Von Einstein postulierte Struktur am Ereignishorizont konserviert "altes" Licht des Kosmos Schwarzes Loch: Photonenring als Zeitkapsel - scinexx | Das Wissensmagazin
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Schwarzes Loch: Photonenring als Zeitkapsel

Von Einstein postulierte Struktur am Ereignishorizont konserviert "altes" Licht des Kosmos

Photonenring
Das Licht um ein Schwarzes Loch enthält einen Photonenring - eine Serie immer dünnerer, schwächerer Ringe aus eingefangenem, alten Licht. © George Wong (UIUC) und Michael Johnson (CfA)

Verborgene Information: Im ersten Foto eines Schwarzen Lochs verbirgt sich eine schon von Einstein vorhergesagte Struktur – ein Photonenring. In seinen Unterstrukturen sind Licht und Informationen aus vergangenen Zeiten des Kosmos konserviert. Bisher allerdings reicht die Auflösung der Teleskope nicht aus, um den Photonenring sichtbar zu machen. Doch schon ein Radioteleskop im Erdorbit könnte das ändern, wie nun Astronomen ermittelt haben.

SChwarzes Loch POrträt
Dies ist die erste Aufnahme eines Schwarzen Lochs. Man sieht den dunklen Schatten des Schwerkraftgiganten, umgeben vom hellen Lichtring des Ereignishorizonts. © Event Horizon Telescope Collaboration

Schwarze Löcher üben eine so starke Gravitationskraft aus, dass ihnen selbst Licht nicht entkommen kann. Knapp außerhalb des Ereignishorizonts jedoch wird das Licht so gebeugt, dass ein Teil der Photonen auf eine Kreisbahn gezwungen wird. Gleichzeitig setzt auch die vom Schwarzen Loch angezogene Materie Strahlung frei, die rund um den dunklen Schatten des Schwarzen Lochs einen Lichtring erzeugt.

Das erste Foto eines Schwarzen Lochs mitsamt Schatten und Lichtring ist Astronomen 2019 mithilfe der über die ganze Welt verteilten Radioteleskope des Event Horizon Telescope (EHT) gelungen. Es zeigt das supermassereiche Schwarze Loch im Zentrum der Galaxie M87.

Gefangen im Photonenring

Doch in dieser Aufnahme verbirgt sich etwas, das schon Albert Einstein in seiner Allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagt hat: der Photonenring. Dieser besteht aus einer unendlichen Abfolge dünner Lichtringe, die aus Licht unterschiedlichen Alters bestehen – je länger die Photonen schon um das Loch kreisen, desto näher am Ereignishorizont liegt der von ihnen gebildete Lichtring.

„Das Bild eines Schwarzen Lochs enthält dadurch eine Serie konzentrischer Ringe“, erklärt Michael Johnson von der Black Hole Initiative an der Harvard University. „Jeder sukzessive Ring hat etwa den gleichen Durchmesser, wird aber je nach Alter immer dünner, schwächer und schärfer, weil sein Licht das Schwarze Loch häufiger umkreist hat, bevor es den Beobachter erreichte.“ Jeder Unterring entspricht dabei einer Umkreisung der Photonen mehr.

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Unterringe als kosmische Zeitkapseln

Das Spannende daran: Durch diesen Effekt wirkt der Photonenring wie eine kosmische Zeitkapsel. Er enthält Licht – und damit Informationen – unterschiedlichen Alters. „Jeder dieser Unterringe ist ein zunehmend verzögerter und komprimierter Schnappschuss des Universums, wie man es vom Schwarzen Loch aus sehen würde“, erklären die Astronomen. „Zusammen gleichen diese Ringe den Einzelbildern eines Videos, das die Geschichte des sichtbaren Universums zeigt.“

Doch auch über das Schwarze Loch selbst kann der Photonenring einiges verraten. Denn Form und Größe der Ringe erlauben Rückschlüsse auf die Masse und Rotation des Schwarzen Lochs. „Wenn man die Größe, Form und Dicke dieser Unterringe messen könnte, wäre dies daher eine neue und effektive Möglichkeit, die Raumzeit im direkten Umfeld eines Schwarzen Lochs zu erforschen“, so die Forscher.

Photonenring 2
Um den ersten Unterring des Photonenrings sichtbar zu machen, würde schon ein Teleskop im Erdorbit reichen. © George Wong (UIUC) und Michael Johnson (CfA)

Kann man den Photonenring sichtbar machen?

Das Problem jedoch: Obwohl die im Event Horizon Telescope zusammengeschalteten Teleskope einer Radioantenne von Erdgröße entsprechen, reicht ihre Auflösung bisher nicht, um den Photonenring sichtbar zu machen. Er wird von dem viel stärkeren Licht der strahlenden Materiescheibe um das Schwarze Loch überstrahlt. „Mit dem aktuellen EHT-Foto haben wir daher nur einen Ausschnitt der vollen Komplexität erfasst“, erklärt Johnson.

Ob man den Photonenring überhaupt sehen könnte und wie, haben nun Johnson und sein Team mithilfe eines Modells ermittelt. In diesem trennten sie den diffusen Lichtring des Schwarzen Lochs virtuell in seine Komponenten auf. Dabei zeigte sich, dass der Photonenring nur rund zehn Prozent der gesamten Lichtdichte in einer klassischen Aufnahme des Schwarzen Lochs ausmachen würde.

Zwei Teleskope reichen aus

„Diese Lichtschwäche scheint auf den ersten Blick eine direkte Beobachtung des Photonenrings und seiner noch schwächeren Unterringe auszuschließen“, so die Astronomen. Doch das täuscht: „Obwohl die ineinander liegenden Ringe in normalen Aufnahmen nahezu unsichtbar sind – selbst in perfekten Fotos –, erzeugen sie für Interferometer klare und starke Signale“, so Johnson.

Demnach reichen schon zwei entsprechend weit auseinanderstehende Teleskope aus, um Teile des Photonenrings einzufangen. Denn für das Detektieren des Photonenrings kommt es nicht auf die Zahl der gekoppelten Teleskope an, sondern nur auf ihre Baseline – die Strecke zwischen den am weitesten entfernten Antennen. „Wenn man dem Event Horizon Telescope nur ein Weltraumteleskop hinzufügen würde, könnte das schon ausreichen“, sagt der Astronom. Allerdings: Je älter die Lichtringe sind, desto weiter muss der Abstand der Teleskope sein.

Im Erdorbit und auf dem Mond

Für den ersten, hellsten Unterring aus Photonen, die nur eine Umkreisung absolviert haben, könnte schon ein zusätzliches Radioteleskop im niedrigen Erdorbit ausreichen, wie die Forscher erklären. Schon der zweitälteste Lichtring würde jedoch ein Zusatzteleskop auf dem Mond oder im Mondorbit erfordern. Und um den dritten Unterring zu sehen, bräuchte man ein Teleskop am Lagrangepunkt 2 -rund 1,5 Millionen Kilometer von der Erde entfernt.

Dennoch weckt diese Kalkulation Hoffnung, den Einsteinschen Photonenring eines Tages tatsächlich beobachten zu können. Denn ein Teleskop in den Erdorbit zu bringen, ist nicht unrealistisch. Und wenn die Pläne der Weltraumorganisationen für eine lunare Raumstation oder sogar eine Mondbasis auf der Oberfläche wahr werden, dann könnte sogar der zweite Unterring in den Bereich des Möglichen rücken.

Quelle: Institute for Advanced Study, Center for Astrophysics – Harvard & Smithsonian (CfA)

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