Das Schwarze Loch im Zentrum der Galaxie Messier 87

Am 10. April präsentierte die Arbeitsgruppe des Event Horizont Telescope erstmals das Bild eines Schwarzen Loches. Möglich wurde die Aufnahme durch die Zusammenschaltung mehrerer Radioteleskope, so dass eine Apertur von nahezu dem Erddurchmesser erreicht wurde. Das dargestellte Bild ist eine Art Falschfarbenaufnahme, in Wirklichkeit wurde es bei 1,3 mm Wellenlänge gewonnen, das ist Mikrowellenstrahlung. Für dieses optische Fenster ist sowohl die Erdatmosphäre als auch die dichte Materie um das Zentrum vom Messier 87 einigermaßen durchlässig.

Mich hat interessiert: Kann man ein Schwarzes Loch im herkömmlichen Sinne sehen? Natürlich können wir keine 1,3 Millimeter Wellenlänge wahrnehmen, aber selbst davon abgesehen gibt es interessante Einsichten.

Lichtstrahlen laufen in der Nähe eines Schwarzen Loches nicht geometrisch-geradlinig. Der Raum ist so gekrümmt, dass die Strahlen zum Schwarzen Loch hingelenkt und von diesem verschluckt werden – die roten Strahlen der Zeichnung.

Erst wenn der Lichtstrahl 3·√3/2 ≈ 2,6 Schwarzschildradien vom Schwarzen Loch entfernt verläuft, hat er eine Chance, seiner Schwerkraft zu entkommen. Dies ist der lilafarbene Strahl der Zeichnung, welcher das Schwarze Loch fast umrundet. Weiter außen eintreffende Strahlen werden zwar abgelenkt, umrunden das Schwarze Loch aber nicht.

Strahlengänge sind umkehrbar, das gilt auch für den gekrümmten Raum. Ein Strahl, der vom gelb eingezeichneten Stern ausgeht, wird durch das Schwarze Loch so umgelenkt, dass er die Bildebene waagerecht verlässt. Für die Strahlen dieser Sterne gibt es mehrere Wege um das Schwarze Loch herum:

Die Sichtebene ist ein wenig zur Bahnebene der beiden Sterne gekippt. Der innere, rote Stern hat eine enge, der gelbe Stern eine weitere Umlaufbahn. Wenn die Sterne vom Betrachter aus hinter dem Schwarzen Loch stehen, gibt es zwei Strahlenverläufe, welche einen Beobachter erreichen, gezeichnet in grün und blau. Die entsprechenden Lichtstrahlen verlassen den Stern nicht an der dem Betrachter zugewandten Seite, sondern an der Ober- und Unterseite! In der Projektionsebene erzeugen diese die kleineren Punkte / Sternabbilder, eines oberhalb und eines unterhalb des Schwarzen Loches.
Wenn der Stern auf der dem Betrachter zugewandten Seite steht, dann ist der Strahlengang noch ungewöhnlicher. Der Strahl von der Oberseite bewegt sich nur wenig gestört auf den Beobachter zu. Dies ist für beide Sterne in blau gezeichnet, und ergibt die großen Sternabbilder auf dem gedachten Projektionsschirm.
Es gibt jedoch noch einen weiteren Strahl, der einen weite entfernten Beobachter erreicht. Er tritt an der Unterseite aus, und dort eher in einem dem Beobachter abgewandten Bereich. Er umrundet das Schwarze Loch und wird auf diese Weise fast 180° gedreht. Ich habe diesen Strahl in lila erzeugt. Solche Strahlen erscheinen knapp oberhalb des Sichtbarkeitsbereich von 2,5 Schwarzschildradien.

