Am 10. April 2019 wurde ein Bild veröffentlicht, das innerhalb weniger Stunden um die Welt ging: ein unscharf wirkender orangefarbener Ring mit einem dunklen Zentrum. Was auf den ersten Blick unspektakulär erscheinen konnte, war das Ergebnis jahrelanger Vorbereitung, gewaltiger Datenmengen und der Zusammenarbeit von Radioteleskopen auf mehreren Kontinenten. Zum ersten Mal war es gelungen, die unmittelbare Umgebung eines Schwarzen Lochs so abzubilden, dass sein charakteristischer Schatten sichtbar wurde. Das Objekt trägt die Bezeichnung M87* und befindet sich im Zentrum der riesigen Galaxie Messier 87.

M87* ist ein supermassereiches Schwarzes Loch von gewaltigen Dimensionen. Seine Masse beträgt ungefähr 6,5 Milliarden Sonnenmassen. Rund 55 Millionen Lichtjahre trennen es von der Erde. Dass ausgerechnet dieses weit entfernte Schwarze Loch zum ersten fotografierten Vertreter seiner Art wurde, obwohl sich im Zentrum unserer eigenen Milchstraße ein deutlich näher gelegenes Schwarzes Loch befindet, hat vor allem mit seiner enormen Größe und seinem vergleichsweise ruhigen Erscheinungsbild zu tun.

Wo befindet sich M87*?

M87* liegt im Zentrum von Messier 87, einer riesigen elliptischen Galaxie im Virgo-Galaxienhaufen. Der Stern am Ende des Namens ist dabei kein Hinweis darauf, dass es sich um einen Stern handelt. Die Schreibweise M87* bezeichnet die kompakte Radioquelle und das damit verbundene supermassereiche Schwarze Loch im galaktischen Zentrum.

Messier 87 unterscheidet sich deutlich von unserer Milchstraße. Statt einer ausgeprägten Spiralstruktur besitzt sie die eher gleichmäßige Form einer elliptischen Galaxie. Ihr Zentrum beherbergt nicht nur M87*, sondern ist Ausgangspunkt eines der auffälligsten relativistischen Jets am Himmel. Dabei wird Plasma entlang der Umgebung der Rotationsachse des Systems mit Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit weit in den Raum hinausgeschleudert. Dieser Jet war bereits lange bekannt, bevor Astronomen die unmittelbare Umgebung des Schwarzen Lochs abbilden konnten.

M87* ist deshalb besonders interessant: Hier lassen sich die Physik eines Schwarzen Lochs, das Verhalten extrem heißen Plasmas, starke Magnetfelder und die Entstehung eines gewaltigen Jets in ein und demselben System untersuchen.

Wie groß ist das Schwarze Loch M87*?

Mit etwa 6,5 Milliarden Sonnenmassen gehört M87* zu den supermassereichen Schwarzen Löchern. Es ist mehr als tausendmal massereicher als Sagittarius A*, das Schwarze Loch im Zentrum unserer Milchstraße. Gerade diese enorme Masse war für die erste Aufnahme ein entscheidender Vorteil.

Bei Schwarzen Löchern bedeutet eine größere Masse auch einen größeren Ereignishorizont. Der Ereignishorizont ist jene Grenze, hinter der nichts mehr nach außen gelangen kann. Das gilt auch für Licht. Ein Schwarzes Loch besitzt daher keine leuchtende Oberfläche, die sich mit einem Teleskop fotografieren ließe.

Was Astronomen beobachten können, ist die Materie unmittelbar außerhalb dieses Bereichs. Gas und Plasma werden dort auf extreme Temperaturen gebracht und bewegen sich in einem starken Gravitations- und Magnetfeld. Diese Materie kann intensive Strahlung aussenden. Gleichzeitig lenkt die Gravitation des Schwarzen Lochs das Licht stark ab.

Auf diese Weise entsteht das charakteristische Erscheinungsbild, das auf dem berühmten Bild von M87* zu erkennen ist.

Was zeigt das erste Bild eines Schwarzen Lochs wirklich?

Das 2019 veröffentlichte Bild wird häufig als „Foto eines Schwarzen Lochs“ bezeichnet. Diese Beschreibung ist verständlich, aber physikalisch etwas vereinfacht. Fotografiert wurde nicht das Schwarze Loch selbst, sondern die Strahlung aus seiner unmittelbaren Umgebung und die dunkle Region, die durch das Schwarze Loch und seine Wirkung auf das Licht entsteht.

