Quelle: ESON 27. August 2024.

27. August 2024 – Die Kollaboration schaffte dieses Meisterstück, indem sie Licht von entfernten Galaxien bei einer Frequenz von etwa 345 GHz, was einer Wellenlänge von 0,87 mm entspricht, detektierten. Die Forschungsgruppe schätzt, dass sie in Zukunft Bilder von Schwarzen Löchern erstellen können, die 50 % detaillierter sind als bisher. Dadurch wird die Region unmittelbar außerhalb der Grenze zu nahe gelegenen supermassereichen Schwarzen Löchern schärfer dargestellt. Außerdem können sie mehr Schwarze Löcher abbilden als bisher. Die neuen Messungen, die Teil eines Pilotversuchs sind, wurden heute im Astronomical Journal veröffentlicht.

Die EHT-Kollaboration veröffentlichte 2019 Bilder von M87*, dem supermassereichen Schwarzen Loch im Zentrum der Galaxie M87, und 2022 Bilder von Sgr A*, dem Schwarzen Loch im Herzen unserer Milchstraßengalaxie. Diese Bilder wurden durch die Verknüpfung mehrerer Radioobservatorien auf der ganzen Welt mithilfe einer Technik erstellt, die als Very Long Baseline Interferometry (VLBI) bezeichnet wird, um ein einziges „erdgroßes“ virtuelles Teleskop zu bilden.

Um Bilder mit höherer Auflösung zu erhalten, verlassen sich Astronomen in der Regel auf größere Teleskope – oder auf einen größeren Abstand zwischen den Observatorien, die als Teil eines Interferometers arbeiten. Da das EHT jedoch bereits die Größe der Erde hatte, erforderte ein höheres Auflösungsvermögen bei den bodengestützten Beobachtungen einen anderen Ansatz. Eine weitere Möglichkeit, die Auflösung eines Teleskops zu erhöhen, besteht darin, Licht mit einer kürzeren Wellenlänge zu beobachten – und genau das hat die EHT-Kollaboration nun getan.

„Mit dem EHT haben wir die ersten Aufnahmen von Schwarzen Löchern mit einer Wellenlänge von 1,3 mm gemacht. Der helle Ring, der durch die Lichtbeugung in der Schwerkraft des Schwarzen Lochs entstand, sah jedoch immer noch verschwommen aus. Wir stießen an die absoluten Grenzen der Schärfe, mit der wir die Bilder aufnehmen konnten“, so Alexander Raymond, einer der beiden Leiter der Studie. Er war zuvor Postdoktorand am Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian (CfA) und ist jetzt am Jet Propulsion Laboratory tätig, beide in den Vereinigten Staaten. „Bei 0,87 mm werden unsere Bilder schärfer und detaillierter sein. Dadurch werden wir wahrscheinlich neue Eigenschaften entdecken, sowohl solche, die bereits vorhergesagt wurden, als auch einige überraschende.“

Um zu zeigen, dass Messungen bei 0,87 mm möglich sind, unternahm die Kollaboration Testbeobachtungen entfernter, heller Galaxien bei dieser Wellenlänge [2]. Anstatt das gesamte Netzwerk des EHT zu verwenden, nutzten sie zwei kleinere Teilsysteme, die sowohl ALMA als auch das Atacama Pathfinder EXperiment (APEX) in der Atacama-Wüste in Chile beinhalteten. Die Europäische Südsternwarte (ESO) ist ein Partner von ALMA und einer der Betreiber von APEX. Zu den weiteren genutzten Stützpunkten gehören das 30-Meter-Teleskop IRAM in Spanien und das NOrthern Extended Millimeter Array (NOEMA) in Frankreich sowie das Grönland-Teleskop und das Submillimeter Array in Hawaii.

In diesem Pilotversuch gelang es den Forschern, Beobachtungen mit einer Detailgenauigkeit von 19 Mikrobogensekunden durchzuführen, was bedeutet, dass sie mit der bisher höchsten Auflösung von der Erdoberfläche aus beobachteten. Allerdings konnten sie noch keine Bilder produzieren: Zwar wiesen sie das Licht mehrerer entfernter Galaxien zuverlässig nach. Die Anzahl der verwendeten Empfänger reichte jedoch nicht aus, um aus den Daten ein genaues Bild rekonstruieren zu können.

Dieser Technologietest hat ein neues Fenster zur Erforschung von Schwarzen Löchern geöffnet. Mit dem vollständigen Array könnte das EHT Details von nur 13 Mikrobogensekunden Größe nachweisen, so als würde man von der Erde aus eine Münze auf dem Mond erkennen. Bei einer Wellenlänge von 0,87 mm sollten also Bilder zu erzielen sein, deren Auflösung etwa 50 % besser ist als die der zuvor veröffentlichten Bilder von M87* und SgrA* bei 1,3 mm. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, weiter entfernte, kleinere und schwächere Schwarze Löcher zu beobachten als die beiden, die die Kollaboration bisher abgebildet hat.

EHT-Gründungsdirektor Sheperd „Shep“ Doeleman, Astrophysiker am CfA und Co-Leiter der Studie, sagt: „Indem wir Veränderungen im umgebenden Gas bei verschiedenen Wellenlängen untersuchen, können wir das Rätsel lösen, wie Schwarze Löcher Materie anziehen und aufnehmen und wie sie leistungsstarke Jets erzeugen können, die über galaktische Entfernungen hinausreichen.“

Zum ersten Mal wurde die VLBI-Technik erfolgreich bei einer Wellenlänge von 0,87 mm eingesetzt. Zwar war es bereits vor den neuen Messungen möglich, den Nachthimmel bei 0,87 mm zu beobachten, doch war die Anwendung der VLBI-Technik bei dieser Wellenlänge immer mit Herausforderungen verbunden, deren Bewältigung Zeit und technologische Fortschritte erforderte. So absorbiert Wasserdampf in der Atmosphäre Strahlung bei 0,87 mm viel stärker als bei 1,3 mm, was es für Radioteleskope schwieriger macht, Signale von Schwarzen Löchern bei der kürzeren Wellenlänge zu empfangen. Die Entwicklung von VLBI hin zu kürzeren Wellenlängen, insbesondere in den Submillimeterbereich, verlief nur langsam. Das lag an den zunehmend stärkeren atmosphärischen Turbulenzen und der vermehrten Rauschbildung bei diesen Wellenlängen. Hinzu kam die Schwierigkeit, die globalen Wetterverhältnisse bei empfindlichen Beobachtungen zu kontrollieren. Doch mit diesen neuen Beobachtungen hat sich das nun geändert.

„Diese Signalmessungen mit dem VLBI bei 0,87 mm sind bahnbrechend, da sie ein neues Beobachtungsfenster für die Untersuchung supermassereicher Schwarzer Löcher öffnen“, erklärt Thomas Krichbaum, Mitautor der Studie vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn, Deutschland. Diese Forschungseinrichtung betreibt zusammen mit der ESO das APEX-Teleskop. Er fügt hinzu: „In Zukunft wird die Kombination der IRAM-Teleskope in Spanien (IRAM-30m) und Frankreich (NOEMA) mit ALMA und APEX die gleichzeitige Abbildung von noch kleineren und schwächeren Emissionen als bisher bei zwei Wellenlängen, 1,3 mm und 0,87 mm, ermöglichen.“

Endnoten
[1] Es gab bereits astronomische Beobachtungen mit höherer Auflösung, aber diese wurden durch die Kombination von Signalen von Teleskopen am Boden mit einem Teleskop im Weltraum erzielt: https://www.mpifr-bonn.mpg.de/pressemeldungen/2022/2. Die heute veröffentlichten neuen Beobachtungen sind die bislang detailliertesten, die jemals nur mit bodengestützten Teleskopen erzielt wurden.

Weitere Informationen
Diese Forschungsarbeit der EHT-Kollaboration wurde in einem Artikel von A. W. Raymond et al. präsentiert, der heute in The Astronomical Journal (doi: 10.3847/1538-3881/ad5bdb) veröffentlicht wurde.

An der EHT-Kollaboration sind mehr als 400 Forschende aus Afrika, Asien, Europa, Nord- und Südamerika beteiligt, von denen etwa 270 an diesem Artikel mitgewirkt haben. Ziel der internationalen Zusammenarbeit ist es, die detailliertesten Bilder von Schwarzen Löchern zu erstellen, die jemals aufgenommen wurden, indem ein virtuelles Teleskop in der Größe der Erde geschaffen wird. Mit Unterstützung beträchtlicher internationaler Anstrengungen verbindet das EHT bestehende Teleskope mithilfe neuartiger Techniken und schafft so ein grundlegend neues Instrument mit der höchsten bisher erreichten Winkelauflösung.

Das EHT-Konsortium besteht aus 13 beteiligten Instituten: dem Academia Sinica Institute of Astronomy and Astrophysics, der University of Arizona, dem Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian, der University of Chicago, dem East Asian Observatory, der Goethe-Universität Frankfurt, Institut de Radioastronomie Millimétrique, Large Millimeter Telescope, Max-Planck-Institut für Radioastronomie, MIT Haystack Observatory, National Astronomical Observatory of Japan, Perimeter Institute for Theoretical Physics und Radboud University.

Das Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) ist eine internationale astronomische Einrichtung, die gemeinsam von der ESO, der US-amerikanischen National Science Foundation (NSF) der USA und den japanischen National Institutes of Natural Sciences (NINS) in Kooperation mit der Republik Chile betrieben wird. Getragen wird ALMA von der ESO im Namen ihrer Mitgliedsländer, von der NSF in Zusammenarbeit mit dem kanadischen National Research Council (NRC), dem Ministry of Science and Technology (MOST) und NINS in Kooperation mit der Academia Sinica (AS) in Taiwan sowie dem Korea Astronomy and Space Science Institute (KASI). Bei Entwicklung, Aufbau und Betrieb ist die ESO federführend für den europäischen Beitrag, das National Radio Astronomy Observatory (NRAO), das seinerseits von Associated Universities, Inc. (AUI) betrieben wird, für den nordamerikanischen Beitrag und das National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ) für den ostasiatischen Beitrag. Dem Joint ALMA Observatory (JAO) obliegt die übergreifende Projektleitung für den Aufbau, die Inbetriebnahme und den Beobachtungsbetrieb von ALMA.

Das Atacama Pathfinder EXperiment (APEX) ist ein Teleskop mit einem Durchmesser von 12 Metern, das im Millimeter- und Submillimeterbereich – zwischen Infrarotlicht und Radiowellen – arbeitet. Die ESO betreibt APEX an einem der höchstgelegenen Observatorien der Erde, auf einer Höhe von 5100 Metern, hoch oben auf dem Chajnantor-Plateau in der chilenischen Atacama-Region. APEX ist ein Projekt des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie (MPIfR), das von der ESO im Auftrag des MPIfR verwaltet und betrieben wird.

Die Europäische Südsternwarte (ESO) befähigt Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler weltweit, die Geheimnisse des Universums zum Nutzen aller zu entdecken. Wir entwerfen, bauen und betreiben Observatorien von Weltrang, die Astronominnen und Astronomen nutzen, um spannende Fragen zu beantworten und die Faszination der Astronomie zu wecken, und wir fördern die internationale Zusammenarbeit in der Astronomie. Die ESO wurde 1962 als zwischenstaatliche Organisation gegründet und wird heute von 16 Mitgliedstaaten (Belgien, Dänemark, Deutschland, Frankreich, Finnland, Irland, Italien, den Niederlanden, Österreich, Polen, Portugal, Schweden, der Schweiz, Spanien, der Tschechischen Republik und dem Vereinigten Königreich) sowie dem Gastland Chile und Australien als strategischem Partner unterstützt. Der Hauptsitz der ESO und ihr Besucherzentrum und Planetarium, die ESO Supernova, befinden sich in der Nähe von München in Deutschland, während die chilenische Atacama-Wüste, ein wunderbarer Ort mit einzigartigen Bedingungen für die Himmelsbeobachtung, unsere Teleskope beherbergt. Die ESO betreibt drei Beobachtungsstandorte: La Silla, Paranal und Chajnantor. Am Standort Paranal betreibt die ESO das Very Large Telescope und das dazugehörige Very Large Telescope Interferometer sowie Durchmusterungsteleskope wie z. B. VISTA. Ebenfalls am Paranal wird die ESO das Cherenkov Telescope Array South betreiben, das größte und empfindlichste Gammastrahlen-Observatorium der Welt. Zusammen mit internationalen Partnern betreibt die ESO auf Chajnantor APEX und ALMA, zwei Einrichtungen zur Beobachtung des Himmels im Millimeter- und Submillimeterbereich. Auf dem Cerro Armazones in der Nähe von Paranal bauen wir „das größte Auge der Welt am Himmel“ – das Extremely Large Telescope der ESO. Von unseren Büros in Santiago, Chile, aus unterstützen wir unsere Aktivitäten im Land und arbeiten mit chilenischen Partnern und der Gesellschaft zusammen.

Die Übersetzungen von englischsprachigen ESO-Pressemitteilungen sind ein Service des ESO Science Outreach Network (ESON), eines internationalen Netzwerks für astronomische Öffentlichkeitsarbeit, in dem Wissenschaftler und Wissenschaftskommunikatoren aus allen ESO-Mitgliedsländern (und einigen weiteren Staaten) vertreten sind. Deutscher Knoten des Netzwerks ist das Haus der Astronomie in Heidelberg.

Forschungsartikel
https://www.eso.org/public/archives/releases/sciencepapers/eso2411/eso2411a.pdf

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• Event Horizon Telescope „EHT“

Der Beitrag EHT-Wissenschaftler machen die bisher schärfsten Beobachtungen von der Erdoberfläche aus erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: ESON 27. März 2024.

27. März 2024 – Im Jahr 2022 stellten Wissenschaftler auf Pressekonferenzen in der ganzen Welt, darunter auch bei der Europäischen Südsternwarte (ESO), das erste Bild von Sgr A* vor. Zwar ist das supermassereiche schwarze Loch in der Milchstraße, das etwa 27.000 Lichtjahre von der Erde entfernt ist, mehr als tausendmal kleiner und weniger massereich als das von M87, dem ersten schwarzen Loch, das jemals abgebildet wurde. Die Beobachtungen zeigten jedoch, dass sich die beiden bemerkenswert ähnlich sehen. Dies veranlasste die Forschenden zu der Frage, ob die beiden über ihr Aussehen hinaus gemeinsame Merkmale aufweisen. Um dies herauszufinden, beschloss das Team, Sgr A* in polarisiertem Licht zu untersuchen. Frühere Untersuchungen des Lichts in der Umgebung des schwarzen Lochs M87 (M87) ergaben, dass die Magnetfelder in der Umgebung es dem schwarzen Loch ermöglichen, kraftvolle Materialstrahlen zurück in die Umgebung zu schleudern. Darauf aufbauend haben die neuen Bilder gezeigt, dass das selbe auch für Sgr A* gelten könnte.

„Wir sehen jetzt, dass es in der Nähe des schwarzen Lochs im Zentrum der Milchstraße starke, verdrehte und geordnete Magnetfelder gibt“, sagt Sara Issaoun, Einstein-Stipendiatin des Hubble-Stipendienprogramms der NASA am Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian, USA, und Co-Leiterin des Projekts. „Zusammen mit der Tatsache, dass Sgr A* eine auffallend ähnliche Polarisationsstruktur aufweist wie das viel größere und stärkere schwarze Loch M87*, haben wir gelernt, dass starke und geordnete Magnetfelder entscheidend dafür sind, wie schwarze Löcher mit dem Gas und der Materie um sie herum wechselwirken.“

Licht ist eine schwingende oder sich bewegende elektromagnetische Welle, mit der wir Objekte sehen können. Manchmal schwingt das Licht in einer bevorzugten Ausrichtung, die wir als „polarisiert“ bezeichnen. Obwohl uns überall polarisiertes Licht umgibt, ist es für das menschliche Auge kaum von „normalem“ Licht zu unterscheiden. Im Plasma um die schwarzen Löcher wirbeln die Teilchen um die Magnetfeldlinien und erzeugen ein Polarisationsmuster, das senkrecht zum Feld steht. Dadurch können Astronominnen und Astronomen die Vorgänge in den Bereichen um schwarze Löcher immer deutlicher erkennen und deren Magnetfeldlinien kartieren.

