Ring of Fire in M 87 - Aktuell: Erstes Bild von einem Schwarzen Loch Bild: Event Horizon Telescope Collaboration 2019 - LSW Heidelberg

Ring of Fire in M 87

Aktuell: Erstes Bild von einem Schwarzen Loch
       Bild: Event Horizon Telescope Collaboration 2019

Diskussion
• Die Pressekonferenz vom 10.4.2019
• Warum gerade Messier 87 ?
• Was wissen wir über Messier 87 ?
• Das Event Horizon Teleskop EHT mit seinen
  Teleskopen.
• Welche Information enthält ein
  Interferometer ?
• Was bedeutet das Bild von Messier 87 ?

EHT Press Conference @ EU
10.4.2019

EHT Press Conference @ NSF
                     10.4.2019

First Results from EHT  6 Papers
      erschienen am 10.4.2019 in ApJ Letters
          300 Autoren von 60 Instituten
• I. The Shadow of the Supermassive Black
  Hole  Übersichtsartikel.
• II. Array and Instrumentation.
• III. Data Processing and Calibration.
• IV. Imaging the Central SM Black Hole.
• V. Physical Origin of the Asymmetric Ring.
• VI. Shadow and Mass of the Central Black
  Hole.

Heino Falcke:
Schwarze Löcher
haben wir bisher
 immer indirekt
wahrgenommen.
 Jetzt sehen wir
 die Gegend, in
    der Licht
  verschwindet.

Warum gerade Messier 87 ?
• Alle Galaxien weisen SL im Zentrum auf!
• Das nächste Objekt wäre das Schwarze Loch
  im galaktischen Zentrum mit 4,4 Mio.
  Sonnenmassen in 8 kpc Entfernung.
• Messier 87 ist 2000 mal weiter entfernt –
  16,8 Mpc - dafür ist der Horizont auch 1500
  mal größer, da die Masse des Schwarzen
  Lochs 6,6 Mrd. Sonnenmassen beträgt.
•  Der scheinbare Winkeldurchmesser ist für
  beide Horizonte damit etwa gleich!

Horizont-Skala   Die „besten Schwarzen Löcher“

Virgo-Haufen mit M 87
Distanz: 16 Mpc = 50 Mio.LJ
M 87: elliptische Galaxie E1

Messier 87
Teleskop: CFHT

Canada-France-Hawaii-Telescope

4-m-Canada-France-Hawaii-Telescope

Bewegung der Sterne in M87                           MH = (6,6 +- 0,4) Mrd. MS

                             Schwarzes Loch
                             zwingt Sterne
                             zu immer
                             schnellerer
                             Bewegung
                             ---------------------
                             1 arcsec = 80 pc
                             1 pc = 206.264 AE

                             Gebhardt et al. 2011         Bewegung
                             arXiv:1101.1954              in Ellipse

SL in Messier 87 ist Quelle eines
großräumigen Jets  Radioblase / VLA
 Schwarze Loch rotiert schnell – a > 0,95

M87 Jet to Bubble Montage

M 87
    Jet
     &
Counter-
    Jet
-----------         Core mit
                    Schwarzem Loch
  VLBA
 43 GHz
Craig Walker 2018
arXiv:1802.06166

Teleskop des VLBA-Netzwerks

25-m-Teleskope des VLBA-Netzwerks
     Beobachtung bei 0,3 – 96 GHz

VLBA:   10 25m dishes, 8000km baseline

MH = 6,6x109 MS
                  Messier 87
 a = 0,95
                  Black Hole
                  rg = 66 AE
                  rH = 86 AE

2 Radioteleskope wirken
wie ein Doppelspaltexperiment

Das Doppelspaltexperiment
Beugungsgrenze  Fringe Pattern

Der Doppelspalt Wasserwellen

Radio-Interferometrie
Größte Basislinie  Auflösungsvermögen

                           Messe elektrische
                           Felder

                           Korreliere dies
                            im Computer

                           Wiederhole
                            für jedes Paar

Event Horizon Telescope EHT
Interferometer von 8 Teleskopen

Global Network of 8 Telescopes 2017
  ALMA

ALMA @ Chajnantor 5000 müM

IRAM 30-m-Teleskop Sierra Nevada
Europas Beitrag zum EHT auf 2850 müM

Südpol-Teleskop SPT – 10 m
Die Daten (27 PB!) blieben ein halbes Jahr am Südpol,
            bis es wieder Sommer wurde!