Das Event Horizon Telescope beobachtete M87* bei einer Wellenlänge von rund 1,3 Millimetern. Die Aufnahmen zeigen eine ringartige Struktur mit einer Ausdehnung von ungefähr 40 Mikro-Bogensekunden. Innerhalb dieses Rings befindet sich eine deutlich dunklere Region. Diese Struktur entspricht den grundlegenden Erwartungen für die unmittelbare Umgebung eines supermassereichen Schwarzen Lochs.

Der helle Ring besteht nicht einfach aus Materie, die wie ein sauber abgegrenzter Reifen um das Schwarze Loch liegt. Lichtstrahlen aus dem heißen Plasma werden durch die starke Raumzeitkrümmung auf komplizierten Wegen abgelenkt. Manche gelangen direkt zu uns, andere werden teilweise um das Schwarze Loch herumgeführt. Dadurch erscheint die Umgebung in einer Form, die ohne die extreme Gravitation nicht entstehen würde.

Auch der dunkle Bereich ist nicht mit dem Ereignishorizont gleichzusetzen. Der sogenannte Schatten erscheint größer als der Ereignishorizont selbst, weil die Lichtbahnen in seiner Umgebung durch die Gravitation stark verändert werden.

Wie konnte man M87* fotografieren?

Ein einzelnes Radioteleskop hätte für diese Aufgabe nicht ausgereicht. Selbst die größten Teleskope der Erde besitzen nicht die notwendige Winkelauflösung, um eine so kleine Struktur in 55 Millionen Lichtjahren Entfernung sichtbar zu machen.

Das Event Horizon Telescope löste dieses Problem, indem mehrere Radioteleskope an weit voneinander entfernten Orten gleichzeitig dasselbe Objekt beobachteten. Dazu gehörten Observatorien unter anderem in Chile, Hawaii, Arizona, Mexiko, Spanien und am Südpol. Mithilfe der Very Long Baseline Interferometry wurden die Messungen später so miteinander kombiniert, als wären die beteiligten Anlagen Teile eines virtuellen Radioteleskops von annähernd der Größe der Erde.

Die entscheidenden Beobachtungen fanden im April 2017 statt. Die dabei aufgezeichneten Datenmengen waren so groß, dass sie nicht einfach über das Internet übertragen werden konnten. Datenträger mussten physisch zu Rechenzentren gebracht und dort zusammengeführt werden. Danach begann ein aufwendiger Prozess der Kalibrierung und Bildrekonstruktion.

Mehrere unabhängige Verfahren wurden eingesetzt, um auszuschließen, dass der bekannte Ring lediglich ein Produkt einer bestimmten Auswertungsmethode war. Die verschiedenen Ansätze führten zu einem übereinstimmenden Grundbild: einer asymmetrisch leuchtenden ringförmigen Struktur mit einem dunklen Zentrum.

Warum wurde M87* vor Sagittarius A* fotografiert?

Diese Frage liegt nahe. Sagittarius A* befindet sich nur rund 26.000 Lichtjahre von uns entfernt, M87* dagegen etwa 55 Millionen Lichtjahre. Trotzdem wurde M87* drei Jahre früher abgebildet.

Der Grund liegt in den völlig unterschiedlichen Größen und Zeitmaßstäben. Sagittarius A* besitzt ungefähr vier Millionen Sonnenmassen. M87* kommt dagegen auf Milliarden Sonnenmassen. Beide erscheinen von der Erde aus betrachtet überraschenderweise in einer Größenordnung, die für das Event Horizon Telescope interessant ist.

Doch das Gas um Sagittarius A* bewegt und verändert sich wesentlich schneller. Während einer Beobachtung kann sich das Erscheinungsbild dort innerhalb kurzer Zeit deutlich verändern. M87* entwickelt sich auf den relevanten Größenskalen wesentlich langsamer und bot damit für das erste Bild ein stabileres Ziel. Erst mit weiterentwickelten Auswertungsmethoden gelang es der EHT-Kollaboration, 2022 auch das Schwarze Loch im Zentrum der Milchstraße abzubilden.

Warum ist der Ring auf einer Seite heller?

Das Bild von M87* zeigt keinen gleichmäßig leuchtenden Kreis. Ein Teil des Rings erscheint deutlich heller. Diese Asymmetrie gehört zu den wichtigen physikalischen Informationen der Aufnahme.

Das Gas in unmittelbarer Nähe des Schwarzen Lochs bewegt sich mit enormer Geschwindigkeit. Durch relativistische Effekte kann Strahlung von Material, das sich in unsere Richtung bewegt, heller erscheinen als Strahlung von Material, das sich von uns entfernt. Zusammen mit der Geometrie des Systems und den Eigenschaften des Plasmas führt dies zu einer ungleichmäßigen Helligkeitsverteilung.

