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Wie wurde das erste Bild eines Schwarzen Lochs aufgenommen?

Wie wurde das erste Bild eines Schwarzen Lochs aufgenommen?

Am Mittwoch, dem 10. April, wurde der Welt etwas Beispielloses geboten - das erste Bild eines Schwarzen Lochs! Insbesondere hat das Bild das Supermassive Black Hole (SMBH) im Zentrum von M87 (auch bekannt als Virgo A) aufgenommen, einer übergroßen elliptischen Galaxie in der Virgo-Konstellation.

Dieses Bild wird bereits mit Bildern wie dem "hellblauen Punkt" verglichen, der von der aufgenommen wurde Voyager 1 Mission oder das Bild "Earthrise" von Apollo 8. Wie diese Bilder hat das Bild des Schwarzen Lochs M87 die Fantasie von Menschen auf der ganzen Welt erweckt.

Diese Leistung stützte sich auf jahrelange harte Arbeit, an der Astronomen, Observatorien und wissenschaftliche Einrichtungen aus aller Welt beteiligt waren. Wie bei den meisten Errungenschaften dieses Kalibers spielten unzählige Menschen eine Rolle und verdienen Anerkennung dafür, dass dies geschehen ist.

Aber wie immer gab es eine Handvoll Leute, deren Beiträge wirklich auffallen. Darüber hinaus hing die Aufnahme des ersten Bildes eines Schwarzen Lochs von vielen speziellen Technologien und wissenschaftlichen Methoden ab, die ebenfalls Beachtung verdienen. Man könnte sagen, dass seine historische Leistung einen historischen Aufbau hatte!

Diejenigen, die es möglich gemacht haben:

Seit das EHT-Projekt das erste Bild eines Schwarzen Lochs veröffentlicht hat, ist Katherine Bouman zu einem bekannten Namen geworden. Aber wer ist dieser Schwarze Lochjäger, dessen Arbeit uns geholfen hat, einem der mysteriösesten Phänomene im Universum ins Gesicht zu sehen?

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Bouman erhielt ihren Ph.D. Elektrotechnik und Informatik am Massachusetts Institute of Technology (MIT) im Jahr 2017. Seitdem arbeitet Bouman als Postdoktorandin beim Event Horizon Telescope-Projekt, wo sie neue Berechnungsmethoden anwendete, um die Grenzen der Bildgebungstechnologie zu erweitern.

Zu ihren Beiträgen gehört die Entwicklung eines Algorithmus, der maßgeblich zum Erhalt des Bildes beitrug und als kontinuierliche hochauflösende Bildrekonstruktion mit Patch-Priors (CHIRP) bekannt ist. Obwohl CHIRP selbst nicht verwendet wurde, inspirierte es die verwendeten Bildvalidierungsverfahren, die Bouman auch bei der Entwicklung maßgeblich spielte.

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Neben der Überprüfung und Auswahl von Parametern zum Filtern von Bildern, die vom EHT aufgenommen wurden, half sie auch dem Bildgebungs-Framework, das die Ergebnisse verschiedener Bildrekonstruktionstechniken verglich. Nach der Veröffentlichung des Schwarzlochbildes wurde ein Foto von Bouman, der vor einem Computerbildschirm lächelte, im Internet viral.

Nach der Ankündigung veröffentlichte Bouman ein Foto von ihr und ihr und dem Forschungsteam (siehe oben) mit der Überschrift:

"Ich bin so aufgeregt, dass wir endlich teilen können, woran wir im letzten Jahr gearbeitet haben! Das heute gezeigte Bild ist die Kombination von Bildern, die mit mehreren Methoden erzeugt wurden. Kein Algorithmus oder keine Person hat dieses Bild erstellt, es erforderte das Erstaunliche Talent eines Teams von Wissenschaftlern aus der ganzen Welt und jahrelange harte Arbeit bei der Entwicklung des Instruments, der Datenverarbeitung, der Bildgebungsmethoden und der Analysetechniken, die notwendig waren, um diese scheinbar unmögliche Leistung zu vollbringen. Es war wirklich eine Ehre, und ich bin es Ich bin so glücklich, die Gelegenheit gehabt zu haben, mit euch allen zusammenzuarbeiten. "