„Mit der Messung des polarisierten Lichts von heißem, glühendem Gas in der Nähe von schwarzen Löchern können wir direkt auf die Struktur und Stärke der Magnetfelder schließen, die den Strom von Gas und Materie durchziehen, welches das schwarze Loch aufsammelt und wieder ausstößt“, so Angelo Ricarte, Harvard Black Hole Initiative Fellow und Co-Leiter des Projekts. „Über das polarisierte Licht erfahren wir viel mehr über die Astrophysik, die Eigenschaften des Gases und die Prozesse, die beim Wachsen eines schwarzen Lochs ablaufen.“

Schwarze Löcher in polarisiertem Licht abzubilden, ist jedoch nicht so einfach, wie eine polarisierte Sonnenbrille aufzusetzen. Das gilt insbesondere für Sgr A*, das sich so schnell verändert, sodass es zu verwackelten Aufnahmen führen sollte. Um das supermassereiche schwarze Loch abzubilden, sind ausgefeilte Instrumente erforderlich, die weit über die hinausgehen, die bisher für die Aufnahme von M87, einem viel ruhigeren Ziel, verwendet wurden. EHT-Projektwissenschaftler Geoffrey Bower vom Institut für Astronomie und Astrophysik der Academia Sinica in Taipeh sagte: „Da sich während der Beobachtung Sgr A* bewegt, war es schon schwierig, nur ein unpolarisiertes Bild zu erstellen“, und fügte hinzu, dass das erste Bild aufgrund der Bewegung von Sgr A* ein Mittelwert aus mehreren Bildern war. „Wir waren erleichtert, dass die polarisierte Aufnahme überhaupt möglich war.“

Mariafelicia De Laurentis, stellvertretende EHT-Projektwissenschaftlerin und Professorin an der Universität Neapel Federico II, Italien, sagte: „Bei dieser Stichprobe von zwei schwarzen Löchern – mit sehr unterschiedlichen Massen und sehr unterschiedlichen Wirtsgalaxien – gilt es herauszufinden, worin sie übereinstimmen und worin sie sich unterscheiden. Da beide auf starke Magnetfelder hinweisen, könnte dieses Phänomen ein universelles und vielleicht grundlegendes Merkmal dieser Art von Systemen sein. Eine der Gemeinsamkeiten zwischen diesen beiden schwarzen Löchern ist womöglich ein Jet. Während wir bei M87* einen sehr offensichtlichen Jet beobachtet haben, konnten wir ihn bei Sgr A* bislang nicht finden.“

Um Sgr A* zu beobachten, verknüpfte die Kollaboration acht Teleskope auf der ganzen Welt zu einem virtuellen Teleskop in Erdgröße, dem EHT. Das Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), an dem die ESO beteiligt ist, und das von der ESO betriebene Atacama Pathfinder Experiment (APEX), beide im Norden Chiles, waren Teil des Netzwerks, das die Beobachtungen im Jahr 2017 durchführte.

„Als größtes und leistungsstärkstes Teleskop des EHT hat ALMA eine Schlüsselrolle bei der Erstellung dieses Bilds gespielt“, sagt María Díaz Trigo, Europäische ALMA-Programmwissenschaftlerin bei der ESO. „ALMA plant nun eine substanzielle Erweiterung, das Wideband Sensitivity Upgrade (Ausbau der Breitbandempfindlichkeit), das ALMA noch empfindlicher machen wird. Dadurch wird ALMA auch bei zukünftigen EHT-Beobachtungen von Sgr A* und anderen schwarzen Löchern eine wichtige Rolle spielen.“

Das EHT hat seit 2017 mehrere Beobachtungen durchgeführt und wird Sgr A* voraussichtlich im April 2024 erneut ins Visier nehmen. Jedes Jahr werden die Bilder besser, da das EHT neue Teleskope, größere Bandbreiten und neue Beobachtungsfrequenzen einsetzt. Die für das nächste Jahrzehnt geplanten Erweiterungen werden hochwertige Filme von Sgr A* ermöglichen, möglicherweise einen verborgenen Jet aufdecken und es Astronomen und Astronominnen ermöglichen, ähnliche Polarisationsmerkmale in anderen schwarzen Löchern zu beobachten. In der Zwischenzeit würde der Ausbau des EHT in den Weltraum schärfere Bilder von schwarzen Löchern liefern als je zuvor.

Weitere Informationen
Diese Forschungsergebnisse wurden in zwei Artikeln der EHT-Kollaboration vorgestellt, die heute in The Astrophysical Journal Letters veröffentlicht wurden: „First Sagittarius A* Event Horizon Telescope Results. VII. Polarization of the Ring“ (doi: XXX) und „First Sagittarius A* Event Horizon Telescope Results. VIII.: Physical interpretation of the polarized ring“ (doi: XXX).

An der EHT-Kollaboration sind mehr als 300 Forschende aus Afrika, Asien, Europa, Nord- und Südamerika beteiligt. Die internationale Kollaboration arbeitet daran, die detailliertesten Bilder von schwarzen Löchern zu erhalten, die je gemacht wurden, indem ein virtuelles Teleskop in Erdgröße gebaut wird. Unterstützt durch beträchtliche internationale Investitionen verbindet das EHT bestehende Teleskope mit neuartigen Systemen und schafft so ein grundlegend neues Instrument mit dem höchsten bisher erreichten Winkelauflösungsvermögen.

Die einzelnen Teleskope, die im April 2017, als die Beobachtungen durchgeführt wurden, am EHT beteiligt waren, waren: das Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), das Atacama Pathfinder EXperiment (APEX), das Institut de Radioastronomie Millimetrique (IRAM) 30-Meter-Teleskop, das James Clerk Maxwell Telescope (JCMT), das Large Millimeter Telescope Alfonso Serrano (LMT), das Submillimeter Array (SMA), das UArizona Submillimeter Telescope (SMT) und das South Pole Telescope (SPT). Seitdem hat das EHT das Greenland Telescope (GLT), das IRAM NOrthern Extended Millimeter Array (NOEMA) und das 12-Meter-Teleskop der UArizona auf dem Kitt Peak in sein Netzwerk aufgenommen.

Das EHT-Konsortium besteht aus 13 beteiligten Instituten: dem Academia Sinica Institute of Astronomy and Astrophysics, der University of Arizona, der University of Chicago, dem East Asian Observatory, der Goethe-Universität Frankfurt, dem Institut de Radioastronomie Millimétrique, dem Large Millimeter Telescope, dem Max-Planck-Institut für Radioastronomie, dem MIT Haystack Observatory, dem National Astronomical Observatory of Japan, dem Perimeter Institute for Theoretical Physics, der Radboud University und dem Smithsonian Astrophysical Observatory.

Das Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) ist eine internationale astronomische Einrichtung, die gemeinsam von der ESO, der US-amerikanischen National Science Foundation (NSF) der USA und den japanischen National Institutes of Natural Sciences (NINS) in Kooperation mit der Republik Chile betrieben wird. Getragen wird ALMA von der ESO im Namen ihrer Mitgliedsländer, von der NSF in Zusammenarbeit mit dem kanadischen National Research Council (NRC), dem Ministry of Science and Technology (MOST) und NINS in Kooperation mit der Academia Sinica (AS) in Taiwan sowie dem Korea Astronomy and Space Science Institute (KASI). Bei Entwicklung, Aufbau und Betrieb ist die ESO federführend für den europäischen Beitrag, das National Radio Astronomy Observatory (NRAO), das seinerseits von Associated Universities, Inc. (AUI) betrieben wird, für den nordamerikanischen Beitrag und das National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ) für den ostasiatischen Beitrag. Dem Joint ALMA Observatory (JAO) obliegt die übergreifende Projektleitung für den Aufbau, die Inbetriebnahme und den Beobachtungsbetrieb von ALMA.

Die Übersetzungen von englischsprachigen ESO-Pressemitteilungen sind ein Service des ESO Science Outreach Network (ESON), eines internationalen Netzwerks für astronomische Öffentlichkeitsarbeit, in dem Wissenschaftler und Wissenschaftskommunikatoren aus allen ESO-Mitgliedsländern (und einigen weiteren Staaten) vertreten sind. Deutscher Knoten des Netzwerks ist das Haus der Astronomie in Heidelberg.

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• Event Horizon Telescope „EHT“

Der Beitrag Milchstraße: Magnetfelder am Rand des zentralen schwarzen Lochs erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: Max-Planck-Institut für Radioastronomie 8. November 2023.

8. November 2023 – Zum ersten Mal ist es gelungen, die Spiralform des drehenden Lichts zu messen, das vom Rand eines supermassereichen Schwarzen Lochs entweicht. Diese Ergebnisse hat die Event Horizon Telescope (EHT) Kollaboration (an der das MPI für Radioastronomie und das Institut de Radioastronomie Millimétrique maßgeblich beteiligt sind) kürzlich veröffentlicht. Diese sogenannte zirkulare Polarisation ist eine Folge der Rotation der Schwingungsrichtung des elektrischen Feldes in den Radiowellen. Auf seiner Reise bringt das Radiolicht Informationen über die Magnetfeld-Struktur und die Zusammensetzung der energetischen Teilchen nahe dem Schwarzen Loch mit sich. Die neue Arbeit, die heute in der Fachzeitschrift Astrophysical Journal Letters veröffentlicht wurde, unterstützt frühere Erkenntnisse des EHT bezüglich eines rotierenden Magnetfeldes, das stark genug ist das schwarze Loch in der Galaxie M87 zeitweise daran zu hindern, Materie zu “verschlucken”.

“Die Untersuchung der zirkularen Polarisation war der letzte Teil unserer umfassenden Analyse der Polarisation um das Schwarze Loch in M87 mit den Daten aus dem Jahr 2017. Da die zirkulare Polarisation relativ schwach ist, war es besonders schwierig dieses Signal zu extrahieren”, sagt Andrew Chael, Wissenschaftler der Gravity Initiative an der Princeton University, der das heute vorgestellte Projekt koordiniert hat. „Diese neuen Ergebnisse bestätigen unser Bild eines starken Magnetfelds, welches das heiße Gas um das Schwarze Loch durchdringt. Die EHT-Beobachtungen helfen uns, besser zu verstehen, wie Schwarze Löcher Materie aufsaugen und gleichzeitig energiereiche Jets ausstoßen, die weit über die Galaxie hinausreichen können, in der sich das Schwarze Loch befindet.”

Im Jahr 2019 erreichte das Event Horizon Telescope (EHT) einen Meilenstein als es zum ersten Mal ein Bild eines glühenden Rings aus heißem Plasma um das zentrale Schwarze Loch in M87 zeigte. Im Jahr 2021 veröffentlichten die EHT-Wissenschaftler dann ein weiteres Bild, das die Ausrichtung der elektrischen Felder des Lichts zeigt, also die lineare Polarisation aus dem Plasmaring. Diese lineare Polarisation deutet auf die Existenz geordneter und starker Magnetfelder in der Nähe des Ereignishorizonts des Schwarzen Lochs hin.

„Darauf aufbauend liefern unsere neuen Messungen der zirkularen Polarisation, die zeigen, wie sich die elektrischen Felder des Lichts spiralförmig drehen, eine noch überzeugendere Bestätigung für die Existenz dieser starken Magnetfelder“, sagt Eduardo Ros, Wissenschaftler am MPIfR und Koautor der veröffentlichten Arbeit.

„Das zirkular polarisierte Signal ist etwa 100 Mal schwächer als die unpolarisierte Strahlung, die wir für das erste Bild des Schwarzen Lochs verwendet haben“, erklärt Ioannis Myserlis, Astronom am Institut für Radioastronomie im Millimeterbereich (IRAM). „Dieses schwache Signal in den Daten zu finden war, als würde man versuchen, ein Gespräch neben einem Presslufthammer zu verfolgen. Wir mussten unsere Methoden sorgfältig testen, um herauszufinden, worauf wir uns wirklich verlassen konnten.”

Um diese genaue Analyse durchführen zu können, entwickelte und testete das Team mehrere neue Methoden, um aus den spärlichen und verrauschten EHT-Messungen ein polarisiertes Bild zu rekonstruieren. „Es war entscheidend, unsere verschiedenen Analysemethoden gegen simulierte Daten und gegeneinander zu testen“, sagt Freek Roelofs, Postdoktorand am Center for Astrophysics | Harvard and Smithsonian. In einer ebenfalls heute veröffentlichten Arbeit stellte Roelofs fest, dass die Daten einen überraschenden Unterschied zwischen den links- und rechtshändig zirkular polarisierten Anteilen des Lichtes des Rings zeigen. Dieses Ergebnis basiert jedoch auf der (plausiblen) Annahme einer ringförmigen Struktur der Emission – unter weniger stringenten Annahmen über die Helligkeitsverteilung verschwanden diese Unterschiede. „Zusammen zu arbeiten und herauszufinden, was und was nicht aus den Daten abgeleitet werden kann, hat dieses Projekt unglaublich spannend und interessant gemacht“, sagt Roelofs.

Das Team führte verschiedene Tests mit den Daten durch, die alle auf die tatsächliche Präsenz zirkular polarisierten Lichtes in der Nähe des Ereignishorizonts hinweisen. Maciek Wielgus, Wissenschaftler am MPIfR und Mitglied des Teams, erklärt: „Da die Genauigkeit der EHT-Messungen der zirkularen Polarisation durch die Messempfindlichkeit begrenzt war, konnte unser Team letztlich kein klares Bild von der ‚Händigkeit‘ des zirkular polarisierten Lichtes gewinnen. Stattdessen konnten wir aber feststellen, dass der zirkular polarisierte (oder spiralförmige) Anteil des Lichts nur einen kleinen Teil des gesamten Lichts ausmacht, aus dem sich das Bild des Schwarzen Lochs zusammensetzt.”

In einer kürzlich durchgeführten Studie hat das Team des EHT mit einer speziellen Messtechnik verschiedene Hypothesen über die Form und das Verhalten von Plasma- und Magnetfeldern in der Umgebung eines Schwarzen Lochs untersucht. Dabei kamen auch modernste Supercomputer-Simulationen zum Einsatz. Die nun vorliegende Messung der zirkularen Polarisation untermauert frühere Befunde, die auf die Existenz starker Magnetfelder hindeuten. Diese Magnetfelder üben eine beträchtliche Kraft auf die in das Schwarze Loch fallende Materie aus und begünstigen die Bildung robuster Plasmajets, die sich weit vom Zentralbereich der Galaxie M87 entfernen.

Die kombinierte Analyse von Simulationen und Beobachtungen zeigt eine turbulente und dynamische Umgebung nahe dem Ereignishorizont des Schwarzen Lochs. In dieser Region kommt es zu heftigen Wechselwirkungen zwischen Magnetfeldern, dem heißen Plasma und der Schwerkraft.

„Obwohl die EHT-Daten von 2017 nicht empfindlich genug sind, um alle Details in der Struktur der zirkularen Polarisation um das Schwarze Loch zu enthüllen, sind wir optimistisch die momentanen Einschränkungen überwinden zu können“, sagt Thomas Krichbaum vom MPIfR, einer der Pioniere von Millimeter-VLBI Messungen. „Unsere laufende Analyse neuerer und besserer EHT-Datensätze verspricht, dass wir dieses Signal noch genauer messen können. Das würde uns Aufschluss darüber geben, ob Materie-Antimaterie-Paare Teil des Plasmas am Ereignishorizont sind und welche Mechanismen ihrer Beschleunigung auf nahezu Lichtgeschwindigkeit zugrunde liegen“, schließt er.

Unter den teilnehmenden Teleskopen in der Messung befindet sich auch das vom MPIfR gebaute und betriebene Radioteleskop APEX in Chile. „Die Arbeit an diesen bahnbrechenden Beobachtungen war zweifellos eine große Herausforderung, aber sie hat uns auf die spannenden Perspektiven vorbereitet, die noch vor uns liegen“, ergänzt Anton Zensus, Gründungsvorsitzender der EHT-Kooperation und Direktor am MPIfR. Er fügt hinzu: „Das EHT erlebt derzeit eine rasante Expansion mit neuen Teleskopen und verbesserter Technologie an allen Observatorien, die auch auf den Ergebnissen von unserem VLBI-Korrelator in Bonn basieren.“

Mehr Informationen
An der EHT-Kollaboration sind mehr als 300 Forscher aus Afrika, Asien, Europa sowie Nord- und Südamerika beteiligt. Die internationale Kollaboration arbeitet daran, die detailliertesten Bilder von Schwarzen Löchern zu erfassen, die je gemacht wurden, indem sie ein virtuelles Teleskop in Erdgröße erzeugt. Unterstützt durch beträchtliche internationale Investitionen verknüpft das EHT bestehende Teleskope mit neuartigen Systemen und schafft so ein grundlegend neues Instrument mit dem höchsten bisher erreichten Winkelauflösungsvermögen.

Die einzelnen beteiligten Teleskope sind: ALMA, APEX, das IRAM 30-Meter-Teleskop, das IRAM NOEMA Observatorium, das James Clerk Maxwell Teleskop (JCMT), das Large Millimeter Telescope (LMT), das Submillimeter Array (SMA), das Submillimeter Teleskop (SMT), das South Pole Telescope (SPT), das Kitt Peak Teleskop und das Greenland Telescope (GLT).

