Der Ring im ersten EHT-Bild hat eine unabhängige Prüfung bestanden. Ein Schwarzes Loch selbst bleibt unsichtbar; ein Team der australischen Forschungsorganisation CSIRO wertete Messdaten des Event Horizon Telescope mit einem eigenen Verfahren neu aus. In den Rekonstruktionen erscheint erneut eine ringförmige Struktur, die das berühmte Bild aus dem Zentrum der Galaxie M87 stützt. Statt neue Beobachtungen aufzunehmen, prüft das Team, ob die Ringform auch ohne eine vorgegebene Ringstruktur aus den Messdaten hervorgeht.
Als das Event Horizon Telescope (EHT) 2019 das erste Bild des Schattens von M87* veröffentlichte, wurde der helle, ungleichmäßige Ring weltweit bekannt. Wie die Aufnahme zustande kam, erläutert auch der frühere FuW-Bericht über das erste Foto eines Schwarzen Lochs. Das Bild machte erstmals sichtbar, wie ein supermassereiches Schwarzes Loch seine unmittelbare Umgebung prägt. Seitdem ging es nicht nur um die Frage, was auf dem Bild zu sehen ist, sondern auch darum, ob die Rekonstruktion aus den Radiodaten die tatsächliche Struktur zuverlässig wiedergibt. Unter Leitung von Samuel Lai entwickelte die australische Forschungsorganisation CSIRO dafür ein eigenständiges Auswerteverfahren, das die Mitteilung der CSIRO zum neuen Ergebnis erläutert.
In Nature erschien eine begutachtete Arbeit von Samuel Lai, Nithyanandan Thyagarajan, O. Ivy Wong und Foivos Diakogiannis, die Methode und Messwerte ausführlich beschreibt. Die 2019 veröffentlichte Aufnahme beruhte auf Beobachtungen aus 2017; zusätzlich flossen bereits vorhandene EHT-Daten aus 2018 und 2021 ein. Dabei beruht die neue Untersuchung nicht auf einem weiteren Blick durchs Teleskop, sondern auf einer unabhängigen Auswertung vorhandener Messreihen. Anschließend verglichen die Autoren ihre Rekonstruktionen mit den zuvor veröffentlichten EHT-Bildern und prüften, ob die Ringform auch unter anderen rechnerischen Voraussetzungen bestehen bleibt. Die Nature-Studie kommt zu dem Ergebnis, dass die ringartige Struktur robust aus den Messdaten hervorgeht.
Hinter dem Kürzel EHT steht kein einzelnes Teleskop mit einem riesigen Spiegel, sondern ein Verbund weit voneinander entfernter Radioteleskope. Gemeinsam beobachten die Stationen dasselbe Himmelsobjekt und zeichnen die eintreffenden Radiowellen mit präzisen Zeitmarken auf. Durch die spätere Kombination der Signale entsteht rechnerisch ein Teleskop, dessen Auflösung der einer Antenne von nahezu Erdgröße entspricht. Dieses Verfahren heißt Very Long Baseline Interferometry, kurz VLBI, und erlaubt extrem feine Winkelmessungen. Allerdings liefern die Daten kein fertiges Foto, sondern Messwerte, aus denen ein Bild erst rekonstruiert werden muss.
Während der Beobachtung dreht sich die Erde, wodurch sich die Abstände und Richtungen zwischen den Stationen verändern. Auf diese Weise wird die virtuelle Öffnung des Teleskopverbunds schrittweise abgetastet. Trotzdem bleiben große Bereiche der mathematisch beschriebenen Messfläche unbesetzt, weil nur eine begrenzte Zahl von Stationen gleichzeitig Daten liefert. Damit muss die Bildberechnung diese Lücken berücksichtigen und aus unvollständigen Informationen eine plausible Helligkeitsverteilung bestimmen. Verschiedene Algorithmen und Einstellungen können deshalb unterschiedliche Darstellungen derselben Messdaten erzeugen.
Hinzu kommen Störungen durch die Atmosphäre und durch die Instrumente selbst. Sie verändern die Phase und Stärke der empfangenen Signale und müssen rechnerisch korrigiert werden, bevor ein verlässliches Bild entsteht. Solche Kalibrierungen sind anspruchsvoll, weil sich atmosphärische Bedingungen schnell ändern und die beteiligten Stationen über Kontinente verteilt sind. Frühere unabhängige Neuauswertungen kamen unter anderen Annahmen teilweise zu einer kompakten, klumpenartigen Emissionsstruktur statt zu einem klaren Ring. Eine Einordnung in Nature News beschreibt, warum einige Fachleute die ursprüngliche Ringform infrage stellten. Damit stand nicht die Existenz des Schwarzen Lochs zur Debatte, sondern die Frage, wie stark die sichtbare Ringform von den gewählten Rekonstruktionsverfahren beeinflusst wurde.
