FRANKFURT. Schwarze Löcher gelten als kosmische Gierschlünde, denen nicht einmal das Licht entkommen kann. Die vor wenigen Jahren von der Event Horizon Telescope (EHT) Kollaboration veröffentlichten Bilder der Schwarzen Löcher im Zentrum der Galaxie M87 und unserer Milchstraße waren daher bahnbrechend. „Was man dort sieht, ist allerdings nicht das Schwarze Loch selbst, sondern die heiße Materie in seiner direkten Umgebung“, erklärt Prof. Luciano Rezzolla, der mit seiner Gruppe an der Goethe-Universität Frankfurt maßgeblich an den Ergebnissen beteiligt war. „Solange die Materie noch außerhalb des Ereignishorizonts rotiert, bevor sie unweigerlich eingesogen wird, kann sie letzte Lichtsignale aussenden, die wir prinzipiell empfangen können.“

Auf solchen Bildern sieht man sozusagen den Schatten des Schwarzen Lochs. Das eröffnet nun die Möglichkeit, die Theorien hinter diesen extremen kosmischen Objekten eingehend zu prüfen. Bislang gilt Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie als Goldstandard in der Physik, wenn es um die Beschreibung von Raum und Zeit geht. Sie sagt die Existenz Schwarzer Löcher voraus, mitsamt all ihren Eigenarten. Dazu gehört der Ereignishorizont, hinter dem alles – auch das Licht – verschwindet. „Doch es gibt auch andere, bislang noch hypothetische Theorien, die ebenfalls die Existenz Schwarzer Löcher vorhersagen. Einige dieser Ansätze erfordern die Anwesenheit von Materie mit ganz besonderen Eigenschaften oder die Verletzung der uns bekannten physikalischen Gesetze“, sagt Rezzolla.

Gemeinsam mit Kollegen des Tsung-Dao Lee Instituts in Shanghai (China) hat der Frankfurter Physiker im Fachblatt „Nature Astronomy“ eine neue Möglichkeit vorgestellt, solche alternativen Theorien zu überprüfen. Denn bislang gab es keine handfesten Daten, die eine Widerlegung oder Bestätigung dieser Theorien ermöglichten. Mit den Schattenbildern der supermassereichen Schwarzen Löcher wollen die Forscher genau das künftig realisieren.

„Dazu benötigt man zweierlei“, erläutert Rezzolla. „Einerseits hochaufgelöste Schattenbilder der Schwarzen Löcher, um daraus ihren Radius möglichst gut bestimmen zu können, und andererseits eine theoretische Beschreibung, wie stark die verschiedenen Ansätze von der Einstein’schen Relativitätstheorie abweichen.“ Die Wissenschaftler haben nun eine umfassende Beschreibung vorgelegt, wie sehr sich verschiedene Arten hypothetischer Schwarzer Löcher von der Relativitätstheorie unterscheiden und wie sich dies in den Schattenbildern niederschlägt. Um dies zu untersuchen, führte das Team hochkomplexe dreidimensionale Computersimulationen durch, die das Verhalten von Materie und Magnetfeldern in der gekrümmten Raumzeit in der Umgebung der Schwarzen Löcher nachbilden. Aus diesen Simulationen erzeugten die Forscher dann synthetische Bilder des leuchtenden Plasmas.

„Die zentrale Frage war: Wie stark unterscheiden sich die Bilder von Schwarzen Löchern in verschiedenen Theorien voneinander?“, erklärt Erstautor Akhil Uniyal vom Tsung-Dao Lee Institut in Shanghai. Daraus konnten sie eindeutige Kriterien ableiten, anhand derer man mit künftigen, hochaufgelösten Messungen in vielen Fällen eine Entscheidung für eine bestimme Theorie treffen kann. Die Bildunterschiede sind zwar mit der gegenwärtigen Auflösung des EHT noch zu klein, wachsen aber systematisch mit verbesserter Auflösung. Hierzu haben die Physiker eine allgemeingültige Charakterisierung von Schwarzen Löchern entwickelt, die sehr unterschiedliche theoretische Ansätze zusammenfasst.

„Einer der wichtigsten Beiträge, den die EHT-Kollaboration zur Astrophysik geleistet hat, ist die Verwandlung von Schwarzen Löchern in testbare Objekte“, betont Rezzolla. „Unsere Erwartung ist es, dass die Relativitätstheorie sich auch künftig bewährt, so wie sie es bislang immer wieder getan hat.“ Bislang passen die Ergebnisse zu Einsteins Theorie. Die Messunsicherheit ist jedoch noch so groß, dass nur einige, sehr exotische Möglichkeiten ausgeschlossen werden konnten. So dürfte es sich bei den beiden Schwarzen Löchern im Zentrum von M87 und unserer Milchstraße weder um sogenannte nackte Singularitäten (ohne Ereignishorizont) noch um Wurmlöcher handeln – um nur zwei der vielen anderen theoretischen Möglichkeiten zu nennen, die es zu überprüfen gilt. „Und auch die etablierte Theorie muss man immer wieder testen, gerade an extremen Objekten wie Schwarzen Löchern“, ergänzt der Physiker. Es wäre eine Sensation, falls sich Einsteins Theorie irgendwann als hinfällig erwiese.

Für solche Messungen bietet das EHT hervorragende Möglichkeiten. Dieser Zusammenschluss mehrerer großer Radioteleskope quer über den Globus erreicht eine Auflösung wie ein Teleskop von der Größe der Erde – und hat so den scharfen Blick in die unmittelbare Umgebung der Schwarzen Löcher überhaupt erst möglich gemacht. In Zukunft sollen nicht nur weitere Teleskope auf der Erde zum EHT hinzugeschaltet werden. Die Wissenschaftler hoffen auch auf ein Radioteleskop im Weltall. Das würde die Gesamtauflösung noch einmal deutlich verbessern. Mit einem so hochauflösenden Blick könnte man die verschiedenen Theorien zu Schwarzen Löchern einem strengen Test unterziehen. Wie die nun vorgestellte Studie zeigt, benötigt man dazu Winkelauflösungen von unterhalb einer millionstel Bogensekunde – das entspricht etwa dem Blick auf eine Münze auf dem Mond von der Erde aus. Noch übersteigt das die heutigen Möglichkeiten, soll in einigen Jahren aber erreicht werden.