Das EHT-Konsortium besteht aus 13 beteiligten Instituten: dem Academia Sinica Institute of Astronomy and Astrophysics, der University of Arizona, der University of Chicago, dem East Asian Observatory, der Goethe-Universität Frankfurt, dem Institut de Radioastronomie Millimétrique, dem Large Millimeter Telescope, dem Max-Planck-Institut für Radioastronomie, dem MIT Haystack Observatory, dem National Astronomical Observatory of Japan, dem Perimeter Institute for Theoretical Physics, der Radboud University und dem Smithsonian Astrophysical Observatory.

Folgende Wissenschaftler, die dem MPIfR angehören, sind Mitautoren der Veröffentlichung: Walter Alef, Rebecca Azulay, Uwe Bach, Anne-Kathrin Baczko, Silke Britzen, Gregory Desvignes, Sergio A. Dzib, Ralph P. Eatough, Christian M. Fromm, Michael Janssen, Dong-Jin Kim, Jae-Young Kim, Joana A. Kramer, Michael Kramer, Thomas P. Krichbaum, Mikhail Lisakov, Jun Liu, Kuo Liu, RuSen Lu, Andrei P. Lobanov, Nicholas R. MacDonald, Nichola Marchilli, Karl M. Menten, Cornelia Müller, Hendrik Müller, Aristeidis Noutsos, Gisela N. Ortiz-León, Georgios F. Paraschos, Felix M. Pötzl, Eduardo Ros, Helge Rottmann, Alan L. Roy, Tuomas Savolainen, Lijing Shao, Pablo Torne, Efthalia Traianou, Jan Wagner, Robert Wharton, Maciek Wielgus, Gunther Witzel, und J. Anton Zensus.

Bei IRAM, mit seinen Standorten in Grenoble und Granada, sind folgende Wissenschaftler Mitglieder des Teams: Michael Bremer, Dominique Broguiere, Sergio A. Dzib, Roberto García, Olivier Gentaz, Carsten Kramer, Ioannis Myserlis, Roberto Neri, Vincent Piétu, Ignacio Ruiz, Salvador Sánchez, Miguel Sánchez-Portal, Karl-Friedrich Schuster, und Pablo Torne.

Originalveröffentlichungen
First M87 Event Horizon Telescope Results IX: Detection of Near-Horizon Circular Polarization
EHT Collaboration et al., The Astrophysical Journal, 8 November 2023, DOI: 10.3847/2041-8213/acff70
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/acff70
pdf: https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/acff70/pdf
Polarimetric geometric modeling for mm-VLBI observations of black holes
F. Roelofs, M.D. Johnson, A. Chael, M. Janssen, M. Wielgus, and the EHT Collaboration, The Astrophysical Journal, 8 November 2023, DOI: 10.3847/2041-8213/acff6f
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/acff6f
pdf: https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/acff6f/pdf

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Quelle: Deutsches Museum Bonn 3. Oktober 2022.

Die dreiteilige Reihe startet am 19. Oktober 2022 um 19.00 Uhr mit dem Eröffnungsvortrag »APEX: Der Pfadfinder für den Südhimmel bei Submillimeterwellenlängen« von Professor Dr. Karl Menten. Er ist einer der Direktoren des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie und leitet die Forschungsabteilung »Millimeter- und Submillimeter-Astronomie«.

Neue Sterne entstehen in unserem Universum seit mindestens 13 Milliarden Jahren – auch heute noch – aus dichten interstellaren Wolken aus Gas und Staub. Dieser Staub verhüllt die jüngsten Sterne vollständig, was direkte Beobachtungen ihrer Entstehung im optischen Licht unmöglich macht. Bei 1000- bis 10000-mal längeren Wellenlängen, also im Submillimeterbereich (bzw. Terahertz-Frequenzbereich), dagegen »leuchtet« der Staub, wie auch die Strahlung einer Vielzahl von Molekülen. Seit 2005 betreibt das Max-Planck-Institut für Radioastronomie in 5100 Meter Höhe in der chilenischen Atacamawüste ein Submillimeter-Teleskop, das Atacama Pathfinder Experiment (APEX). Ursprünglich konzipiert als »Pfadfinder« für das viel größere Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) und die Weltraum- bzw. Flugzeugobservatorien Herschel und SOFIA, wurden mit APEX weite Teile unserer Milchstraße systematisch in der Strahlung von Staub und molekularem Gas, dem Rohstoff für die Entstehung von neuen Sternen, durchmustert und die Chemie des interstellaren Mediums untersucht. Auch eine Reihe von anderen Fragestellungen wurde mit APEX adressiert. Der Vortrag gibt einen Überblick der astronomischen Ergebnisse von APEX und der von uns und unseren Partnern ständig weiterentwickelten innovativen Technologie, die sie ermöglichen.

Das Reihenthema »APEX & ALMA: Moleküle und Sternentstehung im Universum«, ursprünglich bereits geplant für das Jahr 2020, war gleich drei Jubiläen aus dem Jahr 2020 gewidmet: 25 Jahre Deutsches Museum Bonn (DMB), 20 Jahre Astronomische Vorträge im DMB und 15 Jahre Submillimeterteleskop APEX in Chile.

Die Vortragsreihe ist eine gemeinsame Veranstaltung des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie, des Argelander-Instituts für Astronomie der Universität Bonn und des Deutschen Museums Bonn.

Der Eintritt ist frei!
Kontakt/Info/Anmeldung unter info at deutsches-museum-bonn.de.

DMB Vortragsreihe Neues aus dem All:
https://www.deutsches-museum.de/bonn/programm#c20746

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Quelle: Max-Planck-Institut für Radioastronomie 12. Mai 2022.

12. Mai 2022 – Astronomen haben das erste Bild des supermassereichen Schwarzen Lochs im Zentrum unserer Milchstraße enthüllt. Das Beobachtungsergebnis liefert überwältigende Beweise dafür, dass es sich bei diesem Objekt tatsächlich um ein Schwarzes Loch handelt, und gibt wertvolle Hinweise auf die Funktionsweise solcher Giganten, von denen man annimmt, dass sie im Zentrum der meisten Galaxien auftreten. Das Bild wurde von einem globalen Forschungsteam, der Event-Horizon-Teleskop-Kollaboration (EHT-Kollaboration), unter Verwendung von Beobachtungen mit einem weltweiten Netz von Radioteleskopen erstellt. Das Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR) in Bonn spielt eine wichtige Rolle in allen Phasen dieser Entdeckung, von der Gründung und dem Aufbau der EHT-Kollaboration bis hin zur endgültigen Erstellung und Interpretation der Beobachtungsergebnisse.

Die Resultate werden in einer Reihe von Artikeln in einer Sonderausgabe der Fachzeitschrift „The Astrophysical Journal Letters“ veröffentlicht.

Das hier vorgestellte Bild stellt einen lang erwarteten direkten Blick auf das massereiche Objekt im Zentrum unserer Galaxie dar, das unter dem Namen Sagittarius A* (Sgr A*) bekannt ist. Wissenschaftler hatten zuvor bereits Sterne untersucht, die um ein unsichtbares, kompaktes und sehr massereiches Objekt im Zentrum der Milchstraße kreisen. Diese Arbeit wurde mit dem Nobelpreis für Physik im Jahr 2020 ausgezeichnet. Anton Zensus, Direktor am Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR) und Gründungsvorsitzender des EHT-Aufsichtsrats, sagt: „Unsere Entdeckung zeigt, dass es sich bei diesem kompakten, massereichen Objekt im galaktischen Zentrum tatsächlich um ein Schwarzes Loch handelt. Das heutige Bild liefert den ersten direkten visuellen Beweis dafür – zum ersten Mal können wir einen Blick auf das Schwarze Loch im Zentrum unserer eigenen Galaxie werfen.“

Obwohl wir das Schwarze Loch selbst nicht sehen können, weil es keine Strahlung aussendet, zeigt das glühende Gas drumherum eine verräterische Signatur: eine dunkle zentrale Region (ein so genannter „Schatten“), die von einer hellen ringartigen Struktur umgeben ist. Diese neue Ansicht fängt das Licht ein, das durch die immense Gravitation des Schwarzen Lochs, über vier Millionen Mal massereicher als unsere Sonne, gebeugt wird.

„Wir waren verblüfft, wie gut die Größe des beobachteten Rings mit den Vorhersagen der Allgemeinen Relativitätstheorie von Einstein übereinstimmt“, sagt EHT-Projektwissenschaftler Geoffrey Bower vom Institut für Astronomie und Astrophysik der Academia Sinica in Taipeh. „Die neuen Beobachtungen haben unser Verständnis der physikalischen Prozesse in den Zentren von Galaxien erheblich verbessert und bieten neue Erkenntnisse darüber, wie solch riesige Schwarzen Löcher mit ihrer Umgebung in Wechselwirkung stehen.“ Die Ergebnisse des EHT-Teams werden heute in einer Serie von Veröffentlichungen in einer Sonderausgabe der Fachzeitschrift „The Astrophysical Journal Letters“ präsentiert.

Da das Schwarze Loch im Zentrum der Milchstraße etwa 27.000 Lichtjahre von der Erde entfernt ist, erscheint es uns am Himmel etwa so groß wie ein Donut auf dem Mond. Um es abzubilden, schuf das Team das leistungsstarke EHT, das acht bestehende Radioobservatorien auf der ganzen Welt zu einem einzigen virtuellen Teleskop von Erdgröße verbindet. Das EHT beobachtete Sgr A* in mehreren Nächten und sammelte viele Stunden am Stück Daten, ähnlich wie bei einer langen Belichtungszeit einer Kamera. Dieses virtuelle Teleskop wird durch den Einsatz eines Hochleistungsrechners, eines so genannten Korrelators, ermöglicht, der die Daten abspielt und verarbeitet. Mit dem Korrelator am Max-Planck-Institut für Radioastronomie wurde die Hälfte der Daten der Beobachtungskampagne von 2017 analysiert.

„Es ist großartig, dass unser APEX-Teleskop eine so wichtige Rolle bei der Entwicklung des EHT spielen und auch an diesen aktuellen Beobachtungen von Sgr A* teilnehmen konnte“, sagt Karl Menten, Direktor am MPIfR, der Projektleiter für das APEX-Teleskop. „Sein Beitrag ist sogar essentiell, um eine perfekte Kalibrierung der sich verändernden Helligkeit der Quelle zu erreichen und den endgültigen Beweis für den Schatten des Schwarzen Lochs in unserem galaktischen Zentrum zu erbringen“, fügt er hinzu.

Der neuerliche Durchbruch folgt auf die bereits im Jahr 2019 von der EHT-Kollaboration veröffentlichte erste Aufnahme eines Schwarzen Lochs, genannt M87*, im Zentrum der Galaxie Messier 87 in wesentlich größerer Entfernung. Die beiden Schwarzen Löcher sehen sich bemerkenswert ähnlich, obwohl das Schwarze Loch im Zentrum unserer Milchstraße mehr als tausendmal kleiner und weniger massereich ist als M87*. „Wir haben zwei völlig unterschiedliche Arten von Galaxien und zwei sehr unterschiedliche Massen von Schwarzen Löchern, aber in der Nähe des Randes dieser Schwarzen Löcher sehen sie sich verblüffend ähnlich“, sagt Sera Markoff, Ko-Vorsitzende des EHT-Wissenschaftsrats und Professorin für theoretische Astrophysik an der Universität von Amsterdam in den Niederlanden. „Das zeigt uns, dass die Allgemeine Relativitätstheorie diese Objekte aus der Nähe definiert und dass alle Unterschiede, die wir in größerem Abstand vom Zentrum sehen, auf Unterschiede in der Materie zurückzuführen sind, das die Schwarzen Löcher umgibt.“

Die Auswertung der Daten war wesentlich schwieriger als bei M87*, obwohl Sgr A* in viel geringerem Abstand liegt. Der EHT-Wissenschaftler Chi-kwan („CK“) Chan vom Steward Observatory und dem Department of Astronomy und dem Data Science Institute der University of Arizona, USA, erklärt: „Das Gas in der Nähe der Schwarzen Löcher bewegt sich mit der gleichen Geschwindigkeit – fast so schnell wie das Licht – um Sgr A* und M87*. Doch während das Gas Tage bis Wochen braucht, um das größere Objekt M87* zu umkreisen, vollendet es bei dem viel kleineren Sgr A* seine Umlaufbahn in nur wenigen Minuten. Das bedeutet, dass sich die Helligkeit und das Erscheinungsbild des Gases um Sgr A* während der Beobachtung durch die EHT-Kollaboration schnell änderten – ein bisschen so, als würde man versuchen, ein scharfes Bild von einem Welpen aufzunehmen, der unentwegt mit seinem Schwanz vor der Kamera wedelt.“

Die Forscher mussten ausgeklügelte neue Methoden entwickeln, um die Gasbewegungen um Sgr A* erklären zu können. Während M87* ein einfacheres, stabileres Ziel darstellte, bei dem fast alle Bilder gleich aussahen, war dies bei Sgr A* definitiv nicht der Fall. Das Bild des Schwarzen Lochs Sgr A* ist ein Mittelwert von verschiedenen Bildern, die das Team aus den Daten extrahiert hat. Das trägt nun dazu bei, das gewaltige Objekt im Zentrum unserer Galaxie zum ersten Mal direkt zu zeigen. Die detaillierte Kalibrierung der Daten war dank der Beobachtung von Helligkeitsveränderungen möglich, indem die Daten des ALMA-Teleskops aus der Gesamtheit der Beobachtungsdaten extrahiert wurden. Diese Aufgabe wurde von einem Team unter der Leitung von Maciek Wielgus (MPIfR) durchgeführt und in einer der vier zusätzlichen Publikationen (neben den sechs Hauptveröffentlichungen) vorgestellt. Einer der Leiter dieser detaillierten Kalibrierungsanalyse war Michael Janßen (MPIfR), einer der führenden Autoren der zweiten Hauptveröffentlichung innerhalb der Publikationsreihe zu Sgr A*. Tests der Allgemeinen Relativitätstheorie und Schritte auf dem Weg zum Nachweis eines Ereignishorizonts wurden ermöglicht durch das Hinzuziehen der Ergebnisse anderer Beobachtungen, wie sie von Gunther Witzel (MPIfR), einem der führenden Autoren der sechsten Veröffentlichung, zusammengetragen wurden.

Das hier vorgestellte Ergebnis wurde durch den Einfallsreichtum von mehr als 300 Forschern aus 80 Instituten in aller Welt ermöglicht, die zusammen die EHT-Kollaboration bilden. Neben der Entwicklung komplexer Instrumente zur Bewältigung der Herausforderungen für die Erstellung der Abbildung von Sgr A* hat das Team fünf Jahre lang hart gearbeitet und Supercomputer eingesetzt, um die Daten zu kombinieren und zu analysieren, während es gleichzeitig eine noch nie dagewesene Bibliothek von numerisch simulierte Schwarzen Löchern zum Vergleich mit den Beobachtungen zusammenstellte.

Michael Kramer, Direktor am MPIfR und einer der Projektleiter des „Black Hole Cam“-Projekts, weist darauf hin, dass die Aufnahme von M87 zwar einen großen Erfolg darstellte, aber nur begrenzt für die Überprüfung von Theorien der Gravitation geeignet ist. Er erklärt: „Bei Messier 87 hatten wir keine verlässlichen Vorkenntnisse über die Masse des Schwarzen Lochs. Im aktuellen Fall ist das ganz anders. Dank vorhergehender Messungen wie denen von Reinhard Genzel kennen wir sowohl die Entfernung als auch die Masse von Sgr A* sehr genau, so dass wir die erwartete Schattengröße berechnen können, um sie mit den Beobachtungen zu vergleichen. Und sie passt sehr gut!“ Das Projekt „Black Hole Cam“ wurde vom Europäischen Forschungsrat (ERC) finanziert und spielt eine wichtige Rolle innerhalb der EHT-Kollaboration.

Die Wissenschaftler sind besonders erfreut darüber, dass sie endlich Bilder von zwei Schwarzen Löchern ganz unterschiedlicher Größe haben, wodurch sie untersuchen können, wie sich beide Objekte ähneln und wodurch sie sich unterscheiden. Sie haben auch begonnen, mit den neuen Daten Theorien und Modelle darüber zu testen, wie sich Gas in der Umgebung von supermassereichen Schwarzen Löchern verhält. Dieser Prozess ist noch nicht vollständig geklärt, aber es wird angenommen, dass er eine Schlüsselrolle bei der Entstehung und Entwicklung von Galaxien spielt.