Bouman und ihre Gruppe analysieren derzeit die Bilder des Event Horizon Telescope, um mehr über die allgemeine Relativitätstheorie in einem starken Gravitationsfeld zu erfahren. Für ihre herausragende Arbeit erhielt Bouman kürzlich eine Stelle als Assistenzprofessorin an der Caltech-Abteilung für Informatik und Mathematik (CMS).

Bouman wird gemeinsam mit Caltech ein Labor schaffen, das sich dem Experimentieren mit Algorithmen für Computerbildgebung und maschinelles Lernen widmet. Dieses Labor wird das erste seiner Art sein und es wird voraussichtlich einen signifikanten Einfluss auf die Untersuchung von Gravitationssingularitäten und anderen extremen Phänomenen haben.

Dann gibt es Sheperd Doeleman, einen leitenden wissenschaftlichen Mitarbeiter am Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA), den stellvertretenden Direktor für Beobachtung bei Harvards Black Hole Initiative und den Direktor des EHT. Er ist außerdem leitender Wissenschaftler am MIT und stellvertretender Direktor des MIT Haystack Observatory - einer von acht Teilnehmern am EHT.

Während seiner Zeit am Haystack Observatory des MIT war Doeleman einer der ersten, der die ersten Hinweise auf das Schwarze Loch im Zentrum der Milchstraße sah. Und es war aufgrund von Analysen, die er durchgeführt hatte, um die Daten zu verstehen, die sie zuerst enthüllten.

"Das war ein Moment, in dem es eine Person auf der Welt gab - mich - die wusste, was gerade passiert war", sagte er. "Das war ziemlich erstaunlich. Denn sobald wir wussten, dass dort etwas war, zogen sich die Handschuhe aus und wir waren bereit, ein erdgroßes Array zu bauen, um es abzubilden."

Im Mai 2018 erreichte sein Team jedoch das, was viele für unmöglich hielten. Es begann mit einer Konferenz am BHI, bei der Studenten und Postdocs einige der Daten, die sie erhalten hatten, an Doeleman weitergaben. Wie er den Moment der Entdeckung beschrieb:

„Wir konnten die verräterischen Signaturen in diesen Daten sehen ... und wir haben sie uns alle nur angesehen und gesagt:‚ Wow. 'Ich habe bis spät in die Nacht gearbeitet und mir ein Modell ausgedacht, wie groß das war, was wir sahen, und das ist es als ich wusste, dass wir etwas sehr, sehr Interessantes hatten. “

Neben seiner umfangreichen Erfahrung in der Untersuchung astrophysikalischer Phänomene brachte Doeleman auch seine Expertise in der Very Long Baseline Interferometry (VLBI) ein. Dieser Prozess, bei dem Funkschüsseln, die durch große Entfernungen voneinander getrennt sind, zu einem virtuellen Teleskoparray kombiniert werden, war für die Bemühungen des EHT von wesentlicher Bedeutung.

Mit seiner Gruppe am MIT half Doeleman bei der Entwicklung der Instrumente, mit denen Astronomen mit VLBI an erdgestützten Observatorien die größtmögliche Auflösung erzielen konnten. In der Vergangenheit haben er und sein Team diese Technik verwendet, um neugeborene Sterne und die Atmosphäre sterbender Sterne zu untersuchen.

Mit den Bildgebungsfunktionen von EHT können die Techniken, die er als Pionier unterstützt hat, nun verwendet werden, um zu untersuchen, wie Schwerkraft und allgemeine Relativitätstheorie unter extremsten Bedingungen funktionieren. Dies öffnet effektiv eine neue Tür, um zu verstehen, wie unser Universum funktioniert.

