Physiker der Uni Frankfurt haben dabei geholfen, das erste Bild eines Schwarzen Lochs zu erzeugen. Mit ihren Simulationen stoßen sie an die Grenzen von Raum und Zeit vor. Wie weit kann Forschung reichen?

Gerne würde Roman Gold einmal den Radioastronomen über die Schulter schauen. Schon deswegen, weil deren Teleskope oft an faszinierenden Orten wie der Antarktis oder auf hohen Bergen stehen. Aber auch die Arbeitsweise der Kollegen möchte der Frankfurter Physiker genauer kennenlernen. Schließlich verdankt er ihnen die Informationen, mit denen er seine eigenen Berechnungen überprüfen kann. Spektakuläre Bilder aus den Tiefen des Weltalls gibt es in den Kontrollräumen dieser Spähposten nicht zu bewundern – Radiowellen sind schließlich unsichtbar. Trotzdem fände Gold es reizvoll, den Strom der Messwerte zu verfolgen, die von den Parabolspiegeln eingefangen werden. Gigantische Mengen solcher Daten haben die Forscher des „Event Horizon“ Projektes gesammelt. Ein dankbarer Abnehmer war das Team von Luciano Rezzolla, zu dem Gold gehört.

Uni-Professor Rezzolla und seine Mitarbeiter sind theoretische Physiker; sie simulieren am Computer astronomische Phänomene wie Gravitationswellen, Schwarze Löcher und Neutronensterne. In den vergangenen Monaten hatten sie eine besonders aufregende Gelegenheit, ihre Modelle an der Wirklichkeit zu messen. Diese Realität waren die Radiosignale aus dem Zentrum des Sternennebels M87, aufgefangen vom weltumspannenden Teleskopverbund des „Event Horizon“-Programmes.

Dass aus den Zahlenkolonnen des intergalaktischen Lauschangriffs ein Bild entstand, das um die Welt ging, ist zu einem Gutteil das Verdienst der Frankfurter Forscher. Rezzolla, Gold und ihre Kollegen haben geholfen, die Daten zu interpretieren und mit ihnen das darzustellen, was die Menschheit bisher nur als Computer-animation kannte – den kreisrunden Schatten eines Schwarzen Lochs, umgeben von einer rotierenden Scheibe aus heißem Plasma. Vier Arbeitsgruppen sind unabhängig voneinander zu dem Schluss gelangt, dass die am Ende publizierte Ringstruktur die plausibelste Interpretation der Messwerte ist. Einem dieser Teams gehörte Christian Fromm an; er ist wie Gold Postdoktorand bei Rezzolla.

Räumliche Nähe lohnt sich

Ein Schwarzes Loch auch nur zu simulieren erfordert viel Zeit, viel Geld und riesige Rechnerkapazität. Wie Gold erklärt, haben er und seine Kollegen etwa 20 verschiedene Modelle erprobt. Sie lieferten an die 60.000 Bilder, die zeigten, wie ein solcher lichtschluckender Schlund aussehen könnte. „Es gibt jede Menge Parameter, die das Ergebnis der Simulation beeinflussen“, sagt der Physiker. Die Resultate verändern sich zum Beispiel, je nachdem ob man das Schwarze Loch mehr oder weniger Materie ansaugen lässt oder die magnetischen Eigenschaften der Umgebung verändert. Um ihre virtuellen Schöpfungen zu testen, konnten die Forscher auf den Supercomputer Loewe-CSC zugreifen, den die Universität im Industriepark in Frankfurt-Höchst betreibt. Auch auf leistungsstarke Rechner in anderen Städten hatten die Wissenschaftler Zugriff.

Dennoch weiß Gold gerade die räumliche Nähe zu schätzen: „Hier kann man auch mal direkt mit den Administratoren reden, falls es Probleme gibt, und wenn es dringend ist, muss man nicht drei Wochen auf Rechenzeit warten.“ Spannend wurde es für die Rezzolla-Gruppe, als sie die Gelegenheit bekam, die „Event Horizon“-Daten mit ihren Modell-Ergebnissen zu vergleichen. Im April 2017 hatten die acht Radioteleskope des Verbundes bei optimalem Wetter das Zentrum der Galaxie M87 anvisiert. Gut anderthalb Jahre dauerte es, bis die Daten so sortiert und komprimiert waren, dass die Frankfurter ihre Simulationen damit überprüfen konnten.

„Wir haben recht schnell gesehen, dass die Strukturen des Bildes im Groben durch viele Modelle erklärbar sind“, sagt Gold. Nach und nach konnten die Forscher aber jene Szenarien eliminieren, die nicht zum Beobachteten passten. Sie hatten zudem erwogen, dass sich hinter dem 55 Millionen Lichtjahre entfernten Schatten etwas anderes als ein Schwarzes Loch verbergen könnte – vielleicht ein noch exotischeres Objekt wie ein Gravastern oder eine „nackte Singularität“, ein Ort, in dem sich die Raumzeit unendlich krümmt. Doch auch diese Hypothesen wurden schließlich verworfen.

Gründliches Arbeiten ist ein Muss

Dass bis zur großen Pressekonferenz am 10. April nichts von der Entdeckung bekanntwurde, hat Gold sehr gefreut, wie er sagt. Groß wäre der Ärger gewesen, wäre das Bild vorher in den Medien aufgetaucht – und immens der Schaden, wenn die Forscher danach noch dessen Deutung hätten korrigieren müssen. Gerade in Zeiten wachsender Wissenschaftsfeindlichkeit sei es entscheidend, dass gründlich gearbeitet werde, das Vorgehen am Ende aber auch transparent sei. Zum Wesen der Wissenschaft gehört es, dass sich nun überall auf der Welt Physiker daran machen, die Ergebnisse von „Event Horizon“ kritisch zu überprüfen. Mit Blick auf die Daten meint Gold: „Da sind sicher noch Geheimnisse drin.“

Angesichts der Begeisterung, die die Resultate geweckt haben, erwartet er für die nähere Zukunft weitere Durchbrüche. Mehr Radioteleskope und die Signalsuche in anderen Frequenzbereichen könnten noch detailliertere Einblicke in jene Regionen des Alls erlauben, in denen Raum und Zeit an ihr Ende zu kommen scheinen. Auf das erste „Foto“ des Schwarzen Lochs folgt womöglich bald der erste Kurzfilm: Gold hält es für denkbar, dass darin Gasfontänen zu sehen sind, ähnlich jenen, die von der Oberfläche der Sonne ausgehen. Mit besserer Technik ist vielleicht auch das im Zentrum der Milchstraße vermutete Schwarze Loch zu beobachten. Es ist viel kleiner als das von M87 und verändert sich alle 30 Sekunden, wie Gold erläutert. Für Radioastronomen sei das so, „als wolle man ein Kind, das hin und her rennt, mit langer Belichtungszeit fotografieren“.

Nicht zuletzt erhofft sich der 37 Jahre alte Postdoktorand von der Mitwirkung an „Event Horizon“ einen Schub für die eigene Karriere. Ende 2017 ist er nach Frankfurt gekommen, davor hat er in Kanada und den Vereinigten Staaten geforscht. Jetzt wünscht er sich eine eigene Arbeitsgruppe; sein Ziel ist es, Professor zu werden. An Daten, mit denen er seine Modelle testen kann, wird es auch künftig nicht fehlen. Im Moment sind die Jäger des Schwarzen Loches noch mit dem Zergliedern der Beute beschäftigt. Aber schon nächstes Jahr werden sie ihre Teleskope wieder ins Herz der Finsternis richten.