„Jetzt ist es möglich, die Unterschiede zwischen diesen beiden supermassereichen Schwarzen Löchern zu untersuchen, um wertvolle neue Erkenntnisse darüber zu gewinnen, wie dieser wichtige Prozess funktioniert“, sagt EHT-Wissenschaftler Keiichi Asada vom Institut für Astronomie und Astrophysik der Academia Sinica in Taipeh. „Wir haben Bilder von zwei Schwarzen Löchern erhalten – eines am großen und eines am kleinen Ende des Massenspektrums für supermassereiche Schwarze Löcher im Universum – so dass wir bei der Untersuchung, wie sich die Schwerkraft in diesen extremen Umgebungen verhält, viel weiter gehen können als jemals zuvor.“

„Auch die jetzt vorgestellten Ergebnisse basieren auf langjähriger gemeinsamer Pionierarbeit von MPIfR und IRAM. Die EHT-Ergebnisse stellen eine ideale Ergänzung der Ergebnisse dar, die am Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik im Infrarotbereich mit dem bahnbrechenden GRAVITY+ Instrument erzielt wurden“, sagt Karl Schuster, Direktor des „Institut de Radioastronomie Millimétrique“ (IRAM) in Grenoble, Frankreich. Die Fortschritte beim EHT gehen inzwischen weiter: An einer großen Beobachtungskampagne im März 2022 waren mehr Teleskope beteiligt als je zuvor. Schuster fügt hinzu: „Jetzt sind wir natürlich alle sehr gespannt, was die EHT-Beobachtungen in den Jahren 2021 und 2022 unter Beteiligung unseres leistungsstarken NOEMA-Observatoriums ergeben werden.“

Der kontinuierliche Ausbau des EHT-Netzes und bedeutende technologische Verbesserungen, wie z. B. neue Erweiterungen des Korrelators am MPIfR, neue Entwicklungen bei den Aufzeichnungssystemen und eine neue Generation von Empfängern, die am Radioteleskop Effelsberg getestet werden, werden dazu beitragen, dass in naher Zukunft noch mehr beeindruckende Bilder und auch Filme von Schwarzen Löchern entstehen werden.

Weitere Informationen:
Die acht Teleskope, die bei den Beobachtungen im April 2017 am EHT beteiligt waren, sind folgende: das Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), das Atacama Pathfinder Experiment (APEX), das IRAM 30-Meter-Teleskop, das James Clerk Maxwell Teleskop (JCMT), das Large Millimeter Telescope Alfonso Serrano (LMT), das Submillimeter Array (SMA), das UArizona Submillimeter Telescope (SMT) und das South Pole Telescope (SPT). In der Zwischenzeit sind das Grönland-Teleskop (GLT), das NOrthern Extended Millimeter Array (NOEMA) und das 12-Meter-Teleskop der Universität Arizona auf dem Kitt Peak zum Netzwerk des EHT dazugekommen.

ALMA ist eine Partnerschaft zwischen der Europäischen Südsternwarte (ESO; Europa, stellvertretend für seine Mitgliedsstaaten), der U.S. National Science Foundation (NSF) und den National Institutes of Natural Sciences (NINS) von Japan, zusammen mit dem National Research Council (Kanada), dem Ministry of Science and Technology (MOST; Taiwan), dem Academia Sinica Institute of Astronomy and Astrophysics (ASIAA; Taiwan) und dem Korea Astronomy and Space Science Institute (KASI; Republik Korea), in Zusammenarbeit mit der Republik Chile. APEX, eine Zusammenarbeit zwischen dem Max-Planck-Institut für Radioastronomie (Deutschland), dem Onsala Space Observatory (Schweden) und der ESO, wird von der ESO betrieben. Das 30-Meter-Teleskop auf dem Pico Veleta wird von IRAM betrieben (die IRAM-Partnerorganisationen sind MPG (Deutschland), CNRS (Frankreich) und IGN (Spanien)). Das JCMT wird vom East Asian Observatory im Auftrag des Center for Astronomical Mega-Science der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, dem National Astronomical Observatory of Japan, ASIAA, KASI, dem National Astronomical Research Institute of Thailand und weiteren Organisationen im Vereinigten Königreich und Kanada betrieben. Das LMT wird von INAOE und UMass betrieben, das SMA vom Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian und ASIAA, und das UArizona SMT wird von der Universität von Arizona betrieben. Das SPT wird von der Universität von Chicago betrieben, wobei die Universität von Arizona spezielle EHT-Instrumente bereitstellt.

Das Grönland-Teleskop (GLT) wird von der ASIAA und dem Smithsonian Astrophysical Observatory (SAO) betrieben. Das GLT ist Teil des ALMA-Taiwan-Projekts und wird zum Teil von der Academia Sinica (AS) und MOST unterstützt. NOEMA wird von IRAM betrieben, und das 12-Meter-Teleskop auf dem Kitt Peak wird von der Universität von Arizona betrieben.

Schwarze Löcher sind die einzigen Objekte, die wir kennen, bei denen die Masse mit der Größe skaliert. Ein Schwarzes Loch, das tausendmal kleiner ist als ein anderes, ist auch tausendmal weniger massereich.

Die Co-Autoren vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie in den zehn Veröffentlichungen sind folgende Personen, in der Reihenfolge ihres Erscheinens bei der zusammenfassenden Veröffentlichung (Paper I): W. Alef, R. Azulay, U. Bach, A.K. Baczko, S. Britzen, G. Desvignes, S.A. Dzib, R.P. Eatough, C.M. Fromm, M. Janßen, R. Karuppusamy, D.J. Kim, J.Y. Kim, M. Kramer, T.P. Krichbaum, M. Lisakov, J. Liu, K. Liu, A.P. Lobanov, R.S. Lu, N. Marchili, K.M. Menten, C. Müller, A. Noutsos, G.N. Ortiz-León, G.F. Paraschos, F.M. Pötzl, E. Ros, H. Rottmann, A.L. Roy, T. Savolainen, L. Shao, P. Torne, E. Traianou, J. Wagner, N. Wex, R. Wharton, M. Wielgus, G. Witzel, J.A. Zensus, A. Bertarini, M. Ciechanowicz, S. Dornbusch, D.A. Graham, S. Heyminck, D. Muders, J.P. Pérez-Beaupuits, & G. Wieching.

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• Schwarze Löcher

Der Beitrag Erstes Bild des supermassereichen Schwarzen Lochs im Herzen der Milchstraße erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: Max-Planck-Institut für Radioastronomie.

16. Juli 2021 – Ein internationales Forscherteam im Rahmen der Event-Horizon-Teleskop (EHT-) Kollaboration, bekannt für die erste Aufnahme eines Schwarzen Lochs im Zentrum der Galaxie M87, hat nun das Herz der nahegelegenen Radiogalaxie Centaurus A in vorher nicht erreichter Genauigkeit abgebildet. Die Astronomen konnten die Position des supermassereichen Schwarzen Lochs im Zentrum genau bestimmen und zeigen, wie dort ein gigantischer Jet geboren wird. Am bemerkenswertesten ist, dass nur die äußeren Ränder des Jets Strahlung auszusenden scheinen. Das stellt eine Reihe theoretischer Modelle zur Funktionsweise der Jets in Frage. Die Arbeit, geleitet von Michael Janssen vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn und der Radboud-Universität Nijmegen, wird am 19. Juli 2021 in der Fachzeitschrift „Nature Astronomy“ veröffentlicht.

In Radiowellenlängen erscheint Centaurus A als eines der größten und hellsten Objekte am Nachthimmel. Nachdem das Objekt 1949 als eine der ersten bekannten extragalaktischen Radioquellen identifiziert werden konnte (mit der Galaxie NGC 5128), ist Centaurus A über das gesamte elektromagnetische Spektrum hinweg mit einer Vielzahl von Radio-, Infrarot-, optischen, Röntgen- und Gammastrahlen-Observatorien ausgiebig erforscht worden. Im Zentrum von Centaurus A liegt ein Schwarzes Loch von 55 Millionen Sonnenmassen, was genau zwischen dem Schwarzen Loch im Zentrum der Galaxie M87 (sechseinhalb Milliarden Sonnenmassen) und dem im Zentrum unserer Milchstraße (etwa vier Millionen Sonnenmassen) liegt.

In einer neuen Veröffentlichung in der Fachzeitschrift „Nature Astronomy“ wurden Daten der EHT-Beobachtungen aus dem Jahr 2017 analysiert, um Centaurus A in vorher nicht erreichtem Detail abzubilden. „Dies erlaubt uns zum ersten Mal, einen extragalaktischen Radiojet auf Skalen zu untersuchen, die kleiner sind als die Entfernung, die das Licht an einem Tag zurücklegt. Wir sehen hautnah, wie ein ungeheuer gewaltiger Jet, ausgehend von einem supermassereichen Schwarzen Loch, geboren wird“, sagt Astronom Michael Janssen, der Erstautor der Veröffentlichung.

Centaurus A wurde bereits im Januar 2015 durch rekordverdächtige Beobachtungen mit einem einzigen Teleskoppaar bei einer Wellenlänge von 1 mm erforscht, als es vom APEX-Teleskop und dem Radioteleskop am Südpol gleichzeitig beobachtet wurde. „Diese bahnbrechenden Beobachtungen, aus denen wir nur die Kompaktheit des Kerns der Quelle abschätzen konnten, haben den Weg zu dem Bild geebnet, das wir jetzt mit dem Einsatz des kompletten EHT-Netzwerks präsentieren können“, ergänzt Eduardo Ros, ebenfalls vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR).

Im Vergleich zu allen bisherigen hochauflösenden Beobachtungen wird der in Centaurus A gestartete Jet mit einer zehnfach höheren Frequenz und sechzehnfach schärferen Auflösung abgebildet. Mit dem Auflösungsvermögen des EHT können nun die gewaltigen Ausmaße der Quelle dargestellt werden, deren großskalige Struktur eine Gesamtausdehnung vom 16-fachen Durchmesser des Mondes am Himmel entspricht. Im Gegensatz dazu erfolgt der Ursprung des Jets in der Nähe des zentralen Schwarzen Lochs in einem Bereich von gerade einmal der scheinbaren Größe eines Apfels auf dem Mond. Das entspricht insgesamt einem Vergrößerungsfaktor von einer Milliarde (1 000 000 000 oder 10⁹).

Zum Verständnis von Jets

Supermassereiche Schwarze Löcher, die sich im Zentrum von Galaxien wie Centaurus A befinden, ernähren sich von Gas und Staub, die von ihrer enormen Anziehungskraft angezogen werden. Bei diesem Prozess werden gewaltige Mengen an Energie freigesetzt, und man sagt, dass die Galaxie „aktiv“ wird. Die meiste Materie, die sich in der Nähe des Randes des Schwarzen Lochs befindet, fällt hinein. Einige der umgebenden Teilchen entkommen jedoch kurz vor dem Einfangen und werden weit hinaus ins All geblasen: dabei entstehen Jets, die eine der geheimnisvollsten und energiereichsten Eigenschaften von Galaxien darstellen.

Astronomen versuchen mit unterschiedlichen Modellen zu erklären, wie sich Materie in der Nähe des Schwarzen Lochs verhält. Aber sie wissen immer noch nicht genau, wie die Jets aus der Zentralregion der Galaxien gestartet werden und wie sie sich über Skalen erstrecken, die ein gutes Stück größer sein können als die Galaxien selbst. Mit dem EHT soll dieses Rätsel gelöst werden.

Das neue Bild zeigt, dass der aus dem Inneren von Centaurus A gestartete Jet an den Rändern heller ist als im Zentrum. Dieses Phänomen ist von anderen Jets bekannt, wurde aber noch nie so ausgeprägt gesehen. „Jetzt können wir alle theoretischen Jet-Modelle ausschließen, die diese Randaufhellung nicht reproduzieren können. Es ist ein auffälliges Beobachtungsmerkmal, das uns helfen wird, Jets, die von Schwarzen Löchern erzeugt werden, besser zu verstehen“, sagt Matthias Kadler, Leiter des TANAMI-Programms und Professor für Astrophysik an der Universität Würzburg.

Zukünftige Beobachtungen

Mit den neuen EHT-Beobachtungen der Zentralregion von Centaurus A wurde die wahrscheinliche Position des Schwarzen Lochs am Startpunkt des Jets identifiziert. Basierend auf dieser Erkenntnis sagen die Forscher voraus, dass zukünftige Beobachtungen bei noch kürzerer Wellenlänge und höherer Auflösung in der Lage sein werden, das zentrale Schwarze Loch von Centaurus A abbilden zu können.

„Diese Daten stammen aus der gleichen Beobachtungskampagne, die das berühmte Bild des Schwarzen Lochs in M87 lieferte. Die neuen Ergebnisse zeigen, dass das EHT eine Fundgrube für Daten über die reiche Vielfalt von Schwarzen Löchern darstellt“, sagt Heino Falcke, EHT-Vorstandsmitglied und Professor für Astrophysik an der Radboud-Universität Nijmegen.

Anton Zensus, Direktor am MPIfR und Gründungsvorsitzender der EHT-Kollaboration, ist zuversichtlich: „Das EHT ermöglicht uns nicht allein einen Blick auf die Schatten von Schwarzen Löchern. Es untersucht auch den Ursprung der riesigen Materiejets in Galaxien. Relativität und Magnetfelder wirken zusammen in den Jets, die aus der direkten Umgebung des Schwarzen Lochs hervorgehen. Wir konzentrieren unsere Forschung jetzt verstärkt auf die Magnetfelder in den Herzen von Radiogalaxien und Quasaren. Ich bin sicher, dass wir die dafür nötigen verbesserten Methoden zur Auswertung der neuen Beobachtungen bald beherrschen werden.“

Zusätzliche Informationen: Um die Galaxie Centaurus A mit dieser beispiellos scharfen Auflösung bei einer Wellenlänge von 1,3 mm zu beobachten, nutzte die Event-Horizon-Teleskop- (EHT) Kollaboration die Very Long Baseline Interferometry (VLBI), also dieselbe Technik, mit der auch das berühmte Bild des Schwarzen Lochs in M87 gemacht wurde. Ein Zusammenschluss von acht Teleskopen auf der ganzen Welt (ALMA und APEX (Chile), IRAM-30m (Spanien), JCMT und SMA (Hawaii), LMT (Mexiko), SMT (Arizona) und das SPT am Südpol) schlossen sich zusammen, um mit dem EHT ein virtuelles Radioteleskop von Erdgröße zu schaffen, das später durch NOEMA (Frankreich), GLT (Grönland) und KPT (Arizona) erweitert wurde. An der EHT-Kollaboration sind mehr als 300 Forscher aus Afrika, Asien, Europa, Nord- und Südamerika beteiligt.

Das EHT-Konsortium besteht aus 13 beteiligten Instituten: Academia Sinica Institute of Astronomy and Astrophysics, University of Arizona, University of Chicago, East Asian Observatory, Goethe-Universität Frankfurt, Institut de Radioastronomie Millimétrique (MPG/CNRS/IGN), Large Millimeter Telescope, Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR), MIT Haystack Observatory, National Astronomical Observatory of Japan, Perimeter Institute for Theoretical Physics, Radboud-Universität Nijmegen und Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian.

Das EHT wird durch erhebliche internationale Investitionen und ein großes Engagement des MPIfR seit den 1990er Jahren bei der Entwicklung der Millimeter-VLBI-Technik unterstützt.  Zusätzliche Mittel kamen durch das ERC-geförderte Projekt „Black Hole Camera“, mit Michael Kramer, Direktor am MPIfR, als einem von drei Projektleitern.  Ein neues ERC-Projekt mit dem Titel „Mapping Magnetic Fields with INterferometry Down to Event hoRizon Scales“ (M2FINDERS) unter der Leitung von Anton Zensus/MPIfR (Förderkennzeichen 101018682) wird in den nächsten Jahren die Rolle von Magnetfeldern in der Nähe von Schwarzen Löchern untersuchen und sich dabei auf Beobschtungen von mehreren Radiogalaxien und Quasaren bei Millimeter-Wellenlängen mit dem EHT und dem Global mm-VLBI Array konzentrieren, darunter Centaurus A.

Das Atacama Pathfinder Experiment (APEX), das bei den bahnbrechenden Beobachtungen von Centaurus A aus dem Jahr 2015 und bei den hier vorgestellten Arbeiten eine wesentliche Rolle gespielt hat, ist eine Zusammenarbeit zwischen dem MPIfR, dem Onsala Space Observatory (OSO) und der Europäischen Südsternwarte (ESO) zum Bau und Betrieb einer modifizierten Prototyp-Antenne von ALMA (Atacama Large Millimeter Array) als Einzelschüssel auf dem Chajnantor-Plateau in 5.100 Metern Höhe (Atacama-Wüste, Chile). Gefertigt wurde das Teleskop von der Firma VERTEX Antennentechnik in Duisburg, Deutschland. Der Betrieb des Teleskops ist der ESO anvertraut.