Für diese Aufgabe entwickelte das CSIRO-Team GenDIReCT, ausgeschrieben Generative Deep learning Image Reconstruction with Closure Terms. Dabei kombiniert das Verfahren Methoden des maschinellen Lernens mit Messgrößen aus der Radiointerferometrie, die gegenüber bestimmten Kalibrierfehlern unempfindlich sind. Diese sogenannten Closure Invariants fassen Informationen aus zusammengehörigen Kombinationen von Teleskopverbindungen zusammen. Fehler, die an einer einzelnen Station entstehen, wirken sich auf diese Größen nicht in derselben Weise aus wie auf die ursprünglichen Einzelmessungen. Dadurch bleibt ein Teil der Information über die tatsächliche Form der Radioquelle erhalten, selbst wenn einzelne Instrumente nicht perfekt kalibriert sind.
GenDIReCT nutzt diese robusteren Messgrößen als Grundlage für ein generatives Bildmodell. Dessen künstliches neuronales Netz wurde mit Bildern trainiert, die nicht aus der Astronomie stammen. Bei der Auswertung erzeugt das Modell mögliche Bildrekonstruktionen und gleicht sie fortlaufend mit den tatsächlich gemessenen Interferometrie-Daten ab. Dem Verfahren war die Ringform dabei nicht als gewünschtes Ergebnis vorgegeben. Anders als manche klassischen Bildpipelines benötigt es auch keine manuell gewählte Startgrafik, die bereits eine bestimmte Größe oder Form bevorzugt.
Völlig voraussetzungslos arbeitet allerdings auch ein lernendes Bildmodell nicht. Seine Trainingsdaten, die gewählte Bildfläche und die mathematische Verarbeitung prägen, welche Lösungen es effizient erzeugen kann. Dafür prüften die Forscher verschiedene Bildausschnitte und ließen viele Rekonstruktionen aus denselben Beobachtungen berechnen. Anschließend fassten sie die Ergebnisse zu repräsentativen Bildern zusammen und verglichen deren Eigenschaften mit den EHT-Rekonstruktionen. Entscheidend war, ob sich die Ringform unter veränderten Einstellungen und in voneinander unabhängigen Datensätzen wiederholte.
Berücksichtigt werden Beobachtungsreihen aus mehreren Jahren und nicht nur die Messungen, auf denen das 2019 veröffentlichte Bild beruhte. Für die jeweils aussagekräftigsten Datensätze aus den verschiedenen Jahren rekonstruierte das Verfahren einen kompakten, annähernd kreisförmigen Ring. Seine Ausrichtung und sein Durchmesser blieben über unterschiedliche Bildausschnitte hinweg vergleichsweise stabil. Auch weniger günstige Beobachtungsreihen ergaben eine ringartige Struktur, wenngleich sie bei schwächerer Signalqualität und lückenhafterer Abdeckung weniger deutlich ausfallen konnte. Damit hängt das Ergebnis nicht allein an einer einzigen Aufnahme oder einer besonders passend gewählten Bildfläche.
Allerdings betrifft die Übereinstimmung vor allem die grundlegende Geometrie. Bei der Breite des Rings und beim Helligkeitsanteil im dunklen Zentrum fallen die Ergebnisse verschiedener Bildverfahren deutlich stärker auseinander. Auch die ungleichmäßige Helligkeit entlang des Rings verändert sich zwischen Beobachtungstagen und Rekonstruktionsmethoden. Solche Details sind daher weniger zuverlässig als die ringartige Grundform. Vor allem stützt die neue Analyse die Aussage, dass die zentrale Struktur tatsächlich kompakt und ringförmig ist.
Für M87 ist auch die Verbindung zwischen dem zentralen Objekt und seinem Ausströmungsjet ein wichtiger Teil der Forschung. In einer späteren EHT-Auswertung bildete das Team den inneren Bereich und den Jet gemeinsam ab; der frühere FuW-Bericht über die gemeinsame Abbildung von M87* und seinem Jet beschreibt diesen Zusammenhang. Die Aufnahme verband die kompakte Emission nahe dem Zentrum mit dem weiter nach außen reichenden Jet. Für die neue Rekonstruktion ist die Jet-Richtung zudem eine geometrische Orientierung, an der sich die Blickrichtung auf das System einordnen lässt.
Aus den rekonstruierten Bildern bestimmten die Autoren den Winkeldurchmesser des Rings zu 42,2 ± 1,5 Mikrobogensekunden. Mikrobogensekunden bezeichnen Millionstel einer Bogensekunde und beschreiben einen extrem kleinen Winkel am Himmel. Dieser Wert gibt an, wie groß die ringförmige Struktur aus Sicht der Erde erscheint; er ist keine direkte Messung eines Durchmessers in Kilometern. Dass die Messung trotz der unvollständigen Abdeckung stabil bleibt, ist für die unabhängige Bestätigung besonders wichtig.
Auf Grundlage des Ringdurchmessers leiteten die Forscher außerdem eine Masse von 6,5 ± 0,5 Milliarden Sonnenmassen für M87* ab. Diese Angabe gilt unter der Annahme der nominalen Skalierungsparameter, mit denen sich die gemessene Ringgröße in eine Größe relativ zum Gravitationsradius umrechnen lässt. Unmittelbar gewogen wurde das Schwarze Loch dabei nicht. Sie ergibt sich aus dem Bild, einer Entfernungsschätzung für die Galaxie und einer Kalibrierung, die auf theoretischen Simulationen der Umgebung eines Schwarzen Lochs beruht. Ändern sich die zugrunde gelegten Skalierungsfaktoren, verschiebt sich auch der abgeleitete Massenwert.