Dass diese Helligkeitsstruktur nicht dauerhaft an derselben Position bleiben muss, zeigte sich später besonders deutlich.

Hat sich das Bild von M87* verändert?

Die Aufnahme von 2019 war kein einmaliges, unveränderliches Porträt. Das Event Horizon Telescope beobachtete M87* auch in weiteren Jahren. Als 2024 Bilder aus Beobachtungen des Jahres 2018 veröffentlicht wurden, zeigte sich erneut derselbe charakteristische Ring und ein ähnlich großer zentraler Schatten. Die hellste Stelle des Rings hatte sich gegenüber 2017 jedoch um ungefähr 30 Grad verschoben.

Das war keine Überraschung im Sinne eines Widerspruchs zum ursprünglichen Bild. Im Gegenteil: Modelle erwarten, dass das Plasma um ein Schwarzes Loch turbulent und veränderlich ist. Die grundlegende Größe des Rings blieb stabil, während sich die Helligkeitsverteilung änderte.

Noch deutlicher wurde die Dynamik durch die Auswertung von Beobachtungen aus den Jahren 2017, 2018 und 2021. Die 2025 veröffentlichten Ergebnisse zeigen einen Ring mit einem über diese Beobachtungsepochen hinweg beständigen Durchmesser von rund 43,9 Mikro-Bogensekunden, während Helligkeit und Polarisation Veränderungen aufweisen.

Damit entwickelte sich aus dem berühmten Einzelbild zunehmend etwas anderes: die Möglichkeit, die Umgebung eines Schwarzen Lochs über Jahre hinweg bei der Veränderung zu beobachten.

Welche Rolle spielen Magnetfelder bei M87*?

2021 veröffentlichte die EHT-Kollaboration polarisierte Aufnahmen von M87*. Polarisation verrät etwas über die Ausrichtung der elektromagnetischen Strahlung und ermöglicht dadurch Rückschlüsse auf Magnetfelder in der Region, in der die Strahlung entsteht.

Die Ergebnisse zeigten eine bemerkenswert geordnete Polarisationsstruktur. Vergleiche mit Simulationen deuteten darauf hin, dass starke Magnetfelder unmittelbar in der Umgebung des Schwarzen Lochs eine wesentliche Rolle spielen. Modelle mit einem sogenannten magnetisch gebremsten oder magnetisch dominierten Akkretionsfluss konnten wichtige Eigenschaften der Beobachtungen besonders gut reproduzieren.

Die neueren Beobachtungen zeigen zugleich, dass dieses Magnetfeldsystem nicht starr ist. Zwischen 2017, 2018 und 2021 veränderte sich das Polarisationsmuster erheblich. In den 2021er-Daten erschien seine Orientierung gegenüber 2017 teilweise umgekehrt. Die genaue Ursache ist noch Gegenstand der Forschung. Veränderungen im magnetisierten Plasma selbst können ebenso eine Rolle spielen wie Effekte, die die Polarisation der Strahlung auf ihrem Weg beeinflussen.

Woher kommt der gewaltige Jet von M87?

M87 besitzt einen relativistischen Jet, der weit über das Zentrum der Galaxie hinaus sichtbar ist. Schwarze Löcher selbst können jedoch nichts aus ihrem Inneren hinauswerfen. Ein Jet muss daher außerhalb des Ereignishorizonts entstehen.

Im Mittelpunkt der Forschung stehen das einfallende Plasma, die Rotation des Systems und insbesondere starke Magnetfelder. Sie können Energie aus der unmittelbaren Umgebung des Schwarzen Lochs in bevorzugte Richtungen lenken und Teilchen auf extrem hohe Geschwindigkeiten beschleunigen.

Die EHT-Beobachtungen sind deshalb nicht nur für die Frage interessant, wie ein Schwarzes Loch aussieht. Sie ermöglichen erstmals Untersuchungen jener Größenordnung, auf der der Jet seinen Ursprung hat. Die 2021 gewonnenen Daten verbesserten zudem die Möglichkeiten, Strahlung außerhalb des eigentlichen Rings auf sehr kleinen Skalen einzuschränken und damit die Verbindung zwischen der unmittelbaren Umgebung des Schwarzen Lochs und dem Jet genauer zu untersuchen.