TANAMI (Tracking Active Galactic Nuclei with Austral Milliarcsecond Interferometry) ist ein astronomisches Multiwellenlängenprogramm zur Beobachtung relativistischer Jets in aktiven galaktischen Kernen am Südhimmel.  Dieses Programm hat Centaurus A seit Mitte der 2000er Jahre mit VLBI bei Zentimeter-Wellenlängen systematisch erforscht. Das TANAMI-Netzwerk besteht aus neun Radioteleskopen auf vier Kontinenten, die Beobachtungen bei Wellenlängen von 4 cm und 1,3 cm durchführen.

Die nachfolgend genannten 34 Forscher mit MPIfR-Affiliation sind Ko-autoren der Veröffentlichung (in der Reihenfolge der Autorenliste aufgeführt): Michael Janßen, Eduardo Ros, Thomas Krichbaum, Jun Liu, Cornelia Müller, Walter Alef, Rebecca Azulay, Anne-Kathrin Baczko, Silke Britzen, Ralph P. Eatough, Ramesh Karuppusamy, Dong-Jin Kim, Jae-Young Kim, Michael Kramer, Rocco Lico, Kuo Liu, Andrei P. Lobanov, Ru-Sen Lu, Nichola Marchili, Karl M. Menten, Nicholas R. MacDonald, Aristeidis Noutsos, Gisela N. Ortiz-León, Felix M. Pötzl, Helge Rottmann, Alan L. Roy, Tuomas Savolainen, Lijing Shao, Pablo Torné, Efthalia Traianou, Jan Wagner, Norbert Wex, Robert Wharton, und J. Anton Zensus.

Detaillierte Beschreibung von Abb. 1:

Darstellung unterschiedlicher Entfernungsskalen in der Radiostrahlung von Centaurus A. Das Bild oben links zeigt den äußeren Bereich, in dem sich der Jet in Gaswolken auflöst, die Radiowellen aussenden. Die Radiodaten wurden mit dem Australia Telescope Compact Array (ATCA) und dem Parkes-Teleskop in Australien aufgenommen. Das Bild oben rechts zeigt ein Farbkompositbild aus unterschiedlichen Wellenlängen, im Vergleich zum ersten Bild 40-fach vergrößert. Die Submillimeter-Emission des Jets und des Staubs in der Galaxie, gemessen mit dem LABOCA-Instrument am APEX-Teleskop, ist in orange dargestellt. Die Röntgenemission des Jets, gemessen von der Raumsonde Chandra, ist in blau dargestellt. Das sichtbare weiße Licht der Sterne in der Galaxie wurde vom 2,2-Meter-Teleskop MPG/ESO aufgenommen. Die nächste Tafel unten zeigt ein 165.000-fach vergrößertes Bild des inneren Radiojets, aufgenommen mit den TANAMI-Radioteleskopnetzwerk.

Das untere Feld zeigt schließlich das neue Bild der Jet-Startregion, aufgenommen mit dem EHT-Teleskopnetzwerk bei Millimeterwellenlängen, das einem Zoom-Faktor von 60.000.000 in der Teleskopauflösung entspricht. Die Balken zur Skalierung sind in Lichtjahren bzw. Lichttagen angegeben. Ein Lichtjahr entspricht der Entfernung, die das Licht innerhalb eines Jahres zurücklegt: etwa neun Billionen Kilometer. Im Vergleich dazu beträgt die Entfernung zum nächstgelegenen bekannten Stern von unserer Sonne etwa vier Lichtjahre. Ein Lichttag entspricht der Entfernung, die das Licht innerhalb eines Tages zurücklegt: etwa das Sechsfache der Entfernung zwischen Sonne und Neptun.

Originalveröffentlichung
Event Horizon Telescope observations of the jet launching and collimation zone in Centaurus A
M. Janssen, H. Falcke, M. Kadler, E. Ros, M. Wielgus et al. (EHT-Kollaboration), Nature Astronomy, DOI: 10.1038/s41550-021-01404-7

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• Aktive Galaktische Kerne – Quasare – supermassive Schwarze Löcher

Der Beitrag Ins dunkle Herz von Centaurus A erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: Max-Planck-Institut für Radioastronomie.

Ein internationales Forscherteam unter Beteiligung von Wissenschaftlern aus dem Bonner Max-Planck-Institut für Radioastronomie hat mit dem Submillimeterteleskop APEX in 5100 m Höhe in Chile einen beträchtlichen Teil der Ebene unserer Milchstraße vermessen, der insgesamt über 80 Quadratgrad am Südhimmel umfasst. Die Spektrallinien von mehreren Molekülen, darunter die seltenen Isotopologe ¹³CO und C¹⁸O des Kohlenmonoxid-Moleküls, ermöglichen die Erforschung des dichten Gases des interstellaren Mediums. Die daraus resultierende Kartierung, bezeichnet als SEDIGISM (“Structure, Excitation and Dynamics of the Inner Galactic Interstellar Medium”), zeigt eine Vielzahl unterschiedlicher Strukturen, von kompakten Klumpen, aus denen einzelne Sterne entstehen, bis zu ausgedehnten Molekülwolken und Komplexen von Molekülwolken. Sie ermöglicht die Bestimmung der großskaligen Verteilung von kaltem molekularem Gas im inneren Bereich der Milchstraße und letztendlich die Enträtselung der gesamten Struktur unserer Galaxis.

Die Beobachtungsdaten werden dazu verwendet, die Verteilung des kalten molekularen Gases und den Umfang der Sternentstehung im inneren Bereich der Milchstraße in bisher nicht möglicher Genauigkeit zu untersuchen. Ein Katalog von über 10.000 interstellaren Wolken in der Milchstraße wurde bereits erstellt, der eine sehr gleichmäßige Verteilung physikalischer Eigenschaften aufzeigt. Interessanterweise zeigen nur ca. 10% der Wolken aktuelle Sternentstehung. Insgesamt bedeutet die SEDIGISM-Kartierung einen wichtigen Schritt vorwärts für das Verständnis der Struktur der Milchstraße und der Beziehung zwischen Spiralarmen und Molekülwolken, deren dichtere Bereiche neue Generationen gerade entstehender Sterne umschließen. Durch die erste Version der Daten im Internet („Data Release 1“) erfolgt die Bereitstellung für die Wissenschaftler weltweit.

Erste Ergebnisse der Kartierung werden in drei parallelen Veröffentlichungen in der aktuellen Ausgabe von “Monthly Notices of the Royal Astronomical Society’’ präsentiert (mit Erstautoren aus dem MPIfR, der Cardiff University sowie der University of Kent).

Die Beobachtung von Spektrallinien des Kohlenmonoxid-Moleküls ermöglicht die Messung der Verteilung von kaltem und dichtem molekularem Gas im interstellaren Medium, in dem neue Sterne gebildet werden. Darüber hinaus kann die Radialgeschwindigkeit über den Dopplereffekt bestimmt werden. Dadurch kann das molekulare Gas in Verbindung zur Rotation der Spiralarme in unserer Milchstraße gebracht werden; das ermöglicht einen dreidimensionalen Blick auf ihre Verteilung. Insgesamt zeigt sich eine Vielzahl von Strukturen wie Filamente und Aushöhlungen, die von unterschiedlichen physikalischen Effekten bei der Gestaltung des interstellaren Mediums herrühren.

Ein internationales Forscherteam von insgesamt 50 Astronomen hat mit dem APEX-Teleskop in den chilenischen Anden ein langjähriges Beobachtungsprojekt durchgeführt, das einen Bereich von 84 Quadratgrad am Himmel umfasst. Beobachtet wurde der südliche Bereich der inneren Milchstraße in einem Intervall von -60 bis + 18 Grad in galaktischer Länge mit einer Winkelauflösung von 30 Bogensekunden; das entspricht gerade mal dem 60. Teil des scheinbaren Durchmessers unseres Mondes am Himmel. Mit einer Geschwindigkeitsauflösung von 0,25 km/s liefert die Analyse Informationen über die Morphologie, Entfernung und Geschwindigkeit für alle galaktischen Molekülwolken in einem Gesamtgebiet von ca. zwei Drittel der inneren Scheibe unserer Milchstraße.

Die Kartierung trägt die Bezeichnung SEDIGISM (“Structure, Excitation and Dynamics of the Inner Galactic Interstellar Medium”) und beinhaltet Beobachtungsdaten aus den Jahren 2013 bis 2017, die nun begleitet von drei wissenschaftlichen Veröffentlichungen den Astronomen weltweit zur Verfügung gestellt werden.

„Mit der Veröffentlichung dieser bisher detailliertesten Karte von kalten Molekülwolken in unserer Milchstraße trägt ein langjährige Beobachtungsprojekt nun Früchte“, sagt Frederic Schuller vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR), der Projektleiter der SEDIGISM-Kartierung. „Das Team hat phantastische Arbeit geleistet und einen Meilenstein für die Erforschung des molekularen Gases in der Milchstraße geliefert, der als Ergebnis von APEX noch lange nachwirken wird.“

„Auf der Grundlage dieser Daten haben wir einen Katalog von über 10.000 Gaswolken in der Milchstraße zusammengestellt, der eine deutlich strukturierte Verteilung aufzeigt. Die abgeleiteten physikalischen Eigenschaften erscheinen allerdings ziemlich gleichförmig, mit nur schwachen Hinweisen auf die Abhängigkeit einiger der Wolkeneigenschaften von ihrer Umgebung“, erklärt Ana Duarte-Cabral von der Cardiff University, die Erstautorin der zweiten Veröffentlichung. James Urquhart von der University of Kent, der Erstautor der dritten Veröffentlichung, ergänzt dazu: “In Verbindung mit ATLASGAL, einer früheren Untersuchung von kaltem Staub in unserer Milchstraße, können wir nun den Anteil der Wolken mit hoher Gasdichte abschätzen: nur 10% davon sind Orte laufender Sternentstehung.“

Die Beobachtungen mit APEX richteten sich auf die seltenen Isotope ¹³CO und C¹⁸O des Kohlenmonoxid-Moleküls, die wesentlich genauere Abschätzungen der Masse der untersuchten Wolken ermöglichen, aber ein hochempfindliches Teleskop erfordern.

Das 12m-APEX-Teleskop mit seiner hochgenauen Oberfläche und einem der weltweit besten Standorte für Submillimeter-Astronomie war ein Schlüssel zum Erfolg des Projekts. In 5100 m Höhe über dem Meeresspiegel gelegen, auf der trockenen Chanjnantor-Ebene in der chilenischen Atacamawüste, ergibt sich ein extrem geringer Wasserdampfgehalt und damit exzellente Transparenz der Atmosphäre, die für diese Beobachtungen erforderlich ist.

Molekülwolken enthalten das Rohmaterial, aus dem neue Sterne entstehen. Die Kartierung dieser Wolken ist daher erforderlich, um wichtige Parameter wie z.B. die Effizienz der Sternentstehung in unserer Milchstraße zu bestimmen. Die Morphologie und die physikalischen Bedingungen innerhalb der Wolken geben die Rahmenbedingungen, die für Theorien der Sternentstehung berücksichtigt werden müssen. Es ist daher unabdingbar, die einzelnen Wolken räumlich aufzulösen und voneinander zu unterscheiden. Das wird durch die hohe Winkelauflösung der APEX-Kartierung ermöglicht.

Die neuen Daten sind nicht nur für sich gesehen interessant, sondern ergänzen auch eine Reihe hervorragender Kartierungen der galaktischen Ebene, die im vergangenen Jahrzehnt in mittel- bis ferninfraroten Wellenlängenbereich erstellt wurden. Das geschah mit Weltraumteleskopen wie Spitzer und Herschel und bei größeren Wellenlängen auch mit APEX selbst. In allen diesen Projekten fehlte jedoch die Geschwindigkeitsinformation. Diese Beobachtungsdaten können nun in Verbindung mit den neuen Kohlenmonoxid-Liniendaten erneut analysiert werden und so eine wesentlich stärkere Rolle spielen bei der detaillierten Untersuchung von Sternentstehung und Sternhaufen in der Milchstraße, und letztendlich von Struktur und Dynamik unserer Galaxis selbst.

“Unsere Kartierung bedeutet einen entscheidenden Schritt vorwärts, um die Struktur der Galaxie zu verstehen, in der wir leben“, schließt Dario Colombo vom MPIfR, Ko-Autor von allen drei Veröffentlichungen, der zur Zeit mit Hilfe dieser Daten an einer Analyse zum Einfluss von Spiralarmen auf die Eigenschaften von Molekülwolken arbeitet.

Hintergrundinformation
SEDIGISM („Structure, Excitation and Dynamics of the Inner Galactic Interstellar Medium“) ist eine Kartierung eines südlichen Teils der galaktischen Ebene und umfasst eine Bereich von 84 quadratgrad am Himmel, der sich von -60 Grad bis +18 Grad in galaktischer Länge erstreckt und eine Winkelauflösung von 30 Bogensekunden aufweist. Dabei wurden zwei Spektrallinien des Kohlenmonoxid-Moleküls mit dem APEX-Teleskop beobachtet, und zwar in den weniger häufig vorkommenden Isotopologen ¹³CO and C¹⁸O.

ATLASGAL, der “APEX Telescope Large Area Survey of the Galaxy”, ist entstanden im Rahmen einer Zusammenarbeit zwischen dem Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR), dem Max-Planck-Institut für Astronomie (MPIA), sowie weiteren Wissenschaftlern der Europäischen Südsternwarte (ESO) und der University of Chile.

APEX, das “Atacama Pathfinder Experiment”, ist ein Gemeinschaftsprojekt des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie (MPIfR), der Europäischen Südsternwarte (ESO) und des schwedischen „Onsala Space Observatory“ (OSO) zum Aufbau und (seit 2005) Betrieb eines Submillimeter-Radioteleskops auf der Chajnantor-Ebene in der chilenischen Atacamawüste in eine Höhe von 5100 m über dem Meeresspiegel. Das Teleskop wurde von der VERTEX-Antennentechnik in Duisburg gebaut. Der Betrieb von APEX vor Ort erfolgt durch die ESO.

Das Forscherteam umfasst eine größere Zahl von Autoren für die drei Veröffentlichungen, darunter Dario Colombo, Timea Csengeri, Min-Young Lee, Silvia Leurini, Michael Mattern, Parichay Mazumdar, Sac Medina, Karl Menten, Alberto Sanna, Frederic Schuller, Marion Wienen, Friedrich Wyrowski, alle zur Zeit oder bis vor kurzem Mitarbeiter am MPIfR.

Originalveröffentlichungen
The SEDIGISM survey: first data release and overview of the Galactic structure
F. Schuller et al., Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Vol. 500, Issue 3, Pages 3064-3082. DOI: 10.1093/mnras/staa2369

The SEDIGISM survey: Molecular clouds in the inner Galaxy
A. Duarte-Cabral et al., Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Vol. 500, Issue 3, Pages 3027-3049. DOI: 10.1093/mnras/staa2480

SEDIGISM-ATLASGAL: Dense Gas Fraction and Star Formation Efficiency Across the Galactic Disk J.S. Urquhart et al., Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Vol. 500, Issue 3, Pages 3050-3063. DOI: 10.1093/mnras/staa2512

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• Die Milchstraße

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Quelle: Max-Planck-Institut für Radioastronomie.

2019 veröffentlichte die Event Horizon Telescope (EHT)-Kollaboration das erste Bild eines Schwarzen Lochs und enthüllte damit M 87* – das supermassereiche Objekt im Zentrum der Galaxie Messier 87. Das EHT-Team, eine Kollaboration an der das MPI für Radioastronomie federführend beteiligt ist, hat nun mit den Erfahrungen des letzten Jahres Archivdaten von 2009 bis 2013 analysiert, welche zum Teil noch nicht veröffentlicht wurden. Die Beteiligung des APEX-Teleskops seit 2013 spielt eine sehr wichtige Rolle für den Erfolg der Analyse. Die Auswertung zeigt zum ersten Mal, wie sich das Bild des Schwarzen Lochs über mehrere Jahre hinweg entwickelt. Der ringförmige Schatten ist tatsächlich immer vorhanden, verändert jedoch seine Ausrichtung und Helligkeitsverteilung – der Ring um das Schwarze Loch scheint zu funkeln.

Die Ergebnisse werden in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift „Astrophysical Journal“ veröffentlicht.

