Albert Einstein hatte 1915 mit der Allgemeinen Relativitätstheorie eine derart revolutionäre Sichtweise der Schwerkraft entwickelt, dass er selbst einige Konsequenzen daraus nicht akzeptieren konnte. Dazu zählen Schwarzer Löcher. Im Jahr 1939 versuchte er zu beweisen, dass solche Gebilde unmöglich seien, nachdem Julius Robert Oppenheimer theoretisch auf sie gestoßen war. Obwohl heute kaum ein Astrophysiker mehr an der Existenz von Schwarzen Löchern zweifelt, ließ sich bislang keines direkt beobachten. Das gelang nun einer internationalen Kollaboration mit dem Event Horizon Telescope – ein nobelpreisverdächtiger Durchbruch.

Die 53 Millionen Lichtjahre entfernte Galaxie Messier 87, oder kurz M87, war bereits 1781 vom französischen Astronomen Charles Messier entdeckt worden. Was ihm lediglich als ovales Wölkchen erschien, entpuppte sich im 20. Jahrhundert als außerordentlich aktive Riesengalaxie. Aus ihrem Zentrum kommt intensive Radiostrahlung, und ein Gasstrahl schießt mit nahezu Lichtgeschwindigkeit heraus. Astronomen vermuten schon seit Jahrzehnten als treibende Quelle dieser Aktivität ein supermassereiches Schwarzes Loch.

M87 gehört zu den am besten untersuchten aktiven Galaxien dieser Art, doch das mutmaßliche Schwarze Loch blieb bis vor kurzem unbeobachtbar. Was sieht man nun wirklich auf der Aufnahme mit dem Event Horizon Telescope?

Extreme Krümmung des Raums

Schwarze Löcher bilden einen in sich geschlossen Raumbereich. Alles, was von außen in ihn hineinfällt, bleibt darin verborgen – auch Licht. Deswegen erscheint uns ein Schwarzes Loch wirklich schwarz. Die Grenzfläche nennt man Ereignishorizont, auf Englisch Event Horizon. Sie definiert die Größe des Schwarzen Lochs.

Das Schwarze Loch im Zentrum vom M87 zieht aus der Umgebung Gas, Staub und auch ganze Sterne an. Diese Materie sammelt sich in einer Gasscheibe, wo es mit rasender Geschwindigkeit um den Zentralkörper herumrast. Dabei erhitzt es sich und leuchtet sehr hell. Somit besteht die Möglichkeit, das Schwarze Loch vor der leuchtenden Gasscheibe zu beobachten. Astronomen sprechen vom Schatten des Schwarzen Lochs.

Die jetzige Entdeckung ist ein Meilenstein der Astrophysik. Zusammen mit den Messungen von Gravitationswellen ermöglicht die neue Technik Einblicke in das Wirken von Schwarzen Löchern und ihren Einfluss auf die Umgebung. Auch neue Tests der Relativitätstheorie werden nun möglich. „Wir waren verblüfft, wie gut der beobachtete dunkle Fleck mit der aus unseren Computersimulationen vorhergesagten Struktur übereinstimmt“, erklärt Anton Zensus vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn. Diese Simulationen zeigen den verwirrenden Einfluss der Allgemeinen Relativitätstheorie.

Nach Einsteins Theorie ist die Schwerkraft gar keine Kraft im üblichen Sinn, sondern die Folge einer Krümmung des Raumes, die jeder Himmelskörper um sich herum erzeugt. Stellt man sich den Raum als zweidimensionale Fläche etwa ein Gummituch vor, so wäre dieses um einen Körper muldenförmig eingedellt. Jeder andere Körper und auch Licht, müssen auf ihrem Weg diese Kuhle durchlaufen und weichen dabei vom geraden Weg ab. Uns erscheint dies so, als würden sich die Körper anziehen.