Vollständig verstanden ist die Entstehung solcher Jets dennoch nicht. Wie genau Magnetfelder, Akkretionsfluss und Rotation zusammenspielen und an welcher Stelle die Beschleunigung und Bündelung des Plasmas entscheidend einsetzen, gehört weiterhin zu den wichtigen offenen Fragen der Schwarzen-Loch-Forschung.

Hat das Bild von M87* Einsteins Relativitätstheorie bestätigt?

Das Bild stellte einen außergewöhnlichen Test der Allgemeinen Relativitätstheorie dar. Die von M87* beobachtete Ring- und Schattenstruktur entspricht in ihrer Größenordnung den Erwartungen für ein Schwarzes Loch, dessen Umgebung durch die von Einstein beschriebene Gravitation bestimmt wird.

Das bedeutet allerdings nicht, dass mit einem einzigen Bild sämtliche denkbaren Alternativen zur Allgemeinen Relativitätstheorie ausgeschlossen worden wären. Wissenschaftlich entscheidend ist vielmehr, dass die Beobachtungen innerhalb der bisherigen Genauigkeit mit dem Modell eines supermassereichen Schwarzen Lochs und den Vorhersagen der Allgemeinen Relativitätstheorie vereinbar sind.

Mit besseren Teleskopnetzwerken, zusätzlichen Beobachtungsfrequenzen und genaueren Bildern können diese Tests künftig empfindlicher werden. Gerade weil sich die beobachtete Größe des Rings über mehrere Jahre stabil zeigt, während das Plasma selbst deutlich veränderlich ist, steht inzwischen eine zunehmend belastbare Grundlage für solche Untersuchungen zur Verfügung.

Was wissen wir heute sicher über M87*?

Gesichert ist, dass sich im Zentrum von Messier 87 ein extrem kompaktes Objekt mit einer Masse von mehreren Milliarden Sonnen befindet. Die EHT-Beobachtungen zeigen die erwartete ringförmige Strahlungsstruktur und einen zentralen Schatten. Wiederholte Beobachtungen bestätigen, dass die grundlegende Größe dieses Rings erhalten bleibt. Zugleich verändert sich die leuchtende und polarisierte Materie in seiner Umgebung.

Sehr gute Hinweise gibt es außerdem darauf, dass starke und geordnete Magnetfelder für die Physik unmittelbar am Schwarzen Loch entscheidend sind und wahrscheinlich eng mit dem mächtigen Jet von M87 zusammenhängen. Noch nicht vollständig geklärt sind dagegen unter anderem Details des Akkretionsflusses, die genaue Magnetfeldstruktur und alle Prozesse, durch die der Jet seine enorme Energie erhält.

Das berühmte Bild vom April 2019 war deshalb weniger ein Abschluss als ein Anfang. Zum ersten Mal hatte die Menschheit die unmittelbare Umgebung eines Schwarzen Lochs sichtbar gemacht. Inzwischen beobachten Astronomen, wie sich diese Umgebung verändert, wie Magnetfelder neu angeordnet werden und wie sich Hinweise auf die Verbindung zwischen Schwarzem Loch und Jet verdichten.

Der orangefarbene Ring von M87* ist damit nicht einfach das erste Bild eines Schwarzen Lochs. Er markiert den Moment, in dem Schwarze Löcher von Objekten, deren Existenz vor allem aus ihren Auswirkungen erschlossen wurde, zu Himmelskörpern wurden, deren unmittelbare Umgebung beobachtet und über Jahre hinweg miteinander verglichen werden kann.

Quellen
▪︎ Event Horizon Telescope Collaboration – First M87 Event Horizon Telescope Results, The Astrophysical Journal Letters, 2019
▪︎ Event Horizon Telescope Collaboration – Imaging the Central Supermassive Black Hole of M87, The Astrophysical Journal Letters, 2019
▪︎ Event Horizon Telescope Collaboration – Physical Origin of the Asymmetric Ring, The Astrophysical Journal Letters, 2019
▪︎ Event Horizon Telescope Collaboration – Polarization of the Ring, The Astrophysical Journal Letters, 2021
▪︎ Event Horizon Telescope Collaboration – Magnetic Field Structure near the Event Horizon, The Astrophysical Journal Letters, 2021
▪︎ Event Horizon Telescope Collaboration – Beobachtungen von M87* aus dem Jahr 2018 und Nachweis des beständigen Schwarzen-Loch-Schattens, Astronomy & Astrophysics, 2024
▪︎ Event Horizon Telescope Collaboration – Horizon-scale variability of M87* from 2017–2021 EHT observations, 2025
▪︎ European Southern Observatory – Wissenschaftliche Dokumentation zur ersten Aufnahme von M87*