„Wir testen Alternativen zur Relativitätstheorie“

Welt der Physik: Die spektakulären Bilder des Event Horizon Telescope haben in den vergangenen Jahren weltweit für Aufsehen gesorgt. Was genau sieht man auf diesen Bildern eigentlich?

Luciano Rezzolla

Luciano Rezzolla: Man sieht dort nicht das Schwarze Loch selbst, sondern die leuchtende Materie in seiner unmittelbaren Umgebung. Diese Materie rotiert in einer sogenannten Akkretionsscheibe um das Schwarze Loch herum. Sie befindet sich also außerhalb des Ereignishorizonts, der den Rand eines Schwarzen Loches darstellt. Alles, was diesen Rand überschreitet, kann dem Schwarzen Loch aufgrund der starken Gravitationskraft nicht mehr entkommen – nicht einmal das Licht. Doch auch ein gutes Stück weit außerhalb wirken enorme Gravitationskräfte. Dadurch wird die einfallende Materie in einem Strudel angezogen und dabei stark aufgeheizt. Bevor sie unweigerlich hineingezogen wird, sendet sie deshalb noch einmal intensive Strahlung aus. Das erzeugt den sogenannten Schatten des Schwarzen Lochs – eine zentrale dunkle Silhouette vor einem Hintergrund aus glühendem Plasma. Diesen Schatten konnten wir mit dem Event Horizon Telescope sowohl beim zentralen Schwarzen Loch in unserer Milchstraße als auch im Zentrum der Galaxie M87 sichtbar machen.

Welche Eigenschaften braucht ein Teleskop, um solche Aufnahmen zu machen?

Beim Event Horizon Telescope handelt es sich nicht um ein einzelnes Teleskop, sondern um ein Teleskopsystem – also eine Zusammenschaltung von großen Radioteleskopen auf der ganzen Welt. Wir sprechen hier von sogenannten interferometrischen Beobachtungen. Mithilfe von viel Computerpower können wir aus den Messdaten der verschiedenen Teleskope einzelne Bilder erzeugen. Diese sind so scharf, als hätten wir ein riesiges Radioteleskop zur Verfügung, dessen Durchmesser dem Abstand der Tausende Kilometer entfernten Teleskope im Verbund entspricht. Das ermöglicht extrem scharfe Bilder, die mit einem einzelnen Teleskop vollkommen unmöglich wären. Dadurch konnten wir den Schatten dieser beiden supermassereichen Schwarzen Löcher abbilden. Und diese Schattenbilder enthalten Informationen, die für unsere neuen Tests entscheidend sind.

Worum geht es bei diesen Tests?

Wir wollen untersuchen, ob Schwarze Löcher wirklich den Gleichungen von Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie gehorchen. Bislang scheint das so zu sein, es gibt zumindest keine Beobachtungen, die dem eindeutig widersprechen. Aber wir haben bislang auch nur einen sehr unklaren Blick auf die Schwarzen Löcher. Sie sind im kosmischen Maßstab winzig klein, weil sie unglaublich viel Masse auf engstem Raum konzentrieren. Deshalb ist es sehr schwer, sie zu untersuchen. Aber mithilfe von Teleskopsystemen wie dem Event Horizon Telescope und zukünftigen Weiterentwicklungen sollte es möglich sein, alternative Vorschläge zur Natur der Schwarzen Löcher eingehend zu prüfen.

Schwarze Löcher in M87 und der Milchstraße

Was genau möchten Sie untersuchen?

Wir wollen insbesondere präzise nachschauen, ob das Verhältnis von Masse und Größe der Schwarzen Löcher zu Einsteins Gleichungen passt – wie groß also ein Schwarzes Loch mit einer bestimmten Masse tatsächlich ist. Manche alternativen Theorien sagen nämlich unterschiedliche Werte für dieses Verhältnis voraus.

Welche Alternativen gibt es zu denn zu den bislang bekannten Schwarzen Löchern?