Das EHT ist ein globaler Zusammenschluss von Teleskopen. Zusammengeschaltet bilden sie ein virtuelles Teleskop, dessen Durchmesser dem der Erde entspricht. Very-Long-Baseline-Interferometrie (VLBI) heißt diese Technik, in der die Signale der Einzelantennen gleichsam überlagert werden. Die Datensynchronisation geschieht mithilfe von hochpräzisen Atomuhren auf die Nanosekunde genau. In den Jahren vor 2017 wurde M 87* von einem kleineren VLBI-Netzwerk beobachtet, das als Vorläufer des EHT den Weg zu nachfolgenden Beobachtungen geebnet hat. Zwischen 2009 und 2012 waren Teleskope in Kalifornien, Arizona, und Hawaii beteiligt. Im Jahr 2013 kam das APEX-Teleskop in Chile dazu (siehe Abbildung). Im Jahr 2017 kamen weitere Antennen hinzu, insbesondere das ALMA-Interferometer in Chile, das IRAM-30m-Teleskop in Spanien und ein Teleskop am Südpol (SPT). Alan Roy, VLBI-Projektwissenschaftler für APEX am Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR), sagt: „Durch die Teilnahme von APEX und ALMA, beide auf der Südhalbkugel, konnte die Winkelauflösung des EHT dramatisch verbessert werden. So wurde der Weg für eine Bildgebung in höchster Qualität geebnet.“

„Die im April 2019 präsentierten Ergebnisse ergeben das Bild eines Schwarzen Lochs mit zwei wesentlichen Elementen: einem Ring, der das um M87* herum wirbelnde Plasma zeigt und einem dunklen inneren Bereich, in dem wir den Ereignishorizont des Schwarzen Lochs vermuten“, erinnert sich Maciek Wielgus von der Harvard-Universität, der Erstautor der jetzigen Veröffentlichung. Das im Jahr 2019 präsentierte Ergebnis basiert auf Beobachtungen über einen Zeitraum von nur einer Woche im April 2017 – das ist zu kurz, um langfristige Veränderungen zu sehen. Auch nach der sorgfältigen Analyse blieben einige Fragen bezüglich der zeitlichen Stationarität des Ringes offen. Deshalb wurden vorhandene ältere Archivdaten nochmals untersucht.

Die Beobachtungen von 2009 bis 2013 basieren auf deutlich weniger Daten, als die von 2017. Deshalb ist es schwierig, M87 ohne einige A-Priori-Annahmen zu kartieren. Das EHT-Team verwendete daher geometrisch-basierte, ausgefeilte statistische Modellverfahren, um nach zeitlichen Veränderungen im Erscheinungsbild von M87* in den Archivdaten zu suchen.

Die Beobachtungen zwischen 2009 und 2017 zeigen, dass M87* weitgehend den Erwartungen entspricht. Der Durchmesser vom Schatten des Schwarzen Lochs stimmt mit den Vorhersagen von Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie für ein Schwarzes Loch mit 6,5 Milliarden Sonnenmassen überein. Die Tatsache, dass sich die Morphologie des asymmetrischen Ringes über mehrere Jahre nicht ändert, schafft Vertrauen in die Realität des publizierten Ringes als Schatten eines Schwarzen Lochs sowie in dessen physikalische Interpretation.

Zwischen 2009 und 2017 bleibt der Durchmesser des Schattens also unverändert. Dennoch halten die Daten für das EHT-Team noch eine kleine Überraschung bereit. „Die Orientierung und Feinstruktur des Ringes ändert sich ein wenig mit der Zeit. Dies erlaubt einen ersten Blick auf den Materiestrom, der auf das Schwarze Loch einfällt, sowie auf seine Dynamik nahe des Ereignishorizonts“, sagt Thomas Krichbaum, Astronom am MPIfR und einer der Autoren der Veröffentlichung. „Um zu verstehen, wie genau relativistische Jets im Umfeld eines Schwarzen Lochs erzeugt werden, ist es wichtig, diese Region im Detail zu untersuchen. Die genaue Form des Schattens wird es Wissenschaftlern in Zukunft ermöglichen, neue Tests der Allgemeinen Relativitätstheorie zu entwickeln“, fügt er hinzu.

Während das Gas auf das Schwarze Loch fällt, wird es auf mehrere Milliarden Grad aufgeheizt und ionisiert. Da der magnetisierte Materiestrom turbulent ist, scheint der Ring im Laufe der Zeit zu funkeln, wodurch einige theoretische Modelle der Akkretion hinterfragt werden müssen.

„In den kommenden Jahren möchten wir untersuchen, wie sich die Struktur von M 87* mit der Zeit verändert. Daher analysieren wir gerade die EHT-Daten aus dem Jahr 2018 und bereiten die neuen Beobachtungen für 2021 vor. Dann werden drei weitere Teleskope teilnehmen: das NOEMA-Interferometer in den französischen Alpen, ein Teleskop in Grönland nahe Thule und das Kitt-Peak-Teleskop in Arizona/USA. Unser virtuelles weltumspannendes Teleskop wird also größer und empfindlicher und die bildgebenden Verfahren werden damit genauer. Ich gehe davon aus, dass wir viel Neues über den Schatten des Schwarzen Lochs und den inneren Jet der Radiogalaxie M87 lernen werden“, schließt Anton Zensus, Direktor am MPI für Radioastronomie und Gründungsvorsitzender des EHT-Kollaborationsgremiums.

Projektinformation
Die internationale Kollaboration „Event Horizon Telescope“ (EHT) hatte das erste Bild eines Schwarzen Lochs im Herzen der Radiogalaxie Messier 87 am 10. April 2019 präsentiert. Dies ist dank der Zusammenschaltung eines weltweiten Netzwerk von Teleskope gelungen. Diese globale Zusammenarbeit erreicht mittels neuer Methoden höchste Winkelauflösungen im Mikro-Bogensekunden-Bereich.

Die einzelne Teleskope im EHT sind: Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), Atacama Pathfinder EXplorer (APEX), Greenland Telescope (seit 2018), IRAM 30-meter Telescope, IRAM NOEMA Observatory (erwartet 2021), Kitt Peak Telescope (erwartet 2021), James Clerk Maxwell Telescope (JCMT), Large Millimeter Telescope (LMT), Submillimeter Array (SMA), Submillimeter Telescope (SMT), und South Pole Telescope (SPT).

Das EHT-Konsortium besteht aus 13 Partnerinstitutionen: Academia Sinica Institute of Astronomy and Astrophysics, University of Arizona, University of Chicago, East Asian Observatory, Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, Goethe-Universität Frankfurt, Institut de Radioastronomie Millimétrique, Large Millimeter Telescope, Max-Planck-Institut für Radioastronomie, MIT Haystack Observatory, National Astronomical Observatory of Japan, Perimeter Institute for Theoretical Physics, und Radboud Universiteit Nijmegen.

MPIfR-Mitverfasser der Arbeit
Die folgenden Wissenschaftler vom MPIfR sind an der Veröffentlichung beteiligt (in der Reihenfolge der Autorenliste der Originalpublikation): Thomas P. Krichbaum, Ru-Sen Lu, Walter Alef, Rebecca Azulay, Anne-Kathrin Baczko, Silke Britzen, Sergio A. Dzib, Ralph P. Eatough, Ramesh Karuppusamy, Jae-Young Kim, Michael Kramer, Rocco Lico, Jun Liu, Kuo Liu, Andrei P. Lobanov, Nicholas R. MacDonald, Nicola Marchili, Karl M. Menten, Cornelia Müller, Aristeidis Noutsos, Gisela N. Ortiz-León, Eduardo Ros, Helge Rottmann, Alan L. Roy, Tuomas Savolainen, Lijing Shao, Pablo Torne, Efthalia Traianou, Jan Wagner, Norbert Wex, Robert Wharton, und J. Anton Zensus.

Originalveröffentlichung
Monitoring the Morphology of M87* in 2009-2017 with the Event Horizon Telescope
M. Wielgus et al.: Astrophysical Journal (23 September 2020), DOI: 10.3847/1538-4357/abac0d

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• Schwarze Löcher
• Event Horizon Telescope „EHT“

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Quelle: Max-Planck-Institut für Astronomie.

29. Juni 2020 – Beteigeuze, der helle Stern im Sternbild Orion, faszinierte Astronomen in den letzten Monaten wegen seines ungewöhnlich starken Helligkeitsabfalls. Wissenschaftler haben eine Reihe von Szenarien diskutiert, um das Verhalten von Beteigeuze zu erklären. Nun hat ein Team unter der Leitung von Thavisha Dharmawardena vom Max-Planck-Institut für Astronomie gezeigt, dass höchstwahrscheinlich ungewöhnlich große Sternflecken auf der Oberfläche von Beteigeuze dafür verantwortlich waren. Ihre Ergebnisse schließen die bisherige Vermutung aus, dass von Beteigeuze ausgestoßener Staub den Stern verdunkelte. Die Ergebnisse werden heute in der Zeitschrift The Astrophysical Journal Letters veröffentlicht.

Rote Riesensterne wie Beteigeuze unterliegen häufigen Helligkeitsschwankungen. Der markante Abfall der Leuchtkraft von Beteigeuze auf etwa 40 % seines Normalwertes zwischen Oktober 2019 und April 2020 kam für die Astronomen jedoch überraschend. Wissenschaftler haben verschiedene Szenarien entwickelt, um diese mit dem bloßen Auge wahrnehmbare Veränderung des knapp 500 Lichtjahre entfernten Sterns zu erklären. Einige Astronomen spekulierten gar über eine unmittelbar bevorstehende Supernova. Eine internationale Gruppe von Astronomen unter der Leitung von Thavisha Dharmawardena vom Max-Planck-Institut für Astronomie (MPIA) in Heidelberg, hat nun gezeigt, dass Temperaturschwankungen der Photosphäre, also der leuchtenden Oberfläche des Sterns, die Helligkeit veränderte. Die plausibelste Quelle für solche Temperaturänderungen sind gigantische kühle Sternflecken, ähnlich wie Sonnenflecken, die jedoch 50 bis 70 % der Sternoberfläche bedecken.

„Gegen Ende ihres Lebens werden Sterne zu Roten Riesen“, erklärt Dharmawardena. „Hervorgerufen durch den zur Neige gehenden Vorrat an Brennstoff verändern sich die Prozesse, mit denen die Sterne Energie freisetzen. In der Folge blähen sie sich auf, werden instabil und pulsieren mit Perioden von Hunderten oder sogar Tausenden Tagen, was wir als Schwankung der Helligkeit wahrnehmen.“ Beteigeuze ist ein sogenannter Roter Überriese, ein Stern, der im Vergleich zu unserer Sonne etwa die 20-fache Masse hat und etwa 1000-mal größer ist. Befände er sich im Zentrum des Sonnensystems, würde er fast die Umlaufbahn von Jupiter erreichen.

Wegen seiner Ausdehnung ist die Schwerkraftwirkung auf der Sternoberfläche geringer als auf einem Stern gleicher Masse aber kleinerem Radius. Die äußeren Schichten des Sterns werden daher relativ leicht durch die Pulsationen abgestoßen. Das freigesetzte Gas kühlt ab und entwickelt sich zu Verbindungen, die Astronomen Staub nennen. Deswegen sind Rote Riesensterne eine wichtige Quelle von schweren Elementen im Universum, aus denen sich schließlich Planeten und Lebewesen entwickeln. Astronomen haben bisher die Erzeugung von lichtabsorbierendem Staub als die wahrscheinlichste Ursache für den starken Helligkeitsabfall angesehen.

Um diese Hypothese zu testen, werteten Thavisha Dharmawardena und ihre Kollaborationspartner neue und archivierte Daten des Atacama Pathfinder Experiments (APEX) und des James Clerk Maxwell-Teleskops (JCMT) aus. Diese Teleskope messen Strahlung aus dem Spektralbereich der Submillimeterwellen (Terahertz-Strahlung), deren Wellenlänge tausendmal größer ist als die des sichtbaren Lichts. Für das Auge unsichtbar nutzen Astronomen sie bereits längere Zeit, um interstellaren Staub zu untersuchen. Insbesondere kühler Staub leuchtet bei diesen Wellenlängen.

„Was uns überraschte: Beteigeuze wurde auch im Bereich der Submillimeterwellen um 20 % dunkler“, berichtet Steve Mairs vom East Asian Observatory, der an der Studie mitgearbeitet hat. Ein solches Verhalten ist erfahrungsgemäß nicht mit der Anwesenheit von Staub vereinbar. Für eine präzisere Bewertung berechnete die Forschungsgruppe, welchen Einfluss Staub auf die Messungen in diesem Spektralbereich haben würde. Es stellte sich heraus, dass eine Abnahme der Helligkeit im Submillimeterbereich tatsächlich nicht auf eine Zunahme der Staubproduktion zurückgeführt werden kann. Vielmehr muss der Stern selbst die von den Astronomen gemessene Helligkeitsänderung verursacht haben.

Physikalische Gesetze besagen, dass die Leuchtkraft eines Sterns von seinem Durchmesser und besonders stark von seiner Oberflächentemperatur abhängt. Verringert sich nur die Größe des Sterns, sinkt die Helligkeit in allen Wellenlängen gleich stark. Temperaturänderungen beeinflussen die Abstrahlung entlang des elektromagnetischen Spektrums jedoch unterschiedlich. Die gemessene Verdunkelung im sichtbaren Licht und in den Submillimeterwellen ist nach Ansicht der Wissenschaftler daher ein Beleg für eine Verringerung der mittleren Oberflächentemperatur von Beteigeuze, die sie auf 200 K (oder 200 °C) beziffern.

„Wahrscheinlicher ist jedoch eine ungleiche Temperaturverteilung“, erklärt Co-Autor Peter Scicluna von der Europäischen Südsternwarte (ESO). „Entsprechende hochauflösende Bilder von Beteigeuze vom Dezember 2019 zeigen Bereiche mit unterschiedlicher Helligkeit. Zusammen mit unserem Ergebnis ist dies ein klarer Hinweis auf riesige Sternflecken, die zwischen 50 und 70% der sichtbaren Oberfläche bedecken und eine niedrigere Temperatur als die hellere Photosphäre aufweisen.“ Sternflecken kommen bei Riesensternen häufig vor, allerdings nicht in diesem Ausmaß. Über ihre Lebensdauer ist nicht viel bekannt. Jedoch scheinen theoretische Modellrechnungen mit der Dauer des Helligkeitseinbruchs von Beteigeuze vereinbar zu sein.

Von der Sonne wissen wir, dass die Anzahl der Flecken in einem 11-jährigen Zyklus zu- und abnimmt. Ob Riesensterne einen ähnlichen Mechanismus haben, ist ungewiss. Ein Hinweis darauf könnte das vorige Helligkeitsminimum darstellen, das bereits deutlich stärker ausgeprägt war als diejenigen in den Jahren davor. „Beobachtungen in den kommenden Jahren werden erweisen, ob der starke Abfall der Helligkeit Beteigeuzes im Zusammenhang mit einem Fleckenzyklus steht. Beteigeuze bleibt jedenfalls auch für zukünftige Studien ein spannendes Objekt“, schließt Dharmawardena.

Hintergrundinformationen
Diese Studie wurde unter dem Titel „Betelgeuse fainter in the sub-millimetre too: an analysis of JCMT and APEX monitoring during the recent optical minimum“ in der Zeitschrift The Astrophysical Journal Letters veröffentlicht (DOI: 10.3847/2041-8213/ab9ca6). Neben der Hauptautorin sind sieben Wissenschaftler von fünf Forschungsinstituten aus vier Ländern an der Publikation beteiligt.

Die Wissenschaftler verwendeten Daten von den folgenden Observatorien: James-Clerk-Maxwell-Teleskop (JCMT), betrieben vom East Asian Observatory auf Hawaii, USA; Atacama Pathfinder Experiment (APEX), gemeinsam betrieben vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn, Deutschland, vom Onsala Space Observatory, Schweden, und von der Europäischen Südsternwarte (ESO).

Originalpublikation
Thavisha E. Dharmawardena, Steve Mairs, Peter Scicluna, et al.
Betelgeuse fainter in the sub-millimetre too: an analysis of JCMT and APEX monitoring during the recent optical minimum
The Astrophysical Journal Letters (2020), Vol. 897, p. 1
Quelle
Betelgeuse Fainter in the Submillimeter Too: An Analysis of JCMT and APEX Monitoring during the Recent Optical Minimum

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• Beteigeuze (α orionis)

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Quelle: Max-Planck-Institut für Radioastronomie.

7. April 2020 – Vor einem Jahr, am 10. April 2019, präsentierte die Event-Horizon-Teleskop-Kollaboration (EHT-Kollaboration) das erste Bild eines Schwarzen Lochs in der benachbarten Radiogalaxie M 87. Nun gelang es der Kollaboration, den Jet eines Schwarzen Lochs mit bislang nicht erreichter Bildschärfe abzubilden. Die Abbildungen zeigen, wie ein Strahl aus ionisiertem Gas nahezu mit Lichtgeschwindigkeit von einem super-massereichen Schwarzen Loch ausgestoßen wird. Es handelt sich um ein Schwarzes Loch in dem fernen Quasar 3C 279. Das internationale Forschungsteam unter Leitung des Wissenschaftlers Jae-Young Kim vom Bonner Max-Planck-Institut für Radioastronomie untersuchte auch die Gestalt des Plasmastrahls nahe seiner Basis. Dort wird vermutlich hochenergetische und variable Gammastrahlung erzeugt.