Schwarze Löcher krümmen den Raum um sich herum so extrem, dass die Mulde unendlich tief wird. Ein Lichtstrahl wird nahe am Ereignishorizont extrem stark verbogen, sodass Bereiche sichtbar werden, die von der Erde aus gesehen hinter dem Schwarzen Loch liegen. Außerdem wird Licht vom inneren Teil der Scheibe stärker in unsere Blickrichtung abgelenkt, als vom äußeren. Deshalb sollte der Ring auf einer Seite heller erscheinen. Genau das sieht man auf der Aufnahme von M87. Aus den Beobachtungen leiten die Forscher eine Masse von 6,5 Milliarden Sonnenmassen ab. Damit bestätigen sie bisherige Werte, die auf indirekte Art abgeschätzt wurden. Das Schwarze Loch besitzt einen Radius von knapp 20 Milliarden Kilometern, was etwa der dreifachen Entfernung von der Sonne zum äußersten Planeten unseres Sonnensystems Neptun entspricht.

Möglich wurde die Entdeckung nur mit einem Trick. Je größer ein Teleskop ist, desto kleinere Details lassen sich mit ihm beobachten. Doch selbst die größten Instrumente erreichen nicht entfernt die nötige Auflösung, um das Schwarze Loch im M87 zu beobachten. Das gelang erst, indem die Astronomen mehrere Radioteleskope gleichzeitig auf ein und dasselbe Himmelsobjekt ausrichteten und die aufgefangenen Signale in einem Spezialcomputer zusammenführten. Auf diese Weise ergibt sich ein virtuelles Teleskop, dessen Auflösungsvermögen durch den Abstand der am weitesten voneinander entfernten Instrumente entspricht.

Im Fall des Event Horizon Telescope sind das acht global verteilte Observatorien, wovon eines, das in den chilenischen Anden errichtete Alma, wiederum aus 66 Einzelantennen besteht. Auf diese Weise erzielt das Event Horizon Telescope eine Detailschärfe einer Einzelantenne mit etwa 8 000 Kilometern Durchmesser. An dem Projekt beteiligt sind 13 Organisationen aus der ganzen Welt, darunter aus Deutschland die Universität Frankfurt und das MPI für Radioastronomie in Bonn.

Einstein wäre inzwischen überzeugt

„Damit könnten wir theoretisch von Bonn aus eine Zeitung in New York lesen“, verdeutlicht Zensus die gewaltige Leistung: „Allerdings sieht das EHT kein optisches Licht, sondern Radiostrahlung mit Wellenlängen von etwas mehr als einem Millimeter.“ Auch die Wellenlänge ist entscheidend. Das Zusammenschalten von Radioteleskopen können Astronomen bereits seit Jahrzehnten, allerdings bei Wellenlängen von einigen Zentimetern. Die Verringerung in den Millimeterbereich erforderte enorme technische Anstrengungen und erhöhte noch einmal das Auflösungsvermögen der Anlage.

Im April 2017 schalteten die Astronomen die Observatorien des EHT zusammen. Die Auswertung verzögerte sich zunächst, weil die Datenträger des Südpolteleskops erst im Dezember ausgeflogen werden konnten. Bei einer Datenrate von 350 Terabytes pro Tag ist an eine Übertragung via Internet nicht zu denken. Es folgten weitere Monate der Datenanalyse, bei der zahlreiche Störeinflüsse wie Turbulenzen in der Erdatmosphäre oder Störsignale der eigenen Instrumente berücksichtigt wurden. Eine zweite Beobachtungskampagne im April 2018, bei dem ein weiteres Teleskop in Grönland aufgenommen wurde, verbesserte noch einmal die Aufnahme. Im Herbst 2018 kam zudem eine Anlage namens Noema mit zehn 15-Meter-Antennen auf einem Hochplateau in den französischen Alpen hinzu.

Neben M87 hatten die Forscher ein weiteres Objekt auf ihrer Beobachtungsliste: Das Schwarze Loch im Zentrum unserer Milchstraße. Doch obwohl uns dies viel näher ist, als das von M87, gelang die Aufnahme bislang nicht. Ursache sind dichte Gaswolken, die die Sicht auf den Himmelskörper verstellen. Sie führen zu einem Flimmern der Radiostrahlung und unscharfen Bildern. Das Schwarze Loch in M87 ist zwar ungefähr 2000-mal weiter entfernt, als das im Milchstraßenzentrum, aber es ist etwa 1500-mal massereicher und größer. Deshalb erscheint es uns nur unwesentlich kleiner. Zensus ist zuversichtlich, dass sich mit zukünftigen Beobachtungen der Schleier vor dem Herz der Milchstraße durchdringen lässt. Und jetzt wäre wohl auch Einstein von der Existenz Schwarzer Löcher überzeugt.