"Dies erfüllt unseren Traum, das erste Bild eines Schwarzen Lochs zu machen", sagte Doeleman. "Wir haben jetzt Zugang zu einem kosmischen Labor mit extremer Schwerkraft, in dem wir Einsteins Theorie der Allgemeinen Relativitätstheorie testen und unsere grundlegenden Annahmen über Raum und Zeit in Frage stellen können. ”

Dank seiner Rolle bei der Koordination des Projekts leitet Doeleman jetzt das EHT-Projekt. Neben Bouman und Doeleman spielten unzählige Wissenschaftler und Ingenieure eine wichtige Rolle bei der Verwirklichung dieses Meilensteins. Darüber hinaus waren mehrere wichtige Einrichtungen und Prozesse beteiligt.

Wie das Bild aufgenommen wurde:

Das Event Horizon Telescope (EHT) ist im Wesentlichen ein Planetenradioteleskop, das aus Observatorien aus der ganzen Welt besteht. Derzeit besteht das EHT aus acht Standorten, darunter:

  • James Clerk Maxwell Telescope (JCMT) am Mauna Kea Observatory (CSO) in Hawaii
  • Großes Millimeter-Teleskop Alfonso Serrano (LMT) auf Volcán Sierra Negra, nahe Veracruz, Mexiko
  • Kombiniertes Array für die Forschung in der Millimeterwellenastronomie (CARMA) in Ostkalifornien
  • Die beiden Radioteleskope des Kitt Peak National Observatory (KPNO) befinden sich südlich von Tucson, Arizona
  • Submillimeter-Teleskop (SMT) des Arizona Radio Observatory (ARO) im Süden von Arizona
  • Atacama Large Millimeter / Submillimeter Array (ALMA) des European Southern Observatory (ESO) in Nordchile
  • 30-Meter-Teleskop in Südspanien, das vom Institut für Millimeter-Radioastronomie (IRAM) betrieben wird
  • Südpol-Teleskop (SPT) am Südpolstation Amundsen - Scott

Durch die Kombination von Funkantennen und Daten von mehreren VLBI-Stationen (Very Long-Baseline Interferometry) kann das EHT eine Auflösung erreichen, mit der Wissenschaftler die Zwischenumgebung um Schwarze Löcher (auch bekannt als Ereignishorizont) betrachten können.

Dies war angesichts der extremen Natur der Schwarzen Löcher keine leichte Aufgabe. Ursprünglich von Einsteins Theorie der Allgemeinen Relativitätstheorie (GR) vorhergesagt, sind Schwarze Löcher im Wesentlichen das, was aus besonders massiven Sternen wird, wenn sie das Ende ihrer Lebensdauer erreichen.

Zu diesem Zeitpunkt, wenn ein Stern den letzten seiner Wasserstoff- und Heliumbrennstoffe verbraucht hat, erleidet er einen Gravitationskollaps. Dies führt zu einer massiven Explosion, die als Supernova bekannt ist und bei der der Stern seine äußeren Schichten abbläst. Abhängig von der Masse des Sterns ist das Ergebnis entweder ein Sternrest (d. H. Ein Neutronenstern oder ein "weißer Zwerg") oder ein Schwarzes Loch.

Tatsächlich ist der Begriff "Schwarzes Loch" eine Fehlbezeichnung, da es sich tatsächlich um extrem komprimierte Objekte handelt, die eine außergewöhnliche Menge an Materie in einer winzigen Region enthalten. Aufgrund ihrer Kompaktheit üben sie eine extrem starke Gravitationskraft aus, aus der nichts - nicht einmal Licht - entweichen kann.