Neu: Grönland 12-m-Teleskop

Neu: IRAM NOEMA 8 Plateau de Bure
 10 15-m-Antennen auf 2550 müM

EHT
     Daten-
   Handling
  ---------------
 Die ganzen Daten
(ein paar Petabyte)
    wurden auf
Festplatten zu MIT
und MPIfR in Bonn
geschickt und dort
   im Korrelator
    verarbeitet

Der Korrelator in Haystack (MIT)

Interferometer  Visibility Bild-Funktion V(u,v)

   Ein Interferometer liefert 2 Zahlen: das Signal im Realteil (V R) und
   Imaginärteil (VI), die zusammen die komplexe Visibilität V(u,v) bestimmen.
   Diese ist genau die 2D Fourier-Transformierte der Intensitätsverteilung
   I(x,y). Dabei sind u und v die Koordinaten der Basislinien in EW- und NS-
   Richtung, gemessen in Einheiten der verwendeten Wellenlänge l (1,3 mm).

V(u,v) ist eine komplexe Zahl
 r: Betrag (Amplitude); f: Phase

Was ist Fourier-Transformation ?
Da kommt jetzt ein kompliziertes, aber sehr wichtiges Stück
Mathematik ins Spiel: Die Fourier-Transformation. Simpel gesagt
geht es dabei um die Tatsache, dass man jedes Signal (also zum
Beispiel eine Lichtwelle) auch als Überlagerung von einfachen Sinus-
Schwingungen darstellen kann. Je komplexer das Signal ist, desto
mehr unterschiedliche Schwingungen braucht man. Die Fourier-
Transformation ist nun genau die mathematische Technik mit der
man ein Signal in die Überlagerung von Schwingungen umrechnen
kann bzw. aus einer Überlagerung von Schwingungen wieder ein
Signal rekonstruiert. Das geht auch zweidimensional: Ein Teleskop
misst ja die Intensität von Licht am zweidimensionalen Himmel.
Diese Helligkeitsverteilung kann man in ein entsprechendes Fourier-
Muster aus Schwingungen umrechnen. Und aus dem Muster kann
man die ursprüngliche Intensitätsverteilung wieder rekonstruieren.
Also das Bild des Himmels, das man eigentlich sehen will.

Je mehr unterschiedliche Anordnungen von Teleskopen man
verwendet, desto mehr unterschiedliche Muster kriegt man und
desto mehr Informationen über die Struktur der Lichtquelle
kann man sammeln. Diese Informationen schmeißt man wieder
in die Maschine der Fourier-Transformation und rekonstruiert
damit das ursprüngliche Bild der Quelle.

Je weiter die Teleskope auseinander stehen, je länger also die
Basislinie ist, desto feiner wird das Streifenmuster der
Schablone und desto besser kann man die Quelle auflösen. Um
ein virtuelles Riesen-Teleskop zu konstruieren, verteilt man also
jede Menge Teleskope über die Erde und schaltet sie in allen
möglichen Kombinationen zusammen. Jede Kombination aus
zwei Teleskopen liefert eine neue Basislinie, eine neue
Schablone und damit ein neues Muster. Die Größe des
virtuellen Teleskops und damit sein maximales Auflösungs-
vermögen entspricht dabei dem größten Abstand zwischen zwei
der Einzelgeräte.

