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Die Zahl500 Pluspunkte für Albert Einstein

Die Analyse eines Fotos von einem supermassiven schwarzen Loch liefert einen Test, den Einsteins allgemeine Relativitätstheorie mit Bravour besteht.

Foto vom Schatten eines schwarzen Lochs im Zentrum der Galaxie Messier 87.
Foto vom Schatten eines schwarzen Lochs im Zentrum der Galaxie Messier 87.
Foto: EHT

Schwarze Löcher sind – schwarz. Da mag es überraschen, dass Astronomen letztes Jahr das erste Foto eines schwarzen Lochs präsentierten. Schwarze Kugel vor schwarzem Hintergrund, oder so in der Art.

Tatsächlich gilt dieses Foto eines schwarzen Lochs im Zentrum der Galaxie Messier 87 (M87), aufgenommen mit dem Event Horizon Telescope (EHT), als Meilenstein der Astronomie. Denn es ist der fast schon ultimative Beleg, dass diese Objekte existieren. Bislang konnten schwarze Löcher nur viel indirekter nachgewiesen werden, etwa durch die rasante Umlaufbahn von Sternen (wofür dieses Jahr der Physiknobelpreis verliehen wurde) oder durch Gravitationswellen, die schwarze Löcher bei ihrer Fusion abstrahlen (Nobelpreis 2017).

Natürlich ist ein schwarzes Loch kein besonders spannendes Fotomotiv. Doch dessen direktes Umfeld kann durchaus leuchtkräftig sein. Wenn Gas um das Loch herumwirbelt, kann es sich so stark aufheizen, dass es Licht verschiedener Wellenlängen abstrahlt. Die Lichtwellen werden durch die Raumkrümmung verbogen, die das schwarze Loch durch seine Schwerkraft in der Umgebung hervorruft. Es entsteht ein ringförmiger Kranz aus elektromagnetischer Strahlung. In der Mitte sitzt, wie ein runder Schatten, das schwarze Loch.

Anhand des Schattens lässt sich prüfen, ob Albert Einstein recht hat. Auf Basis seiner allgemeinen Relativitätstheorie (ART), einer Theorie der Gravitation, wurde die Existenz von schwarzen Löchern vorhergesagt. Seit mehr als hundert Jahren suchen Physiker nach kleinen Abweichungen von Einsteins Prognosen. Denn diese könnten ein Anhaltspunkt sein, wie eine alternative und umfassendere Theorie aussehen könnte.

Da die Raumverzerrung durch das schwarze Loch wie eine Lupe wirkt und die Stärke der Lupe wiederum stark von der verwendeten Theorie der Gravitation abhängt, hängt auch die Grösse des Schattens sensibel von der Theorie ab. Wie ein internationales Forscherteam nun in den «Physical Review Letters» schreibt, stimmt die gemessene Grösse des Schattens sehr gut mit den Prognosen der ART überein.

Unterschiedliche Theorien der Gravitation machen unterschiedliche Prognosen (blauer Kreis) für die Grösse des Schattens vom schwarzen Loch.
Unterschiedliche Theorien der Gravitation machen unterschiedliche Prognosen (blauer Kreis) für die Grösse des Schattens vom schwarzen Loch.
Darstellung: U. Arizona / EHT

Bisher wurde die ART meist im Zusammenhang mit eher schwachen Gravitationskräften geprüft, etwa in unserem Sonnensystem oder mittels Gravitationswellen bei fusionierenden schwarzen Löchern, die bis zu 150 Mal so schwer sind wie die Sonne. Das schwarze Loch in M87 ist aber 6,5 Milliarden Mal so schwer wie die Sonne. Mithin bietet es den bisher extremsten Test für die ART. Im Vergleich zu Tests in unserem Sonnensystem setze der Schatten des schwarzen Lochs eine rund 500 Mal strengere Grenze für die Vorhersagen einer Gravitationstheorie. Man könnte auch sagen: Es ist jetzt 500 Mal schwieriger, Einsteins ART zu widerlegen.

13 Kommentare
    Sacha Meier

    Bei mittleren und starken konkaven Raumkrümmungen - die wiederum die Gravitation bewirken, was sich eben durch Geodäten (vgl. Foto) beweisen lässt - lag Einsteins ART (Allgemeine Relativitätstheorie) und die SRT (Spezielle Relativitätstheorie) zweifellos richtig. Jenseits des Ereignishorizonts - vF > c; also wo die Fluchtgeschwindigkeit die Lichtgeschwindigkeit übersteigt - hört der Gültigkeitsbereich allerdings auf. Dort braucht es dann die multidimensionale Quantentheorie in einer bestimmten Geschmacksrichtung, die wir aus politischen, wirtschaftlichen und fiskalischen Gründen erst in rund 400 Jahren (Ende der Kohle) ins Standardmodell eingang finden dürfte. Ernste Probleme bekommen sowohl die Newton'sche Dynamik (worauf auch die Kepler'schen Gesetze beruhen), aber auch Einsteins Relativität, wenn es um sehr schwache Gravitationsfelder geht, wie sie etwa in galaktischen Strukturen vorkommen. Dort stimmt beides ziemlich grob nicht. Hat auch wieder etwas mit der besagten Quantenphysik und einer von G (Gravitationskonstante) abweichenden gravitoelektromagnetischen Kopplung zu tun. Darum hat man als «mathemagische» Notlösung MOND eingeführt (Akronym für MOdified Newton Dynamics), bei der man solange an Korrekturfaktoren geschraubt hat, bis die Beobachtung mit dem Formalismus übereinstimmte. Was zwar wissenschaftlich unsauber ist, aber funktional. Weder die Fossilenergieindustrie, noch die USAF/AFSPC (neu USSF) muss so Angst um ihre Pfründen, bzw. Space Superiority haben. ;-)