Die Ergebnisse werden in der Fachzeitschrift „Astronomy & Astrophysics“ online am 7. April 2020 veröffentlicht.

Als die EHT-Kollaboration im April 2017 das Schwarze Loch im Zentrum der Galaxie M87 beobachtete, nahm sie auch einige andere Objekte ins Visier. Dazu gehört 3C 279, eine Galaxie in ca. 5 Milliarden Lichtjahren Entfernung im Sternbild Jungfrau. Wissenschaftler klassifizierten 3C 279 als Quasar („quasi-stellar object“) mit einer extrem kompakt und lichtstark erscheinenden Zentralquelle. Auch im Falle von 3C 279 vermutet man, dass diese Zentralquelle ein Schwarzes Loch mit dem Milliardenfachen der Sonnenmasse ist. Ein Teil des hineinfallenden Materials wird dabei in Form zweier stark gebündelter Plasmastrahlen, den sogenannten Jets, mit nahezu Lichtgeschwindigkeit nach außen geschleudert.

Solche Jets konnte man schon seit längerem beobachten. Besonders die Very Long Baseline Interferometry, VLBI, an deren Weiterentwicklung das Max-Planck-Institut für Radioastronomie maßgeblich beteiligt war, lieferte dabei Bilder mit höchster Detailschärfe. Die nun im Rahmen des EHT-Projekts verbundenen Teleskope konnten die bisher erreichte Bildschärfe noch deutlich übertreffen und zeigen Details, die kleiner als ein halbes Lichtjahr sind. Damit wird es möglich, den Jet bis heran an die erwartete Akkretionsscheibe zu verfolgen und die Wechselwirkung zwischen Scheibe und Jet zu beobachten. Es zeigt sich, dass der normalerweise gerade verlaufende Jet an seiner Basis verdrillt erscheint, und zum ersten Mal überhaupt werden Strukturen quer zur Jetrichtung sichtbar, die vermutlich Teile der Akkretionsscheibe sind. Vergleicht man Bilder, die an aufeinanderfolgenden Tagen aufgenommen wurden, sieht man, dass sich die Struktur verändert, vielleicht durch Einfall und Zerkleinerung von Materie auf eine rotierende Akkretionsscheibe nebst Ausstoß von Material in Form eines Jets. Ein solches Szenario kannte man bisher nur von Simulationsrechnungen. 

Der Nachwuchswissenschaftler Jae-Young Kim vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR), der das Forschungsprojekts leitete, ist begeistert, gleichzeitig aber auch etwas verwundert: „Jedes Mal, wenn ein neues Fenster zur Erforschung des Universums geöffnet wird, kommt etwas Neues dabei heraus. Wir haben nur erwartet, mit unserer superscharfen Aufnahme den Bereich abzubilden, in dem der Jet geformt wird. Was wir zusätzlich beobachten konnten, ist die senkrechte Struktur. Das ist, wie wenn man eine Matroschka-Puppe nach der anderen öffnet. Man glaubt zu wissen, was in der nächsten ist, und in der kleinsten findet sich eine Überraschung“.

Darüber hinaus hat es die Forscher auch erstaunt, dass die Bilder sich auf so kurzer Zeitskala ändern und zwar nicht nur entlang des Jets sondern auch quer dazu. „3C 279 war die erste bekannte astronomische Quelle, für deren Jet eine Bewegung mit scheinbarer Überlichtgeschwindigkeit nachgewiesen wurde. Und sie ist fast 50 Jahre später immer noch für Überraschungen gut“ sagt Thomas Krichbaum, ebenfalls vom MPIfR, der die Beobachtungen von 3C 279 als Projektleiter konzipiert hat. „Denn querverlaufende scheinbare Bewegungen mit fast 20facher Lichtgeschwindigkeit können nur sehr schwer erklärt werden, vielleicht mit wandernden Stoßfronten oder aber Instabilitäten in einem gekrümmten und vielleicht rotierenden Jet“, fügt er hinzu. 

Die an der Beobachtung im Jahr 2017 beteiligten Radioteleskope waren ALMA, APEX (beide Chile, letzteres gemeinsam betrieben von MPIfR, ESO und dem schwedischen Onsala-Observatorium), das IRAM-30m-Teleskop in Spanien, das James-Clerk-Maxwell-Teleskop (JCMT) und das Submillimeter-Array (beide Hawaii), das Large-Millimeter-Teleskop (Mexiko), das Submillimeter-Teleskop (früher Heinrich-Hertz-Teleskop, Arizona), und das Südpol-Teleskop. 

Die Teleskope wurden mit einer speziellen Technik miteinander verbunden, der sogenannten „Very Long Baseline Interferometrie“ (VLBI). Dadurch werden über die ganze Welt verteilte Einzelteleskope miteinander verbunden und zusätzlich die Rotation der Erde genutzt, um ein riesiges virtuelles Radioteleskop von der Größe der Erde zu bilden. Mit der Winkelauflösung dieses vernetzten Teleskops wäre es für einen Astronauten auf dem Mond quasi möglich, eine einzelne Apfelsine auf der Erde zu identifizieren. Die Datenanalyse, mit der die Rohdaten von den beteiligten Teleskopen zu einem Bild verbunden werden, erfordert spezielle Computer (sogenannte Korrelatoren). Die hierfür eingesetzten Korrelatoren befinden sich am MPIfR in Bonn und am MIT-Haystack-Observatorium in den USA.

J. Anton Zensus, Direktor am MPIfR und Vorsitzender des EHT-Kollaborationsrats, betont das Ergebnis als eine globale Anstrengung: „Im vergangenen Jahr konnten wir der Welt das erste Bild vom Schatten eines Schwarzen Lochs vorstellen. Nun sehen wir unerwartete Veränderungen in der Form des Jets von 3C 279, und wir sind noch längst nicht am Ziel angekommen. Wir arbeiten weiterhin an den Daten von Sagittarius A*, der Zentralquelle unserer Milchstraße und von anderen aktiven. Wie wir im letzten Jahr schon betont haben: das ist erst der Anfang!“

Die für März/April 2020 vorgesehene EHT-Beobachtungskampagne musste aufgrund des globalen CoViD-19-Ausbruchs abgesagt werden. Die EHT-Kollaboration legt im Moment die nächsten Schritte sowohl in Hinsicht auf neue Beobachtungen als auch auf die Analyse der bereits aufgenommenen Daten fest. Michael Hecht, Astronom am MIT/Haystack-Observatorium und Vize-Direktor für das EHT-Projekt, stellt abschließend fest: „Wir konzentrieren uns jetzt auf die Veröffentlichung der Daten von 2017 und starten mit der Analyse der Daten, die wir mit einem Teleskop mehr im Folgejahr 2018 aufgenommen haben. Dazu blicken wir voraus auf die nächste Kampagne im März 2021, dann mit einem auf elf Observatorien vergrößerten EHT-Netzwerk.“

Hintergrundinformation:

Die internationale EHT-Kollaboration hat am 10. April 2019 das erste Bild eines Schwarzen Lochs veröffentlicht, zustande gekommen durch Beobachtungen des innersten Bereiches der Radiogalaxie Messier 87 mit einem virtuellen Teleskop von nahezu der Größe der Erde. Unterstützt durch eine Reihe von internationalen Investitionen verbindet das EHT-Projekt bestehende Radioteleskope auf neuartige Weise und bildet so ein neues Instrument mit der besten bisher erreichten Winkelauflösung.

Die an der EHT-Kollaboration beteiligten Einzelteleskope sind zur Zeit: ALMA, APEX (beide in Chile), das IRAM-30m-Teleskop in Spanien, das IRAM-NOEMA-Observatorium in Frankreich (ab 2021), das Kitt-Peak-Teleskop (ab 2021), das James-Clerk-Maxwell-Teleskop (JCMT) und das Submillimeter Array (SMA), beide Hawaii, das Large-Millimeter-Teleskop (LMT) in Mexiko, das Submillimeter-Teleskop (SMT) in Arizona, das Südpol-Teleskop (SPT) direkt am Südpol, sowie das Grönland-Teleskop (GLT, seit 2018).

Das EHT-Konsortium setzt sich aus 13 projektbeteiligten Instituten zusammen: dem Academia Sinica Institute of Astronomy and Astrophysics, der University of Arizona, der University of Chicago, dem East Asian Observatory, der Goethe-Universität Frankfurt, dem Institut de Radioastronomie Millimétrique, dem Large Millimeter Telescope, dem Max-Planck-Institut für Radioastronomie, dem MIT Haystack Observatory, dem National Astronomical Observatory of Japan, dem Perimeter Institute for Theoretical Physics, der Radboud University Nijmegen und dem Smithsonian Astrophysical Observatory.

Von den Autoren der vorliegenden Veröffentlichung sind 37 Personen mit dem Max-Planck-Institut für Radioastronomie verbunden. In der Reihenfolge ihrer Nennung in der Autorenliste sind das: J.Y. Kim, T.P. Krichbaum, T.K. Savolainen, W. Alef, R. Azulay, A.K. Baczko, S. Britzen, R.P. Eatough, R. Karuppusamy, M. Kramer, R. Lico, K. Liu, A.P. Lobanov, R.S. Lu, N.R. MacDonald, K.M. Menten, C. Müller, A. Noutsos, G.N. Ortiz-León, E. Ros, H. Rottmann, A.L. Roy, L. Shao, P. Torne, T. Traianou, J. Wagner, N. Wex, R. Wharton, J.A. Zensus, U. Bach, S. Dornbusch, S.A. Dzib, A. Eckart, D.A. Graham, A. Hernández-Gómez, S. Heyminck, und D. Muders.

Jae-Young Kim, der Erstautor der Veröffentlichung, wird in diesem Jahr mit der Otto-Hahn-Medaille der Max-Planck-Gesellschaft ausgezeichnet, für Untersuchungen der innersten Strukturen und der Entstehung von Jets in der Umgebung supermassereicher Schwarzer Löcher bei hoher Auflösung. Die Otto-Hahn-Medaille wird verliehen in Anerkennung außergewöhnlicher Leistungen in der frühen Schaffensperiode junger Wissenschaftler.

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• Event Horizon Telescope „EHT“

Der Beitrag Etwas lauert im Herzen des Quasars 3C 279 erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: ESO.

Astronomen haben kürzlich Bedenken über die Auswirkungen von Satelliten-Megakonstellationen auf die wissenschaftliche Forschung geäußert. Um die Auswirkungen, die diese Konstellationen auf astronomische Beobachtungen haben könnten, besser zu verstehen, hat die ESO eine wissenschaftliche Studie über ihre Auswirkungen in Auftrag gegeben, die sich auf Beobachtungen mit ESO-Teleskopen im sichtbaren und infraroten Bereich konzentriert, aber auch andere Observatorien in Betracht zieht. Die Studie, die insgesamt 18 repräsentative Satellitenkonstellationen berücksichtigt, die von SpaceX, Amazon, OneWeb und anderen entwickelt werden, zusammen über 26 Tausend Satelliten [1], wurde jetzt zur Veröffentlichung in Astronomy & Astrophysics angenommen.

Die Studie kommt zu dem Ergebnis, dass große Teleskope wie das Very Large Telescope (VLT) der ESO und das kommende Extremely Large Telescope (ELT) der ESO von den in der Entwicklung befindlichen Konstellationen „mäßig beeinflusst“ werden. Der Effekt ist bei Langzeitbelichtungen (von etwa 1.000 s) stärker ausgeprägt, von denen bis zu 3% in der Dämmerung, der Zeit zwischen Morgengrauen und Sonnenaufgang und zwischen Sonnenuntergang und Abenddämmerung, zunichte gemacht werden könnten. Kürzere Belichtungen wären weniger stark betroffen, wobei weniger als 0,5% der Beobachtungen dieser Art beeinträchtigt würden. Beobachtungen zu anderen Zeiten während der Nacht wären ebenfalls weniger gefährdet, da sich die Satelliten im Schatten der Erde befinden und daher nicht beleuchtet werden. Je nach wissenschaftlichem Kontext könnten die Auswirkungen durch Änderungen der Betriebszeiten der ESO-Teleskope gemildert werden, obwohl diese Änderungen mit Kosten verbunden sind [2]. Auf Seiten der Industrie wäre ein wirksamer Schritt zur Abschwächung der Auswirkungen eine Verdunkelung der Satelliten.

Die Studie kommt auch zu dem Schluss, dass der größte Einfluss auf Durchmusterungen von großen Feldern, insbesondere mit großen Teleskopen, erfolgen würde. Beispielsweise wären etwa 30% bis 50% der Aufnahmen mit dem Vera-C.-Rubin-Observatorium der US National Science Foundation (keine Einrichtung der ESO) „stark beeinträchtigt“, je nach Jahreszeit, Nachtzeit und den vereinfachenden Annahmen der Studie. Maßnahmen, die an den Teleskopen der ESO angewendet werden könnten, würden bei diesem Observatorium nicht funktionieren, obwohl andere Strategien aktiv erforscht werden. Weitere Studien sind erforderlich, um die wissenschaftlichen Auswirkungen dieses Verlusts an Beobachtungsdaten und die Komplexität ihrer Analyse vollständig zu verstehen. Großfeld-Durchmusterungsteleskope wie das Rubin-Observatorium können große Teile des Himmels schnell abtasten, wodurch sie unerlässlich sind, um kurzlebige Phänomene wie Supernovae oder potenziell gefährliche Asteroiden zu entdecken. Aufgrund ihrer einzigartigen Fähigkeit, sehr große Datensätze zu erzeugen und Beobachtungsobjekte für viele andere Observatorien zu finden, haben die astronomischen Gemeinschaften und Förderungseinrichtungen in Europa und anderswo Durchmusterungsteleskope als eine der wichtigsten Prioritäten für zukünftige Entwicklungen in der Astronomie eingestuft.

Sowohl Berufs- als auch Amateurastronomen haben auch Bedenken darüber geäußert, wie sich Satelliten-Megakonstellationen auf die unverfälschte Sicht auf den Nachthimmel auswirken könnten. Die Studie zeigt, dass sich jederzeit etwa 1.600 Satelliten der Konstellationen über dem Horizont eines Observatoriums in mittleren Breitengraden befinden werden, von denen die meisten allerdings tief am Himmel stehen werden – innerhalb von 30° über dem Horizont. Oberhalb dieser Grenze – dem Teil des Himmels, in dem die meisten astronomischen Beobachtungen stattfinden – werden sich zu jeder Zeit etwa 250 Satelliten der Konstellationen befinden. Während sie alle bei Sonnenuntergang und Sonnenaufgang von der Sonne beleuchtet werden, geraten sie gegen Mitte der Nacht immer mehr in den Erdschatten. Die ESO-Studie setzt für alle diese Satelliten eine Helligkeit voraus. Mit dieser Annahme könnten bis zu 100 Satelliten hell genug sein, um in der Dämmerung mit dem bloßen Auge sichtbar zu sein, wobei sich etwa 10 davon höher als 30° über dem Horizont befinden würden. All diese Zahlen sinken mit zunehmender Dunkelheit und dem Eintauchen der Satelliten in den Erdschatten. Insgesamt würden diese neuen Satellitenkonstellationen die Anzahl der mit dem bloßen Auge am Nachthimmel sichtbaren Satelliten oberhalb von 30° grob verdoppeln [3].

In diesen Zahlen sind die unmittelbar nach dem Start sichtbaren Satellitenzüge nicht enthalten. Obwohl sie spektakulär und hell sind, sind sie kurzlebig und nur kurz nach Sonnenuntergang oder vor Sonnenaufgang und – zu einem bestimmten Zeitpunkt – nur von einem sehr begrenzten Gebiet auf der Erde aus sichtbar.

Die ESO-Studie verwendet Vereinfachungen und Annahmen, um konservative Schätzungen der Auswirkungen zu erhalten, die in der Realität kleiner sein können als in der Studie berechnet. Um die tatsächlichen Auswirkungen genauer zu quantifizieren, sind anspruchsvollere Modellierungen erforderlich. Während der Schwerpunkt auf den ESO-Teleskopen liegt, gelten die Ergebnisse für ähnliche Nicht-ESO-Teleskope, die auch im Sichtbaren und im Infrarot arbeiten, mit ähnlicher Instrumentierung und wissenschaftlichen Fällen.

Die Satellitenkonstellationen werden auch Auswirkungen auf Radio-, Millimeter- und Submillimeter-Observatorien haben, darunter das Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array (ALMA) und das Atacama Pathfinder Experiment (APEX). Diese Auswirkungen werden in weiteren Studien berücksichtigt werden.