Es gibt eine Vielzahl von Ansätzen zu unterschiedlichen Arten von Schwarzen Löchern, die sich allerdings zum Teil etwas künstlicher Annahmen bedienen. Dazu zählen auch solche exotischen Gebilde wie Wurmlöcher oder nackte Singularitäten. In der Science-Fiction tauchen Wurmlöcher ja manchmal als Abkürzungen durch das Weltall auf. Und nackte Singularitäten sind so etwas wie Schwarze Löcher ohne Ereignishorizont. Die Existenz solcher exotischen Strukturen ist zwar mit den bekannten Gesetzen der Physik vereinbar, erfordert aber Annahmen, die sehr ungewöhnlich sind und weder auf der Erde noch im Universum bisher beobachtet wurden. Das heißt aber auch: Wenn wir derart exotische Dinge finden, wäre das ein Hinweis, dass wir uns um neue physikalische Theorien bemühen müssen. Das Entscheidende an diesen alternativen Ansätzen ist nun, dass sie teilweise andere Verhältnisse von Masse und Radius von Schwarzen Löchern vorhersagen als Einstein. Und das können wir überprüfen!

Was benötigen Sie für diese Tests?

Wir brauchen zwei Dinge: Erstens möglichst hochaufgelöste Schattenbilder von Schwarzen Löchern und zweitens eine theoretische Beschreibung davon, wie stark die einzelnen alternativen Ansätze von der Relativitätstheorie abweichen. Dazu haben wir gemeinsam mit Forschenden vom Tsung-Dao Lee Institute in Shanghai in China eine neue Methode entwickelt. Sie erlaubt es, diese zum Teil sehr unterschiedlichen Ansätze zu klassifizieren. Dazu haben wir hochkomplexe dreidimensionale Simulationen durchgeführt, die das Verhalten von Materie in der Umgebung von Schwarzen Löchern beschreibt. Aufgrund der enormen Gravitation ist dort die Raumzeit stark gekrümmt – das macht die Simulationen sehr aufwendig. Durch den Vergleich von vielen solcher Modelle konnten wir nun systematisch beschreiben, wie stark sich die berechneten Schatten voneinander unterscheiden.

Unterschiedliche Arten von Schwarzen Löchern

Kann man jetzt schon Unterschiede in den Daten von Teleskopen wie dem Event Horizon Telescope sehen?

Im Moment reicht die Auflösung des Teleskopsystems nur für wenige Tests aus. Wir können aber schon sagen, dass es sich bei den Schwarzen Löchern im Zentrum von M87 sowie in der Milchstraße nicht um Wurmlöcher oder nackte Singularitäten handelt. Für präzisere Beobachtungen, müsste das Teleskopsystem noch weiterentwickelt werden. Wir hätten gerne eine Auflösung von unter einer millionstel Bogensekunde – das entspricht ungefähr der Aufgabe, eine Münze auf dem Mond von der Erde aus zu sehen. Mit einer solchen Auflösung könnte man dann die unterschiedlichen Theorien zur Gravitation erstmals genau testen.

Wie könnte man eine so hohe Auflösung erreichen?

Mit einem rein irdischen Teleskopverbund wohl nicht. Denn wir sind bei der maximal erreichbaren Auflösung ja dadurch begrenzt, dass die am weitesten voneinander entfernten Radioteleskope an entgegengesetzten Punkten auf der Erde stehen. Um deutlich besser zu werden, bräuchten wir also mindestens ein Radioteleskop im Weltall, das ein ganzes Stück von der Erde entfernt ist. Das ist gegenwärtig noch Zukunftsmusik. Aber in den nächsten Jahren sollen weitere irdische Radioteleskope zum Event Horizon Telescope hinzugeschaltet werden. Das wird die Auflösung schon ein Stück weit erhöhen und neue Beobachtungen möglich machen. Wir sind deshalb sehr gespannt, welche Daten uns dieses einmalige Teleskopsystem in einigen Jahren liefern wird.