Anna-Christina Eilers forscht als NASA Hubble Fellow am Massachusetts Institute of Technology in Cambridge, USA. Mit uns sprach sie über erstaunliche Erkenntnisse ihrer aktuellen Forschung, ihre Faszination für Quasare und die Möglichkeit, durch schwarze Löcher die Entwicklung des Universums (etwas besser) zu verstehen.
Schwarze Löcher üben eine große Faszination auf uns auf. Sie beeinflussen die Entstehung und Entwicklung der Galaxien und stellen dennoch die Grenzen unseres Wissens dar. Aktiv wachsende schwarze Löchern werden auch Quasare genannt. Genau damit beschäftigen Sie sich in Ihre Forschung. Was fasziniert Sie an schwarzen Löchern am meisten?
Ihre Unvorstellbarkeit! Alles an ihnen übersteigt unser Vorstellungsvermögen. Schwarze Löcher können 10 Milliarden mal schwerer als unsere Sonne werden. Man kann sie nicht sehen, da sie so massereich sind, dass selbst Licht komplett verschluckt wird, wenn es einem schwarzen Loch genügend nahe kommt. Aber wachsende schwarze Löcher sind paradoxerweise die hellsten Objekte, die wir im Universum kennen. In der Wachstumsphase wird ein Teil der angezogenen Materie in Energie umgewandelt. Dieser Anziehungsprozess ist so leuchtkräftig und energetisch, dass wir solche wachsenden schwarzen Löcher, sogenannte Quasare, auch dann noch beobachten können, wenn sie viele Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernt sind. Und schwarze Löcher können Wellen in Raum und Zeit erzeugen, sogenannte Gravitationswellen, die wir seit ein paar Jahren nach vielen Jahrzehnten Forschung zum ersten Mal nachweisen konnten. All diese Eigenschaften schwarzer Löcher sind einfach unvorstellbar und viele Größenordnungen schwerer, größer und energiereicher als alles, was wir so kennen.
Das Phänomen der schwarzen Löcher zu verstehen fällt Laien oft sehr schwer. In der aktuellen Ausgabe unseres Magazins rät die Astrophysikerin Priyamvada Natarajan, sich schwarze Löcher als kompakte Objekte mit einer enormen Masse vorzustellen. Wie würden Sie diese rätselhaften Objekte beschreiben?
Das ist eine ziemlich gute Beschreibung! Schwarze Löcher sind unvorstellbar dichte und kompakte Objekte, das heißt, ihre Masse ist so groß auf ganz kleinem Raum, dass ihre Gravitationskraft so enorm ist, dass nicht einmal Licht entkommen kann. Man kann zum Beispiel ausrechnen, wie groß die Erde sein müsste, damit sie so kompakt wie ein schwarzes Loch wäre: Wenn man die komplette Erde auf die Größe einer Murmel schrumpfen würde mit einem Durchmesser von weniger als 2 cm, dann wäre sie kompakt genug, dass nicht einmal Licht entkommen könnte und hätte damit die Eigenschaften eines schwarzen Lochs.
Als Astrophyiker:in blickt man meistens in die Vergangenheit. Welche Erkenntnisse können Sie aus der Beobachtung der Quasare ziehen? Was hat Sie dabei besonders überrascht?
Jede astronomische Beobachtung, die wir durchführen, schaut in die Vergangenheit. Das Licht von Sternen, die wir heute am Nachthimmel sehen, ist oft viele Jahre lang unterwegs, bis es bei uns auf der Erde ankommt. Das Licht derjenigen Quasare, die mich besonders interessieren, hat mehr als 13 Milliarden Jahre gebraucht, bis wir es mit unseren Teleskopen auf der Erde beobachten konnten. Dadurch erlauben uns diese weit entfernten Quasare einen Blick in die Geschichte unseres Universums, sie nehmen uns sozusagen auf eine Zeitreise. Dadurch können wir verstehen, wie und auf welche Weise sich das Universum entwickelt hat.
In meiner Forschung habe ich eine sehr überraschende Entdeckung gemacht: Wir konnten feststellen, dass die schwarzen Löcher im Zentrum der Quasare bereits vor 13 Milliarden Jahren unglaublich schwer und massereich waren. Das hat uns sehr überrascht, da alle Modelle zum Wachstum schwarzer Löcher bisher davon ausgegangen sind, dass es sehr, sehr lange dauert, bis die schwarzen Löcher genügend Materie angezogen und verschlungen haben, damit sie so massereich sein würden. Diese Ergebnisse stellen uns momentan vor große Rätsel und wir müssen unsere Modelle überarbeiten, um zu verstehen, wie und wie schnell schwarze Löcher tatsächlich wachsen können.
