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Erstes Schwarzes-Loch-Foto hat unabhängigen Test bestanden
Auf dem Prüfstand: Das erste Foto eines Schwarzen Lochs zeigte 2019 einen leuchtenden Ring um eine dunkle Mitte. Doch ist diese Struktur tatsächlich in den Messdaten enthalten oder das Ergebnis der Bildberechnung? Eine neue, unabhängig entwickelte Auswertungsmethode findet den Ring von M87* in Beobachtungen aus drei Jahren wieder und stützt damit die historische Aufnahme.
Bentley (Australien). Ein Schwarzes Loch selbst sendet kein Licht aus, dennoch lässt sich sein Schatten vor einer hellen Umgebung sichtbar machen. Im April 2019 ging deshalb das erste Foto des Objekts M87* um die Welt. Das Bild zeigte eine dunkle Mitte, umgeben von einem fast kreisförmigen, ungleichmäßig leuchtenden Ring.
Für dieses Bild wurden die Messungen weit voneinander entfernter Radioteleskope im Event Horizon Telescope (EHT) zusammengeführt. Allerdings erfasst dieser erdumspannende Verbund nur einen Teil der Informationen, die für ein vollständiges Bild nötig wären. Wie die Lücken rechnerisch geschlossen werden, kann feine Strukturen erheblich verändern. Einzelne Untersuchungen hatten deshalb sogar die grundsätzliche Ringform infrage gestellt.
Forscher der Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation (CSIRO) um Dr. Samuel Lai haben die öffentlichen EHT-Daten nun mit einer eigenen Methode neu ausgewertet. Der Algorithmus GenDIReCT nutzt sogenannte Closure-Invarianten, mathematische Kombinationen der Signale von jeweils drei Radioteleskopen. So bleiben Informationen über die Form der Strahlungsquelle erhalten, während bestimmte Störungen durch Atmosphäre und Instrumente herausgerechnet werden.
Das ist wichtig, weil die üblichen Rekonstruktionsverfahren von Kalibrierungen und gewählten Ausgangsbildern beeinflusst werden können. Auch die neue Technik muss aus unvollständigen Daten ein Bild berechnen, kommt dabei aber ohne eine manuell vorgegebene Ringform aus. Ihr KI-Modell wurde unter anderem mit Alltagsbildern und geometrischen Formen trainiert, bevor es die Messungen von M87* erhielt.
„Ein solches Bild zu erstellen, ist schwierig und kann Fehler und Verzerrungen verursachen, die Zweifel an seiner Genauigkeit wecken. Unsere Technik kombiniert Dreiergruppen statt der üblichen Paare von Teleskopdaten, um diese Fehler zu beseitigen“, erklärt Dr. Nithyanandan Thyagarajan vom CSIRO.
Vor dem Einsatz an M87* wurde das Verfahren an künstlichen Daten und an anderen astronomischen Radioquellen geprüft. Es wertete danach dieselben EHT-Beobachtungen aus wie die früheren Bildrekonstruktionen, nicht neue Aufnahmen. Die Unabhängigkeit betrifft somit die Auswertungsmethode und nicht die Herkunft der Messdaten.
Das Ergebnis: In den Aufnahmen von 2017, 2018 und 2021 erscheint jeweils eine kompakte Ringstruktur mit dunkler Mitte. Der mittlere Winkeldurchmesser beträgt 42,2 ± 1,5 Mikrobogensekunden, also einen außerordentlich kleinen Winkel am Himmel. Auch Form und grundlegende Ausrichtung stimmen mit den bisherigen Rekonstruktionen überein.
Aus der Ringgröße lässt sich unter Annahmen zur Entfernung und zur theoretischen Umrechnung eine Masse von rund 6,5 ± 0,5 Milliarden Sonnenmassen ableiten. Das passt zu den ursprünglichen EHT-Ergebnissen und zu früheren Messungen der Sternbewegungen in M87. Die Ringstruktur ist damit nicht bloß ein Produkt einer bestimmten Bildbearbeitung.
„Als wir das Verfahren auf den ursprünglichen Datensatz des Event Horizon Telescope anwandten, fanden wir ein Schwarzes Loch, das in Größe und Form dem historischen EHT-Bild nahezu gleicht. Entscheidend ist, dass unser Modell nicht wusste, wie ein Schwarzes Loch aussieht, als wir es auf die M87-Daten anwandten. Das ist die erste wirklich unabhängige Bestätigung des EHT-Bildes und ein wichtiger Schritt im wissenschaftlichen Prozess“, sagt Lai.