Astronomen veröffentlichen ein verbessertes Bild eines Schwarzen Lochs: NPR

Nell Greenfieldboyce

Forscher nutzten Computersimulationen von Schwarzen Löchern und maschinelles Lernen, um eine überarbeitete Version (rechts) des berühmten ersten Bildes eines Schwarzen Lochs zu erstellen, das bereits 2019 veröffentlicht wurde (links). Medeiros et al. 2023 Bildunterschrift ausblenden

Forscher nutzten Computersimulationen von Schwarzen Löchern und maschinelles Lernen, um eine überarbeitete Version (rechts) des berühmten ersten Bildes eines Schwarzen Lochs zu erstellen, das bereits 2019 veröffentlicht wurde (links).

Das erste ikonische Bild eines Schwarzen Lochs sah aus wie ein unscharfer, orangefarbener Donut, aber jetzt wurde dieses Bild dank Computersimulationen und maschinellem Lernen zu einem feurigen Ring verschärft.

Das schwarze Innere dieses Rings aus heißen Gasen ist ein Bereich kosmischer Seltsamkeit und einer so starken Schwerkraft, dass nichts, nicht einmal Licht, entkommen kann. Laut einem neuen Bericht in The Astrophysical Journal Letters sieht es auf dem aktualisierten Bild viel größer und dunkler aus.

Das Bild zeigt das Schwarze Loch M87, ein großes, etwa 55 Millionen Lichtjahre entferntes Schwarzes Loch, das vermutlich 6,5 Milliarden Mal massereicher als die Sonne ist. Dies ist das Schwarze Loch, das 2017 von einem Netzwerk von Teleskopen auf der ganzen Welt beobachtet wurde, das als Event Horizon Telescope bekannt ist und zusammen als riesiges Radioteleskop von der Größe der Erde fungierte.

Zwei Jahre später gab das internationale EHT-Team unter großem Getöse bekannt, dass es das erste Bild von M87 produziert hatte. „Wir sind sehr, sehr stolz und wirklich begeistert von diesem Bild. Ich war wirklich an der Erstellung dieses Bildes beteiligt“, sagt die Astrophysikerin Lia Medeiros vom Institute for Advanced Study in Princeton, New Jersey

Dennoch, sagt sie, „werden wir immer versuchen, uns zu verbessern und immer versuchen, ein immer besseres Image zu haben.“

Die Idee eines Himmelskörpers mit einer so starken Schwerkraft, dass er kein Licht entweichen lässt und ihn unsichtbar macht, gibt es bereits seit dem 18. Jahrhundert. Astronomen wissen jetzt, dass schwarze Löcher entstehen können, wenn ein sterbender Stern in sich zusammenfällt. Obwohl das Schwarze Loch selbst nicht sichtbar ist, lässt sich seine Anwesenheit aus den Auswirkungen seiner Schwerkraft auf seine Umgebung ableiten.

Zum Beispiel wirbeln Gas, Staub und Trümmer, die in ein Schwarzes Loch gesaugt werden, herum und erhitzen sich, während sie nach innen fallen, wodurch ein Umriss um das unsichtbare, unersättliche Biest entsteht. Diese Übersicht konnte das EHT-Team erfassen.

Die künstlerische Darstellung zeigt ein schnell rotierendes supermassereiches Schwarzes Loch, umgeben von einer dünnen Scheibe aus rotierendem Material, den Überresten eines sonnenähnlichen Sterns. ESO, ESA/Hubble, M. Kornmesser/N. Bartmann Bildunterschrift ausblenden

Aber ein Porträt eines Schwarzen Lochs mit einer Reihe von Teleskopen zu porträtieren, erklärt Medeiros, sei etwas ganz anderes als das Fotografieren mit einer gewöhnlichen Kamera. „Wir machen nicht wirklich ein Foto in dem Sinne, dass es nur eine Kamera gibt, die einfach klickt“, sagt sie.

Stattdessen müssen die Forscher Lücken in ihren Daten schließen, indem sie bestimmte Annahmen treffen und eine Menge Berechnungen anstellen.

In dieser neuen Version des Bildes wurden die Lücken mit Hilfe der Physik – nämlich Computersimulationen von Schwarzen Löchern – und maschinellem Lernen geschlossen. Die Forscher erstellten über 30.000 simulierte Bilder von Schwarzen Löchern, die ein breites Spektrum an Möglichkeiten abdeckten, und suchten dann nach gemeinsamen Mustern in diesen Bildern.

Die Forscher nutzten Zehntausende Bilder, die durch Simulationen von Schwarzen Löchern erzeugt wurden, um ihr maschinelles Lernprogramm zu trainieren. Bildnachweis: Medeiros et al. 2023

„Was wir wirklich tun, ist, die Korrelationen zwischen verschiedenen Teilen des Bildes zu lernen. Und das tun wir, indem wir Zehntausende hochauflösende Bilder analysieren, die aus Simulationen erstellt werden“, sagt Medeiros. „Wenn Sie ein Bild haben, sind die Pixel in der Nähe eines bestimmten Pixels nicht völlig unkorreliert. Es ist nicht so, dass jedes Pixel völlig unabhängige Dinge tut.“

Das Erlernen der Korrelationen zwischen den Bildteilen habe ihnen geholfen, die durch fehlende Daten entstandenen Lücken besser zu schließen, sagt sie. Und das resultierende neue Bild stimmt mit dem alten überein, aber der Ring aus heißen Gasen, die um das Schwarze Loch wirbeln, ist deutlich dünner.

„Die Tatsache, dass die Ringbreite etwa um den Faktor zwei kleiner ist, ist unglaublich spannend“, sagt Medeiros.

Es ist eine Offenbarung, die ihnen helfen wird zu verstehen, was passiert, wenn Materie um das Schwarze Loch wirbelt und hineinfällt.

„Wenn mehr Materie in das Schwarze Loch fällt, entsteht ein dickerer Ring. Und wenn weniger Materie hineinfällt, sollte es einen dünneren Ring erzeugen, oder?“ Sie sagt.

Bisher sieht alles noch im Einklang mit Albert Einsteins Vorhersagen aus. Das gilt auch für das einzige andere Schwarze Loch, das bisher abgebildet wurde, nämlich das im Zentrum der Milchstraße. Dies wurde auch von diesem Forschungskonsortium beobachtet.

Medeiros glaubt, dass kontinuierliche Verbesserungen der Computersoftware und der Teleskophardware dazu führen werden, dass das Bild des Schwarzen Lochs M87 immer genauer wird.

„In 20 Jahren ist das Bild vielleicht nicht mehr das Bild, das ich Ihnen heute zeige“, sagt sie. „Es könnte sogar noch besser sein.“