Bei den Bildmodellen ergibt die beste Übereinstimmung eine Blickneigung von ungefähr 20 Grad zur Achse des auf uns gerichteten Jets. Beschrieben wird damit die Orientierung des Systems im Raum und nicht die Neigung eines festen materiellen Rings. Zusammen mit dem stabilen Durchmesser liefert er eine weitere geometrische Prüfung dafür, dass die rekonstruierte Struktur zu M87* gehört.
Ein Schwarzes Loch selbst sendet kein Licht aus seiner innersten Region nach außen. Hinter dem Ereignishorizont liegt die Grenze, hinter der selbst Licht nicht mehr entkommen kann. Somit zeigt das EHT-Bild keine Oberfläche und auch keinen leuchtenden Rand aus festem Material. Sichtbar ist vielmehr die Strahlung heißer Materie in der unmittelbaren Umgebung, deren Licht durch die starke Gravitation abgelenkt und in seiner Energie verändert wird. Im Zentrum liegt der dunkle Schatten des Schwarzen Lochs, der größer erscheint als der eigentliche Ereignishorizont.
Sein heller Ring entsteht aus dieser Strahlung und ihrer Ablenkung auf dem Weg zur Erde. Seine Form hängt mit der Raumzeitgeometrie nahe dem Schwarzen Loch zusammen, während die Helligkeit auch von der Bewegung und Verteilung des heißen Gases beeinflusst wird. Deshalb ist das Bild eine wissenschaftlich rekonstruierte Radiokarte und kein gewöhnliches Foto im sichtbaren Licht. Als Kurzform ist die Bezeichnung „erstes Foto eines Schwarzen Lochs“ eingängig, meint aber präziser das erste Bild seines Schattens.
Gerade diese Unterscheidung ist wichtig, wenn die neue Arbeit als Bestätigung des historischen Bildes beschrieben wird. Bestätigt wird die ringartige Struktur des Schattens, nicht jede Einzelheit der Helligkeitsverteilung und auch nicht sämtliche Eigenschaften des Ereignishorizonts. Zudem liefert die Analyse keine direkte Bestimmung der Rotationsgeschwindigkeit des Schwarzen Lochs. Zum Spin halten die Autoren fest, dass ihre Bildvergleiche ihn nicht ausreichend eingrenzen.
Damit stärken die Ergebnisse das Vertrauen in die grundlegende Interpretation des EHT-Bildes, beenden aber nicht automatisch jede methodische Diskussion. Unabhängige Verfahren können dieselben Messdaten mit anderen Annahmen prüfen und so zeigen, welche Bildmerkmale robust sind. Bei M87* betrifft das vor allem den Ringdurchmesser und die ringartige Geometrie. Feinere Angaben zur Ringbreite, zum zentralen Helligkeitsanteil und zur asymmetrischen Strahlungsverteilung bleiben stärker von den jeweiligen Rekonstruktionsverfahren abhängig.
Für weitere Fortschritte sind Beobachtungen mit noch besserer räumlicher Abdeckung wichtig. Auch für künftige Messungen verweisen die Autoren auf die Möglichkeit, mit weltraumgestützter Radiointerferometrie noch kleinere Strukturen nahe dem Schwarzen Loch aufzulösen. Dazu gehört der sogenannte Photon Ring, der aus Lichtbahnen entsteht, die das Schwarze Loch mehrfach umrunden, bevor sie den Beobachter erreichen. Seine direkte Abbildung könnte zusätzliche Informationen über die Raumzeit und die Rotation des Objekts liefern.
Über die Astronomie hinaus sehen die CSIRO-Forscher mögliche Anwendungen ihrer Auswertungsmethode in der medizinischen Bildgebung und bei der Kartierung von Erdbeben. Dort könnten robuste Messgrößen ebenfalls helfen, störende Einflüsse von Instrumenten oder Messbedingungen zu verringern. Diese Anwendungen sind bislang Anwendungsmöglichkeiten, keine bereits nachgewiesenen klinischen Verfahren oder einsatzfertigen Erdbebenmodelle. Ob GenDIReCT in diesen Bereichen Vorteile bringt, muss mit den jeweiligen Messsystemen und unabhängigen Daten geprüft werden.
Titelbild: Titelbild von EHT Collaboration, ESO, Lizenz CC BY 4.0, zugeschnitten.
Lai, S., Thyagarajan, N., Wong, O. I. et al., Nature, „Independent interferometric observable confirms black hole shadow in M87*“; doi:10.1038/s41586-026-11241-9
CSIRO, „New CSIRO technique confirms iconic black hole image“
Nature News, Davide Castelvecchi, „Iconic first image of black hole holds up to scrutiny“; doi:10.1038/d41586-026-03642-7
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