Meine nächste Zeichnung zeigt, was wir während des Umlaufs des Sterns um das Schwarze Loch sehen, wenn wir ungefähr von der Äquatorebene darauf schauen. Ich habe dazu Berechnungen von Jean-Pierre Luminet aus den 1970er Jahren gefunden. Die Abbildung zeigt einen flachen Blickwinkel von 10° oberhalb des Äquators. Das Abbild zeigt einen recht weit vom Ereignishorizont entfernten Stern. Den Stern sehen wir nicht frontal, also die Äquatoraufsicht, sondern zwei Polansichten gleichzeitig!
Die blaue Linie zeigt die Nordhemisphäre. Während eines Umlaufs läuft der Stern auf einer Figur, die einem Schlapphut ähnelt. Die Durchlaufgeschwindigkeit dieser Kurve ist stark variabel, ich habe versucht, dies anzudeuten. Die die grüne Kurve zeigt die Süd-Hemisphäre. Auch hier ist die Durchlaufgeschwindigkeit wieder stark variabel.
Wenn der Stern hinter dem Schwarzen Loch steht, dann wird das von der Oberseite ausgehende Licht nach oben abgelenkt, was die "Kappe" des Schlapphutes erzeugt. Auf der Seite des Betrachters stehend wird das Licht der Oberseite viel weniger beeinflusst und läuft knapp unter dem Schwarzen Loch vorbei.
Die grüne gezeichnete Unterseite wird hinter dem Schwarzen Stern stehend nach unten abgelenkt. Wegen des etwas schrägen Blickwinkels ist das Ausmaß geringer als das der Oberseite. Die Lichtstrahlen, welche uns knapp oberhalb des hellgrau gezeichneten "Schattens" erreichen, stammen von dem uns zugewandten Bahnabschnitt und entsprechen dem lila eingeszeichneten Strahlengang. Das Licht wird zum Schwarzen Loch hin abgelenkt, umrundet es einmal und kehrt auf der Oberseite in unsere Blickrichtung zurück.

Wenn der Stern das Schwarze Loch enger umkreist (der rote Stern), dann verändern sich die Kurven. Der obere Bereich der grünen Kurve ist in der Srahlengang-Zeichnung nicht enthalten:

Ein Schwarzes Loch ist von einer Akkretionsscheibe aus heißem Gas umgeben. Diese Scheibe kann man sich vorstellen als übereinandergelegte Bahnen von vielen Sternen in unterschiedlichen Radien. Die beiden Zeichnungen oben geben also auch eine Anschauung davon, wie das Bild einer Akkretionsscheibe aussieht, welche ja in Wirklichkeit so eine Art Saturnring darstellt.

Blau und Grün sind die Bilder der Ober- und der Unterseite der Akkretionsscheibe dargestellt. Diese Scheibe muss sich schnell drehen, ansonsten würde sie in das Schwarze Loch hineingezogen. Dadurch gibt es Helligkeitsunterschiede im Bild der Scheibe: Diejenigen Bereiche, welche sich auf uns zu bewegen sind heller, diejenigen, welche sich entfernen dunkler. Ich habe versucht, das in der Zeichnung anzudeuten.
Im Zentrum des Bildes befindet sich ein Bereich, aus dem überhaupt kein Licht kommt, er ist schwarz. Das ist nun nicht das Schwarze Loch selbst. Es ist auch nicht sein Schatten, wie das Gebilde dennoch genannt wird. Ein Schatten ist die Projektion vor einem Hintergrund. Hier haben wir die Situation, dass auch Material, die sich direkt davor befindet, kein Licht aus dieser Richtung senden kann.
Die Situation ändert sich übrigens auch nicht, wenn wir statt einer Akkretionsscheibe eine kugelförmige Gaswolke annehmen. Dies können wir und zusammengesetzt aus mehreren Scheiben denken, die unterschiedlich stark zur Sichtlinie gekippt sind. Gekippte Scheiben lassen schon in der normalen Projektion das Zentrum frei, und mit zusätzlichen relativistischen Effekten erst recht. Es bleibt dabei: Aus dem Zentrum des Bildes kann kein Licht kommen.
Das ist es, was wir sehen: Kein Bild, kein Schatten, sondern ein Bereich, aus dem in Folge der Raumkrümmung kein Licht zu uns gelangt.

Uwe Pilz, Oktober 2019
ESO/Wikimedia Commons