Winkeldurchmesser Messier 87 SL
•  Gravitationsradius GM/c² = 66 AE = 4 µas
•  ISCO-Radius = 2GM/c² = 132 AE @ a = 0,95
•  Der Scheibeninnenrand wird durch ISCO
  bestimmt.
•  Winkeldurchmesser ISCO in d = 16 Mpc
• q = (4GM/c²)/d = 264 AE / 16 Mpc
    = 264 /(16 x 106 x 206.264) = 8,0 x 10-11 rad
    = 1,64 x 10-5 arcsec = 16,4 µas
Auflösungsvermögen von EHT @ 230 GHz:
   q = l/BLmax = l/13.000 km [Erddurchmesser]
     = 1,3 mm/13.000 km = 1,0 x 10-10 rad
     = 20,6 µas  20 µas (EHT)  ISCO-Durchm.

Die Umkehrung ist nicht eindeutig
da V(u,v) nicht in der ganzen (u,v)-Ebene bekannt!

Genau das hat das Event Horizon Telescope getan. Acht
Radioteleskope auf der ganzen Erde wurden eingesetzt, um am
Ende das Bild des Schwarzen Lochs zu erhalten. Das Radiosignal
wurde dabei aber natürlich nicht real durch die Gegend zu einem
Interferometer geschickt. Das wäre nicht möglich gewesen;
immerhin stand eines der Teleskope in Grönland, ein anderes in
der Antarktis, ein paar auf Hawaii, und so weiter. Man hat jeweils
zur gleichen Zeit die Region am Himmel beobachtet, alle Daten
aufgezeichnet und mit extrem genauen Zeitstempeln versehen
(das ging nur durch den Einsatz von Atomuhren). Die ganzen
Daten (ein paar Petabyte) wurden auf Festplatten zu MIT und
MPIfR in Bonn geschickt, in einen Supercomputer geladen und
dort quasi noch mal als “Playback” abgespielt und dann virtuell
überlagert und analysiert. Die eigentlichen Beobachtungen
fanden während nur vier Tagen statt, die Auswertung der Daten
hat sehr, sehr viel länger gedauert …

Die
 Bedeckung
  der (u,v)-
   Fourier-
    Ebene
 ist unvoll-
   ständig
   für M87
 --------------
  N(N-1)/2
 Basislinien
     N=7
Erddurchmesser = 10 Gl

Visibilität-Amplitude (Jy) vs. Basis-Linie

                    Modell einer Ringemission
                    mit Durchmesser 47 µas

Die Interpretation des EHT-Bildes
 Schwarzes Loch + Akkretions-Torus

100 pc
 Füttert Schwarzes Loch

Magnetfelder treiben Turbulenz in der
   Scheibe und kollimieren Jets

Kleinster Beam-Size = ISCO-Durchmesser
                      Torus-Struktur
                       Jet-Inklination: 17°
                     Max. Intensität
                       @ r = 24 µas = 6 GM/c²

                       ISCO

    Beam-Size 20 µas              Beaming

                  Scale: 50 µas

EHT-Collaboration April 2019

    Ringdurchmesser = 11 Gravitationsradien
Spin-Parameter a unbekannt, a > 0,9 ?

 Optisch dünne Emission
    aus einem Akkretions-Torus
                                          Jet

1,3 mm  Synchrotron-Emission von thermischen Elektronen in Magnetfeldern

Wie wird Sgr A* aussehen ?
 wahrscheinlich größere Inklination

Was bringt die Zukunft ?
Das Event Horizon Telescope hat seine Aufgabe mehr
als nur zufriedenstellend gelöst. Aber es wird natürlich
nicht aufhören! Auch andere Schwarze Löcher wollen
beobachtet werden. Und neben den ursprünglichen
acht Teleskopen haben sich mittlerweile auch einige
andere Sternwarten der Organisation angeschlossen.
Es wird also bei zukünftigen Beobachtungen noch
mehr Basislinien geben, noch mehr Informationen und
damit noch bessere Bilder. Prinzipiell spricht auch
nichts dagegen, die Löcher noch ein wenig größer zu
machen: Man könnte ein Radioteleskop auch irgendwo
im All platzieren (Mond z.B.) und mit den Teleskopen
auf der Erde kombinieren. Und wer weiß, was wir dann
damit alles sehen können…