Aus diesem Grund konnten Wissenschaftler die Existenz von Schwarzen Löchern nur anhand der Auswirkungen auf ihre Umgebung ableiten. Dazu gehört die Art und Weise, wie sie die Raumzeit verzerren und dazu führen, dass Objekte um sie herum in exzentrische Bahnen fallen, und wie sie dazu führen, dass das Material in eine Scheibe um sie herum fällt, die auf Hunderte von Milliarden Grad erhitzt wird.

Wie Ramesh Narayan, Professor an der Harvard University und führend in der Arbeit der EHT-Theorie, zusammenfasste:

„Seit Jahrzehnten untersuchen wir, wie Schwarze Löcher Material verschlucken und die Herzen von Galaxien antreiben. Endlich ein Schwarzes Loch in Aktion zu sehen und sein nahe gelegenes Licht in einen hellen Ring zu biegen, ist eine atemberaubende Bestätigung dafür, dass es supermassereiche Schwarze Löcher gibt, die dem von unseren Simulationen erwarteten Erscheinungsbild entsprechen. “

Die Ziele des Projekts waren die beiden Schwarzen Löcher mit der größten scheinbaren Winkelgröße von der Erde aus gesehen. Dies sind das SMBH im Zentrum der Milchstraße (Schütze A *) und das SMBH im Zentrum der als M87 (Jungfrau A) bekannten Galaxie.

Um ein Bild dieser SMBHs aufzunehmen, brauchten Astronomen ein Teleskop mit beispielloser Auflösung. Hier kam das ELT ins Spiel. Jonathan Weintroub, der die Instrument Development Group des EHT koordiniert, erklärte:

„Die Auflösung des EHT hängt von der Trennung zwischen den Teleskopen ab, die als Basislinie bezeichnet wird, sowie von den beobachteten kurzen Millimeter-Radiowellenlängen. Die beste Auflösung in der EHT ergibt sich aus der längsten Grundlinie, die sich für M87 von Hawaii bis Spanien erstreckt. Um die Empfindlichkeit der langen Grundlinie zu optimieren und Erkennungen zu ermöglichen, haben wir ein spezielles System entwickelt, das die Signale aller verfügbaren SMA-Gerichte auf Maunakea addiert. In diesem Modus fungiert die SMA als einzelne EHT-Station. “

In seinen acht Observatorien zeichnete das EHT Millionen Gigabyte Daten dieser beiden Schwarzen Löcher auf. Insgesamt nahm jedes Teleskop etwa ein Petabyte (1 Million Gigabyte) Daten auf und zeichnete sie auf mehreren Mark6-Einheiten auf - Datenrekordern, die ursprünglich am Haystack Observatory entwickelt wurden.

Nach dem Ende des Beobachtungslaufs packten die Forscher jeder Station den Stapel Festplatten zusammen, die dann zum MIT Haystack Observatory in Massachusetts, USA, und zum Max-Planck-Institut für Radioastronomie, Bonn, Deutschland, geflogen wurden.

Dort wurden die Daten von 800 Computern, die über ein 40-Gbit / s-Netzwerk verbunden sind, miteinander korreliert und analysiert. Die Konvertierung dieser Daten in ein Bild erforderte jedoch die Entwicklung neuer Methoden und Verfahren.

Dies beinhaltete den Vergleich von Bildern zwischen vier unabhängigen Gruppen von Wissenschaftlern unter Verwendung von drei verschiedenen Bildgebungsmethoden - die von Katie Bouman entworfen und geleitet wurden. In den kommenden Jahren plant das EHT, die Winkelauflösung des Projekts zu verbessern, indem zwei weitere Arrays hinzugefügt und Beobachtungen mit kürzeren Wellenlängen durchgeführt werden.

Dazu gehört das Grönland-Teleskop, das gemeinsam vom Smithsonian Astrophysical Observatory und dem Academia Sinica Institut für Astronomie und Astrophysik betrieben wird. und das Northern Extended Millimeter Array (NOEMA) von IRAM in Südfrankreich.

