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Christian Fromm von der Goethe-Universität.

Goethe Uni

Das erstes Bild von einem Schwarzen Loch

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Das Institut für Theoretische Physik der Goethe-Uni in Frankfurt hat den Computercode mitentwickelt

An einer Tafel an der Wand stehen Formeln. Daneben sind Diagramme mit steil ansteigenden Kurven zu sehen. Auf dem großen Bildschirm läuft die Simulation eines akkretierenden Schwarzen Lochs. An seinem Laptop sitzt Christian Fromm, klickt durch einige Grafiken und erklärt welchen Beitrag die Wissenschaftler an der Goethe-Universität bei der ersten visuellen Darstellung eines Schwarzen Lochs geleistet haben.

Fromm ist relativistischer Astrophysiker am Institut für Theoretische Physik der Goethe-Universität Frankfurt. Gemeinsam mit dem Direktor des Instituts, Luciano Rezzolla, sowie Yosuke Mizuno und Hector Olivares hat er an der Entwicklung eines Teils des Computercodes gearbeitet, der die Darstellung des Phänomens ermöglicht hat. Dass das Ganze ein Gemeinschaftsprojekt ist, betont der 37-Jährige immer wieder: „Ohne Teamwork geht es nicht.“ Angefangen von den Technikern, die an den Teleskopen arbeiten, über die Menschen in der Planung, Beobachtung, Auswertung, Interpretierung oder der Dokumentierung. Jeder sei essenziell für das Gelingen des Projekts gewesen.

Begonnen hat die Geschichte vor vielen Jahren. Einen Meilenstein gab es 2013, als die Black-Hole-Cam (BHC) zum Event-Horizon-Teleskop (EHT) stieß. Die BHC ist ein europäisches Projekt, das sich der Visualisierung und dem Verständnis von Schwarzen Löchern widmet – auch das Institut für Theoretische Physik der Goethe-Uni wirkt daran mit. Das EHT ist ein im Rahmen einer internationalen Kollaboration zusammengeschaltetes Netzwerk von acht bodengebundenen Radioteleskopen, die letztlich das Foto möglich machten.

Alle Partner im Netzwerk leisteten jahrelange Vorarbeit, bis die eigentlichen Messungen im April 2017 stattfanden. An vier Tagen (5., 6., 10. und 11. April) wurde das Schwarze Loch in der rund 55 Millionen Lichtjahre entfernten Galaxie M87 für je acht Stunden beobachtet. Dabei wurde die Radiointerferometrie angewendet, ein Verfahren bei dem elektromagnetische Strahlung von Radioteleskopen gemessen wird. Die Daten wurden anschließend ausgewertet.

„Ein Alleinstellungsmerkmal von Frankfurt ist, dass wir hier die drei letzten großen Schritte alle im Haus machen können“, sagt Fromm. So waren die Bildgebung, Simulation und Interpretation an der Goethe-Uni möglich. Da die Daten nur wenige Pixel des Gesamtbilds zeigen, musste der Rest durch Algorithmen berechnet werden. Ein Teil des Codes wurde in Frankfurt geschrieben. Das Team aus Frankfurt erzeugte in monatelangen Rechnungen mit Supercomputern mehrere Zehntausend Bilder von dem Schwarzen Loch. Für jede Simulation mussten die Computer rund einen Monat lang rechnen. Unterschiedliche physikalische Modelle erzeugten verschiedene Bilder, die die Forscher mit dem beobachteten Bild verglichen. Immer wieder wurden die Simulationen doppelt und dreifach geprüft. „Wenn das Bild einmal raus ist, ist es in der Welt.“ Die Forscher wollten sich absolut sicher sein. Einmal wöchentlich wurden in Videokonferenzen aktuelle Informationen ausgetauscht, in der heißen Phase dreimal.

Bessere Auflösung

„Wir haben erst angefangen“, sagt Fromm. Das Bild sei nur die Veröffentlichung der ersten Beobachtung gewesen. Die Arbeit mit den Daten gehe weiter. Das nächste große Ziel sei eine weitere Messung im kommenden Jahr. Dann sollten zwei weitere Teleskope bei den Aufnahmen mitmachen: ein Teleskop in Frankreich sowie das Kitt Peak in Nordamerika. Ein Teleskop, das in Grönland stationiert werden soll, könnte die Zahl sogar auf elf erhöhen, falls es rechtzeitig fertig wird. Mehr Teleskope würden für eine bessere Auflösung des resultierenden Bildes sorgen. Eine weitere Verbesserung wollen die Wissenschaftler erreichen, indem die Beobachtungen der Radiofrequenzen nicht bei 230 Gigahertz, sondern bei 350 stattfinden.

Die bisherige Datenauswertung habe der Welt nicht nur eine erste Darstellung eines Schwarzen Lochs gegeben, sondern den Forschern auch neue Erkenntnisse verschafft. So wisse man nun, dass die Masse des Schwarzen Lochs in M87 bei 6,5 Milliarden Sonnenmassen liege.

Fromm freut sich auf die kommenden Aufgaben. „Neue Herausforderungen machen Spaß“, sagt der gebürtige Bayer. Auch heute mit dem Bild seien die zugrunde liegenden Modelle noch nicht hundertprozentig. „Wir haben die Schwarzen Löcher noch nicht komplett verstanden.“

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