Schwarze Löcher gelten als die geheimnisvollsten Objekte im Universum – unsichtbar, unaufhaltsam und von einer Schwerkraft umgeben, die selbst Licht nicht entkommen lässt. Umso spektakulärer war es, als Forschende vor wenigen Jahren erstmals Bilder der Umgebung zweier supermassereicher Schwarzer Löcher präsentierten: eines im Zentrum der Galaxie M87 und eines in der Mitte unserer Milchstraße. Möglich wurde dies durch das globale Teleskopnetzwerk des Event Horizon Telescope (EHT), das mit vereinten Kräften ein virtuelles Teleskop von Erdgröße bildet.
Ein Blick auf das Unsichtbare
Was auf diesen Bildern zu sehen ist, sei nicht das Schwarze Loch selbst, sondern die glühende Materie in seiner unmittelbaren Nähe, erklärte Prof. Luciano Rezzolla von der Goethe-Universität Frankfurt. Sein Team war maßgeblich an der Entstehung der Aufnahmen beteiligt. Solange sich diese Materie noch außerhalb des sogenannten Ereignishorizonts befindet – der Grenze, ab der nichts mehr entkommen kann – sende sie Lichtsignale aus, die detektiert werden können.
Diese leuchtende Umgebung erzeugt den sogenannten „Schatten“ eines Schwarzen Lochs – ein dunkles Zentrum, umgeben von einem hellen Ring. Laut Rezzolla biete dieser Schatten eine neue Möglichkeit, die zugrundeliegende Physik zu untersuchen. Zwar stütze sich unser heutiges Verständnis von Raum und Zeit auf Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie, doch existierten auch alternative Modelle, die Schwarze Löcher auf andere Weise erklären – teils mit exotischen Materiezuständen oder unter Verletzung bekannter physikalischer Gesetze.
Simulationen für die Gravitationstheorie der Zukunft
Gemeinsam mit Forschenden des Tsung-Dao Lee Instituts in Shanghai habe Rezzollas Team nun eine Methode entwickelt, um diese konkurrierenden Theorien mithilfe künftiger Beobachtungen zu testen. Wie in der Fachzeitschrift Nature Astronomy veröffentlicht, zeige die Studie, wie sich verschiedene Modelle in den Schattenbildern von Schwarzen Löchern unterscheiden könnten. Voraussetzung dafür seien jedoch zwei Dinge: hochauflösende Aufnahmen und eine präzise theoretische Beschreibung der Abweichungen von Einsteins Theorie.
Dafür nutzten die Wissenschaftler dreidimensionale Computersimulationen, um die Bewegung von Materie und Magnetfeldern im gekrümmten Raum um Schwarze Löcher zu modellieren. Daraus erzeugten sie synthetische Bilder des leuchtenden Plasmas. Laut Hauptautor Akhil Uniyal habe sich dabei gezeigt, dass die Unterschiede zwischen den Theorien in bestimmten Mustern sichtbar würden – vorausgesetzt, die Bildauflösung sei hoch genug.
Einsteins Theorie bleibt vorerst unerschüttert
Bislang seien die Beobachtungen mit Einsteins Relativitätstheorie vereinbar, so Rezzolla. Einige exotische Alternativen – etwa Schwarze Löcher ohne Ereignishorizont oder Wurmlöcher – könnten bereits ausgeschlossen werden. Dennoch müsse auch eine etablierte Theorie immer wieder überprüft werden, insbesondere bei extremen Objekten wie Schwarzen Löchern. Sollte Einsteins Modell eines Tages widerlegt werden, wäre das ein fundamentaler Umbruch in der Physik.
Das EHT-Projekt eröffne laut den Forschenden eine neue Ära der astronomischen Beobachtung. Durch die Kombination von Daten weltweit verteilter Radioteleskope entstehe ein Instrument mit beispielloser Auflösung. Künftige Erweiterungen – etwa durch zusätzliche Stationen oder gar ein Weltraumteleskop – könnten die Bildschärfe weiter erhöhen. Um konkurrierende Theorien eindeutig zu testen, sei eine Auflösung von weniger als einer Millionstel Bogensekunde nötig – vergleichbar mit dem Erkennen einer Münze auf dem Mond von der Erde aus. Diese Präzision sei zwar noch nicht erreicht, aber in greifbarer Nähe, so die Forschenden.