Warum sieht es aus wie "Ein Feuerring"?

Zusätzlich zur Existenz von Schwarzen Löchern sagte Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie voraus, dass ein Schwarzes Loch einen kreisförmigen Schatten auf die leuchtende Materialscheibe werfen würde, die es umgibt. Im Wesentlichen würde der Bereich innerhalb des Ereignishorizonts der Schwarzen Löcher als völlige Schwärze erscheinen, im starken Kontrast zu der sehr hellen Scheibe dahinter.

Der Vorsitzende des EHT Science Council, Heino Falcke von der Radboud University in den Niederlanden, erklärte dies alles wie folgt:

"Wenn wir in eine helle Region eintauchen, wie eine Scheibe aus glühendem Gas, erwarten wir, dass ein Schwarzes Loch eine dunkle Region erzeugt, die einem Schatten ähnelt - etwas, das durch Einsteins allgemeine Relativitätstheorie vorhergesagt wird, die wir noch nie zuvor gesehen haben. Dieser Schatten, verursacht durch die Die Biegung der Gravitation und die Erfassung des Lichts durch den Ereignishorizont enthüllen viel über die Natur dieser faszinierenden Objekte und ermöglichten es uns, die enorme Masse des Schwarzen Lochs von M87 zu messen. "

Interessanterweise wurde dieser Auftritt auch vom Spezialeffekt-Team hinter dem Film Interstellar genau vorhergesagt. Um dem Film ein Gefühl von Realismus zu verleihen, entwickelte der theoretische Physiker und Nobelpreisträger Kip Thorne einen neuen Satz von Gleichungen, um die Rendering-Software des Spezialeffekt-Teams zu steuern.

Dabei stützte sich Thorne auf bekannte wissenschaftliche Prinzipien. Dazu gehörte die Tatsache, dass sich das Schwarze Loch aus einem massiven Sternrest bildete, was bedeuten würde, dass es sich nahezu mit Lichtgeschwindigkeit drehen würde. Dies würde auch bedeuten, dass das Schwarze Loch eine helle Akkretionsscheibe haben würde, die sich gleichzeitig über und unter zu krümmen scheint.

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Um die Akkretionsscheibe zu simulieren, erzeugte das Spezialeffekt-Team einen flachen, mehrfarbigen Ring und positionierte ihn um das sich drehende Schwarze Loch. Das Endergebnis zeigte, dass der Verzerrungseffekt, den es auf die Raumzeit hatte, auch die Akkretionsscheibe verziehen würde - was die Illusion eines Heiligenscheines erzeugt.

Wenn man das Bild von M87s SMBH mit dem Rendering von Interstellar vergleicht (siehe unten), kann man einige erstaunliche Ähnlichkeiten erkennen. Dazu gehören die zentralen, schattigen Regionen und die sie umgebenden hellen Akkretionsscheiben, die ihnen eine Art "Feuerring" oder "Auge von Sauron" verleihen.

Implikationen für die Astrophysik:

Wie viele Astronomen seit der Veröffentlichung des Bildes erklärt haben, eröffnet die Fähigkeit, ein Schwarzes Loch zu fotografieren, eine neue Ära in der Astrophysik. Ähnlich wie bei den ersten Detektionen von Gravitationswellen können Wissenschaftler mit dieser Leistung Phänomene erkennen und visualisieren, die entweder theoretisch waren oder nur indirekt untersucht werden konnten.

Dazu gehören radikalere Tests von Einsteins Theorie der Allgemeinen Relativitätstheorie. Während im letzten Jahrhundert viele Tests durchgeführt wurden, um die Auswirkungen der Schwerkraft auf die Raumzeit zu überprüfen, betraf die überwiegende Mehrheit davon Objekte in Planeten- oder Sterngröße.

