich, das Submillimeter Array (SMA) auf Mauna Kea in Hawaii und das Greenland Telescope – für Messungen mit einer Genauigkeit von bis zu 19 Mikrosekunden Arc.

„Die leistungsstärksten Beobachtungsstandorte auf der Erde befinden sich in großen Höhen, wo die Transparenz und Stabilität der Atmosphäre ideal sind, das Wetter jedoch noch dramatischer sein kann“, sagte Nimesh Patel, Astrophysiker am CfA und SAO und Projektingenieur am SMA, und fügte hinzu dass bei der SMA die neuen Beobachtungen erforderten, dass „Challenge the Icy Roads of Mauna Kea“ das Set bei stabilem Wetter nach einem Schneesturm mit zusätzlichen Minuten eröffnen musste. „Jetzt beginnen wir mit Systemen mit höherer Bandbreite, die breitere Bereiche des Funkspektrums verarbeiten und erfassen, grundlegende Probleme in Bezug auf die Empfindlichkeit, wie z. B. das Wetter, zu überwinden. Wie neue Entdeckungen zeigen, ist die Zeit reif, auf 345 GHz umzusteigen.“

Die Zukunft der Bildgebung Schwarzer Löcher: das ngEHT-Projekt

Dieser Erfolg stellt auch einen weiteren Eckpfeiler auf dem Weg zur Erstellung hochauflösender Filme der Ereignishorizontumgebungen rund um Schwarze Löcher dar, die auf Upgrades des bestehenden globalen Arrays aufbauen werden. Das geplante Projekt „Next Generation EHT“ (ngEHT) wird dem EHT an verbesserten geografischen Standorten neue Antennen hinzufügen und bestehende Stationen verbessern, indem sie alle so aufgerüstet werden, dass sie auf mehreren Frequenzen zwischen 100 GHz und 345 GHz gleichzeitig arbeiten können. Als Ergebnis dieser und anderer Verbesserungen wird erwartet, dass das Global Array die Menge an scharfen, klaren Daten, über die das EHT für die Bildgebung verfügt, um den Faktor 10 erhöht, sodass Wissenschaftler nicht nur detailliertere und empfindlichere Bilder, sondern auch Filme mit diesen Bildern erstellen können gewalttätige kosmische Bestien.

Eine große Errungenschaft auf dem Gebiet der Forschung in der Astrophysik

„Der Erfolg der EHT-Beobachtung bei 345 GHz stellt eine große wissenschaftliche Errungenschaft dar“, sagte Lisa Kewley, Direktorin des CfA- und SAO-Observatoriums. „Indem wir die Grenzen der Auflösung bis an die Grenzen ausreizen, erreichen wir eine beispiellose Klarheit bei der Abbildung von Schwarz.“ „Frühzeitig, und wir setzen neue und höhere Maßstäbe für die Leistungsfähigkeit der astrophysikalischen Forschung auf der Erde.“

Weitere Informationen zu dieser Entdeckung finden Sie unter Beobachtung von Schwarzen Löchern mit noch nie dagewesenen hohen Frequenzen.

Referenz: „Erste Entdeckungen sehr langer Basislinieninterferenz bei 870 µm“ von A. W. Raymond und S. Doeleman et al., 27. August 2024, Astronomisches Magazin.
DOI: 10.3847/1538-3881/ad5bdb