Glauben Sie, dass es der Wissenschaft irgendwann gelingt, schwarze Löcher komplett zu begreifen?
Nein, ich glaube, dass Astronomen auch noch in vielen Jahrzehnten und Jahrhunderten damit beschäftigt sind werden, schwarze Löcher zu entschlüsseln! Allerdings finde ich es immer wieder auf’s Neue beeindruckend, wie viel wir auch schon wissen! Das schwarze Loch im Zentrum unserer Milchstraße wurde beispielsweise schon sehr genau untersucht und vermessen, obwohl wir erst seit den 90er Jahren wissen, dass es wirklich existiert. Und seit ein paar Jahren können wir schwarze Löcher auch mit Gravitationswellen nachweisen und untersuchen, was ganz neue und einzigartige Möglichkeiten öffnet.
Anna-Christina Eilers studierte Physik in Göttingen und Heidelberg und promovierte anschließend am Max-Planck-Institut für Astronomie. Mittlerweile forscht sie als NASA Hubble Fellow am Massachusetts Institute of Technology in Cambridge, USA. 2020 wurde sie mit dem KlarText-Preis für Wissenschaftskommunikation der Klaus Tschira Stiftung im Fachbereich Physik ausgezeichnet.
Anna-Christina Eilers majored in physics in Göttingen and Heidelberg before earning her doctorate at the Max-Planck Institute for Astronomy. Currently, she is a NASA Hubble Fellow at the Massachusetts Institute of Technology in Cambridge, USA. In 2020, she was awarded the Klaus Tschira Foundation’s KlarText Award for Science Communication in physics. For this interview, she told us about amazing insights from her current research, her fascination with Quasars, and the possibility of using black holes to understand the universe’s evolution (a little better).
Black holes are fascinating to us. They influence the formation and evolution of galaxies and yet represent the limits of our knowledge. Actively growing black holes are also called Quasars, which you deal with in your research. What fascinates you most about black holes?
How unfathomable they are! Everything about them exceeds what we can imagine or comprehend. Black holes can become 10 billion times heavier than our sun. You cannot see them because their massive size completely swallows light if it gets close enough to a black hole. However, growing black holes are paradoxically the brightest objects we know of in the universe. During their growth phase, black holes convert some of the matter they attract into energy. This attraction process is so bright and powerful that we can observe growing black holes, called Quasars, even when they are many billions of light-years away from Earth.
Additionally, black holes can generate gravitational waves. We have been able to detect these waves in space and time only for the last few years after many decades of research. The attributes of black holes are many times heavier, larger, and more energetic than anything we know and, therefore, difficult to grasp.
Understanding the phenomenon of black holes is often very difficult for amateurs. In the current issue of our magazine, astrophysicist Priyamvada Natarajan advises people to think of black holes as compact objects consist enormous mass. How would you describe these enigmatic objects?
That’s a pretty good description! Black holes are unimaginably dense and compact objects. Their mass is so large in a minimal space that their gravitational force is enormous enough that not even light can escape. As an example, we can calculate how large the Earth would have to be for it to be as condensed as a black hole. Suppose you were to shrink the entire Earth to the size of a marble with a diameter of less than 2 cm. In that case, not even light could escape that size, thus achieving the properties of a black hole.
As an astrophysicist, you mostly look into the past. What insights can you draw from observing the Quasars? What surprised you?
Every astronomical observation looks into the past. The light from stars that we see in the night sky today often travels for many years before it reaches Earth. The light from those Quasars is of particular interest to me, as it took more than 13 billion years before we could observe it with our telescopes on Earth. As a result, these distant Quasars allow us a glimpse into the history of our universe, taking us on a journey through time. They allow us to understand how and in what way the universe has evolved.
Through my research, I discovered something remarkable. We were able to determine that the black holes at the center of the quasars were already incredibly dense and massive 13 billion years ago. Up to this point, all models of black hole growth assumed that it would take long periods of time for the black holes to attract and engulf enough matter to achieve a mass of such remarkable size. These new discoveries surprised us and have created many further questions. We need to revise our models to understand the way black holes grow and at what speed they increase in size.
Do you think that science will eventually succeed in completely understanding black holes?
No, I believe that astronomers will still be deciphering black holes in many decades and centuries to come! However, I am consistently impressed at how much we know already! For example, the black hole in the center of our Milky Way has already been carefully examined and measured, despite only knowing of its existence since the 1990s. And for a few years now, we have been able to detect and investigate black holes with gravitational waves, which opens up completely new and unique possibilities.
Interview: Neele Mühlhoff