Mit der Fähigkeit, SMBHs zu visualisieren, können die Wissenschaftler die Vorhersagen von Einsteins Feldgleichungen in einer möglichst extremen Umgebung testen. In der Vergangenheit wurden begrenzte Tests durchgeführt, indem das Verhalten von S2 beobachtet wurde, einem der Sterne, die den Schützen A * im Zentrum unserer Galaxie umkreisen.

Mit der Fähigkeit, die Akkretionsscheibe und den Schatten von Schütze A * zu visualisieren, erwarten Astronomen, dass sie so viel mehr lernen können. Wissenschaftler erwarten auch, mehr darüber zu erfahren, wie Materie Scheiben um Schwarze Löcher bildet und sich auf ihnen ansammelt, wodurch sie wachsen können.

Kurz gesagt, Wissenschaftler sind sich immer noch nicht sicher, wie Material den Übergang von der sich schnell drehenden Scheibe zum Ereignishorizont vollzieht. Während verstanden wird, dass Materie in der Scheibe im Laufe der Zeit Energie verliert und schließlich hineinfällt, sind Wissenschaftler unsicher, was diesen Energieverlust verursacht.

Da die Materie in einer Scheibe so verdünnt ist, sollte herkömmliche Reibung nicht möglich sein, was darauf hindeutet, dass eine unbekannte Kraft im Spiel sein könnte. Mit der Möglichkeit, zwei SMBHs und ihren Ereignishorizont zu untersuchen, können Wissenschaftler endlich verschiedene Theorien testen.

Darüber hinaus hoffen die Wissenschaftler zu erfahren, warum Schütze A * im Vergleich zu SMBHs in anderen Galaxien relativ schwach ist. Tatsächlich erzeugen einige SMBHs so viel Energie aus ihren sich schnell drehenden Scheiben, dass ihre zentrale Region (ihre galaktischen Kerne) die Sterne in ihren galaktischen Scheiben um ein Vielfaches überstrahlt.

Durch das Vorhandensein eines aktiven galaktischen Kerns (Active Galactic Nucleus, AGN) konnten Astronomen feststellen, dass die meisten Galaxien ein SMBH in ihrem Zentrum haben. Durch ein besseres Verständnis der Mechanismen, die Trümmerscheiben antreiben und das Wachstum von SMBHs bewirken, hoffen die Astronomen, diese Frage endlich beantworten zu können.

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Insgesamt spielten rund 200 Astronomen aus aller Welt eine wichtige Rolle bei der Aufnahme des ersten Bildes eines Schwarzen Lochs. Bouman beschrieb das EHT-Team als "Schmelztiegel von Astronomen, Physikern, Mathematikern und Ingenieuren, und genau das war nötig, um etwas zu erreichen, das einst für unmöglich gehalten wurde."

Durch die Erweiterung des EHT-Netzwerks um zusätzliche Einrichtungen - ganz zu schweigen von regelmäßigen Verbesserungen in Bezug auf Berechnung, Bildgebung und Informationsaustausch - erwarteten die Wissenschaftler, bald mehr Schwarze Löcher sehen zu können. Die Einsicht, die dies in unser Universum ermöglichen wird, ist mit Sicherheit umwerfend!

  • Event Horizon Telescope
  • NASA Science - Schwarze Löcher
  • Die Harvard Gazette - Schwarzes Loch enthüllt
  • NSF - Astronomen erfassen das erste Bild eines Schwarzen Lochs
  • The Astrophysical Journal - Erste Ergebnisse des M87 Event Horizon Telescope
  • Der Atlantik - Die versteckte Schifffahrt und Handhabung hinter diesem Schwarzlochbild
  • Das Harvard-Smithsonian-Zentrum für Astrophysik-CFA spielt eine zentrale Rolle bei der Erfassung von Landmark Black Hole-Bildern
  • MIT News - Observatorien auf der ganzen Welt arbeiten als „virtuelles Teleskop“ zusammen und produzieren erste direkte Bilder eines Schwarzen Lochs


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