Die ESO ergreift zusammen mit anderen Observatorien, der Internationalen Astronomischen Union (IAU), der American Astronomical Society (AAS), der Royal Astronomical Society (RAS) des Vereinigten Königreichs und anderen Gesellschaften Maßnahmen, um das Bewusstsein für dieses Thema in globalen Foren wie dem Ausschuss der Vereinten Nationen für die friedliche Nutzung des Weltraums (COPUOS) und dem Europäischen Ausschuss für Radioastronomie-Frequenzen (CRAF) zu schärfen. Dies geschieht, während mit den Raumfahrtunternehmen praktische Lösungen erforscht werden, die die umfangreichen Investitionen in hochmoderne bodengestützte Astronomieeinrichtungen sichern können. Die ESO unterstützt die Entwicklung von Regulierungsrahmen, die letztlich die harmonische Koexistenz von vielversprechenden technologischen Fortschritten in einer niedrigen Erdumlaufbahn mit den Bedingungen gewährleisten, die es der Menschheit ermöglichen, ihre Beobachtung und ihr Verständnis des Universums fortzusetzen.

Endnoten

Weitere Informationen

Die Studie „On the impact of Satellite Constellations on Astronomical Observations with ESO Telescopes in the Visible and Infrared Domains“ von O. Hainaut und A. Williams wird in Astronomy and Astrophysics erscheinen und ist hier und auf arXiv verfügbar.

Links

• Wissenschaftlicher Artikel
• ESO-Mitteilung „Satellitenkonstellationen und ihr Einfluss auf die Astronomie“
• IAU-Pressemitteilung „Understanding the Impact of Satellite Constellations on Astronomy“
• AAS-Mitteilung“AAS Works to Mitigate Impact of Satellite Constellations on Ground-Based Observing“
• Rubin Observatory Legacy Survey of Space and Time (LSST) „Impact on Optical Astronomy of LEO Satellite Constellations“

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• Beeinträchtigung erdgebundener Astronomie

Der Beitrag ESO: Einfluss von Satellitenkonstellationen auf Astronomie erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: ESON.

Astronomen haben mit dem Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array (ALMA), an dem die ESO beteiligt ist, eine eigentümliche Gaswolke entdeckt, die aus einer Konfrontation zweier Sterne resultiert. Ein Stern wurde so groß, dass er den anderen verschluckte, der sich wiederum spiralförmig auf seinen Partner zubewegte. Dies hatte zur Folge, dass der Stern seine äußeren Schichten abstieß.

Ähnlich wie die Menschen verändern sich die Sterne mit zunehmendem Alter und sterben schließlich. Für sonnenähnliche Sterne und die Sonne selbst wird diese Veränderung eine Phase durchlaufen, in der sie, nachdem sie den gesamten Wasserstoff in ihrem Kern verbrannt haben, zu einem großen und hellen roten Riesenstern anschwellen. Schließlich wird die sterbende Sonne ihre äußeren Schichten verlieren und ihren Kern zurücklassen: ein heißer und dichter Stern, der als Weißer Zwerg bezeichnet wird.

„Das Sternsystem HD101584 ist insofern etwas Besonderes, als dieser »Sterbeprozess« vorzeitig und dramatisch beendet wurde. Ein nahegelegener massearmer Begleitstern wurde von dem Riesen verschluckt“, erläutert Hans Olofsson von der Chalmers University of Technology, Schweden, der eine kürzlich in Astronomy & Astrophysics veröffentlichte Studie über dieses faszinierende Objekt leitete.

Dank neuer Beobachtungen mit ALMA, ergänzt durch Daten des von der ESO betriebenen Atacama Pathfinder EXperiment (APEX), wissen Olofsson und sein Team nun, dass das, was im Doppelsternsystem HD101584 geschah, einem Sternenkampf glich. Als sich der Hauptstern zu einem Roten Riesen aufblähte, wurde er groß genug, um seinen masseärmeren Partner zu verschlucken. Als Reaktion darauf schraubte sich der kleinere Stern in Richtung des Kernes des Riesen, kollidierte aber nicht mit ihm. Vielmehr verursachte dieses Manöver einen Ausbruch des größeren Sterns, bei dem seine Gasschichten dramatisch zerstreut und sein Kern freigelegt wurden.

Das Team sagt, dass die komplexe Struktur des Gases im Nebel HD101584 auf die Spiralbewegung des kleineren Sterns in Richtung des Roten Riesen zurückzuführen ist, sowie auf die Gasjets, die sich bei diesem Vorgang gebildet haben. Wie ein tödlicher Schlag gegen die bereits besiegten Gasschichten schossen diese Jets durch das zuvor ausgestoßene Material und bildeten die Gasringe und die hellen bläulichen und rötlichen Flecken, die man im Nebel sieht.

Ein positiver Aspekt des Sternenkampfes besteht darin, dass er den Astronomen hilft, die endgültige Entwicklung von Sternen wie der Sonne besser zu verstehen. „Gegenwärtig können wir die Sterbeprozesse beschreiben, die vielen sonnenähnlichen Sternen gemeinsam sind, aber wir können nicht erklären, warum oder wie sie genau ablaufen. HD101584 gibt uns wichtige Hinweise zur Lösung dieses Rätsels, da es sich derzeit in einer kurzen Übergangsphase zwischen besser untersuchten Evolutionsstufen befindet. Mit detaillierten Bildern der Umgebung von HD101584 können wir die Verbindung zwischen dem Riesenstern, der er vorher war, und dem stellaren Überrest, zu dem er bald werden wird, herstellen“, informiert Mitautorin Sofia Ramstedt von der Universität Uppsala, Schweden.

Co-Autorin Elizabeth Humphreys von der ESO in Chile hob hervor, dass ALMA und APEX, die in der Atacama-Region des Landes liegen, entscheidend dazu beigetragen haben, dass das Team „sowohl die Physik als auch die Chemie in der Gaswolke in Aktion“ untersuchen konnte. Sie fügt hinzu: „Dieses beeindruckende Bild der zirkumstellaren Umgebung von HD101584 wäre ohne die außerordentliche Empfindlichkeit und Winkelauflösung von ALMA nicht möglich gewesen“.

Während die derzeitigen Teleskope es den Astronomen ermöglichen, das Gas um den Doppelstern zu untersuchen, sind die beiden Sterne im Zentrum des komplexen Nebels zu nahe beieinander und zu weit von uns entfernt, um aufgelöst werden zu können. Das Extremely Large Telescope der ESO, das in der chilenischen Atacama-Wüste gebaut wird, „wird Informationen über das »Herz« des Objekts liefern“, sagt Olofsson und ermöglicht den Astronomen einen genaueren Blick auf das kämpfende Paar.

Weitere Informationen

Diese Forschungsarbeit wurde in einer in Astronomy & Astrophysics veröffentlichten Arbeit vorgestellt.

Das Team besteht aus H. Olofsson (Abteilung für Weltraum, Erde und Umwelt, Chalmers University of Technology, Onsala Space Observatory, Schweden [Chalmers]), T. Khouri (Chalmers), M. Maercker (Chalmers), P. Bergman (Chalmers), L. Doan (Abteilung für Physik und Astronomie, Universität Uppsala, Schweden [Uppsala]), D. Tafoya (Nationales Astronomisches Observatorium von Japan), W. H. T. Vlemmings (Chalmers), E. M. L. Humphreys (Europäische Südsternwarte [ESO], Garching, Deutschland), M. Lindqvist (Chalmers), L. Nyman (ESO, Santiago, Chile) und S. Ramstedt (Uppsala).

Das Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array (ALMA), eine internationale astronomische Einrichtung, ist eine Kooperation der ESO, der U.S. National Science Foundation (NSF) und der National Institutes of Natural Sciences (NINS) Japans in Zusammenarbeit mit der Republik Chile. ALMA wird von der ESO im Namen ihrer Mitgliedstaaten, von der NSF in Zusammenarbeit mit dem National Research Council of Canada (NRC) und dem National Science Council of Taiwan (NSC) sowie von der NINS in Zusammenarbeit mit der Academia Sinica (AS) in Taiwan und dem Korea Astronomy and Space Science Institute (KASI) finanziert. Bau und Betrieb von ALMA werden von der ESO im Namen ihrer Mitgliedstaaten geleitet; vom National Radio Astronomy Observatory (NRAO), das von Associated Universities, Inc. verwaltet wird. (AUI), im Namen Nordamerikas und vom National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ) im Namen Ostasiens verwaltet wird. Das Gemeinsame ALMA-Observatorium (JAO) stellt die einheitliche Führung und Verwaltung des Baus, der Inbetriebnahme und des Betriebs von ALMA sicher.

Die Europäische Südsternwarte (engl. European Southern Observatory, kurz ESO) ist die führende europäische Organisation für astronomische Forschung und das wissenschaftlich produktivste Observatorium der Welt. Die Organisation hat 16 Mitgliedsländer: Belgien, Dänemark, Deutschland, Finnland, Frankreich, Großbritannien, Irland, Italien, die Niederlande, Österreich, Polen, Portugal, Spanien, Schweden, die Schweiz und die Tschechische Republik. Hinzu kommen das Gastland Chile und Australien als strategischer Partner. Die ESO führt ein ehrgeiziges Programm durch, das sich auf die Planung, den Bau und den Betrieb leistungsfähiger bodengebundener Beobachtungseinrichtungen konzentriert, die es Astronomen ermöglichen, wichtige wissenschaftliche Entdeckungen zu machen. Auch bei der Förderung internationaler Zusammenarbeit auf dem Gebiet der Astronomie spielt die Organisation eine maßgebliche Rolle. Die ESO verfügt über drei weltweit einzigartige Beobachtungsstandorte in Chile: La Silla, Paranal und Chajnantor. Auf dem Paranal betreibt die ESO das Very Large Telescope (VLT) und das weltweit führende Very Large Telescope Interferometer sowie zwei Durchmusterungsteleskope: VISTA im Infrarotbereich und das VLT Survey Telescope (VST) für sichtbares Licht. Am Paranal wird die ESO zukünftig außerdem das Cherenkov Telescope Array South beherbergen und betreiben, das größte und empfindlichste Gammastrahlenobservatorium der Welt. Die ESO ist zusätzlich einer der Hauptpartner bei zwei Projekten auf Chajnantor, APEX und ALMA, dem größten astronomischen Projekt überhaupt. Auf dem Cerro Armazones unweit des Paranal errichtet die ESO zur Zeit das Extremely Large Telescope (ELT) mit 39 Metern Durchmesser, das einmal das größte optische Teleskop der Welt werden wird.

Die Übersetzungen von englischsprachigen ESO-Pressemitteilungen sind ein Service des ESO Science Outreach Network (ESON), eines internationalen Netzwerks für astronomische Öffentlichkeitsarbeit, in dem Wissenschaftler und Wissenschaftskommunikatoren aus allen ESO-Mitgliedsländern (und einigen weiteren Staaten) vertreten sind. Deutscher Knoten des Netzwerks ist das Haus der Astronomie in Heidelberg.

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Ein Beitrag von Ralph-Mirko Richter. Quelle: ESO, Max-Planck-Institut für Radioastronomie.

Historische Aufzeichnungen von Novae-Ausbrüchen sind äußerst selten und somit für die moderne Astronomie von einem besonderen Interesse. Dies ist ganz besonders dann der Fall, wenn sich aus diesen Beobachtungen auch noch in der Gegenwart neue Erkenntnisse ableiten lassen können.

Im Jahr 1670 beobachteten Astronomen am nächtlichen Himmel im Bereich des ansonsten eher unscheinbaren Sternbildes Vulpecula (zu deutsch „Füchschen“) das Aufleuchten eines „neuen Sterns“. Einige der bedeutendsten Himmelsbeobachter dieser Epoche, darunter die Astronomen Giovanni Domenico Cassini und Johannes Hevelius – der Begründer der Kartografie des Erdmondes – haben den nachfolgenden Generationen sorgfältige Aufzeichnungen dieser Himmelserscheinung hinterlassen. Hevelius beschrieb seine Beobachtung als „Nova sub capite Cygni“ – als einen neuen Stern unterhalb des Kopfes im Bereich des Sternbildes Schwan (lat. Name „Cygnus“).

In der Gegenwart wird dieses Objekt als Nova Vul 1670 bezeichnet und ist zudem unter dem Namen CK Vulpeculae als ein Stern mit veränderlicher Helligkeit klassifiziert.

Bei den ersten Beobachtungen vor mehr als 340 Jahren war Nova Vul 1670 mit einer Helligkeit von bis zu 2,6 mag noch leicht mit dem bloßen Auge sichtbar. In den folgenden zwei Jahren zeigte das Objekt dann zunächst deutlich erkennbare Helligkeitsschwankungen bevor es zunächst von Nachthimmel ‚verschwand‘. In der Folgezeit konnten die Astronomen Nova Vul 1670 noch zweimal beobachten bevor diese vermeintliche Nova endgültig unsichtbar wurde. Obwohl die Aufzeichnungen das Phänomen für die damalige Zeit überraschend gut dokumentierten, fehlte auch den besten Astronomen dieser Epoche einfach die notwendige technische Ausrüstung und das Wissen, um die eigenartigen Eigenschaften dieser scheinbaren Nova erklären zu können.

Erst während des 20. Jahrhunderts kamen die Astronomen zu dem Schluss, dass die meisten Novae durch explosive Ausbrüche in engen Doppelsternsystemen erklärt werden können. Das eigentümliche Verhalten von Nova Vul 1670 war jedoch auch mit diesem Modell nicht schlüssig zu erklären und blieb bis auf weiteres ein Rätsel. Selbst mit der ständig wachsenden Empfindlichkeit der astronomischen Beobachtungsinstrumente war es lange Zeit nicht möglich, überhaupt auch nur eine Spur dieses Ereignisses an der entsprechenden Stelle am Himmel nachzuweisen.

Erst in den 1980er Jahren gelang es einem Team von Astronomen, in der Umgebung der Ausbruchsstelle einen schwachen Nebel zu lokalisieren. Obwohl diese Entdeckung eine verlockende Verbindung zu dem Ereignis von 1670 darstellte, trug sie doch wenig dazu bei, um die wahre Natur von dem zu entschlüsseln, was vor über 340 Jahren am Himmel über Europa zu beobachten war.

Durch Untersuchungen mit modernen Instrumenten konnten Astronomen dieses Rätsel jetzt jedoch lösen.

Eine gewaltige Sternkollision
„Das Objekt galt für viele Jahre als Nova, aber je länger es untersucht wurde, desto weniger sah es nach einer gewöhnlichen Nova oder irgendeiner anderen Art von explodierenden Sternen aus“, so Dr. Tomasz Kamiński, der Erstautor einer entsprechenden Studie, welcher zum Zeitpunkt der Beobachtungen am Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR) in Bonn und inzwischen bei der Europäischen Südsternwarte (ESO) in Chile tätig ist. „Wir haben das Gebiet jetzt in Submillimeter- und Radiowellenlängen untersucht. Und dabei haben wir herausgefunden, dass die gesamte Umgebung dieses Überrests in ein kühles Gas eingebettet ist, das eine Vielzahl von Molekülen in ungewöhnlicher chemischer Zusammensetzung enthält.“

Für den Nachweis der chemischen Zusammensetzung der Gaswolke – hierbei wurden verschiedene neutrale und ionisierte Moleküle wie zum Beispiel Kohlenstoffmonoxid, Cyanwasserstoff, Ammoniak oder Siliziummonoxid und sogar das organische Molekül Formaldehyd entdeckt – sowie der Untersuchung der Häufigkeitsverhältnisse unterschiedlicher Isotope nutzten die an den Untersuchungen beteiligten Astronomen neben dem APEX-Radioteleskop in den chilenischen Anden das Submillimeter Array (kurz „SMA“) auf Hawaii und das vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bad Münstereifel-Effelsberg betriebene 100-Meter-Radioteleskop. Die Untersuchungen ergaben ein sehr detailliertes Bild des Aufbaus dieser Region und ermöglichen zudem eine Abschätzung darüber, woher das dort befindliche Material stammt.

Die Wissenschaftler gelangten dabei zu dem Ergebnis, dass die in dieser Region des Weltalls konzentrierte Masse an kalten Gasen zu groß ausfällt, um in einem Nova-Ausbruch entstanden zu sein. Des weiteren weichen auch die im Bereich von Nova Vul 1670 gemessenen Isotopenverhältnisse zu stark von dem ab, was man von einer Nova erwarten würde. Vielmehr war für das im Jahr 1670 beobachtete ‚Himmelsschauspiel‘ laut den an den Untersuchungen beteiligten Astronomen eine gewaltige Kollision von zwei Sternen verantwortlich, welche leuchtkräftiger ausfiel als der Ausbruch einer ‚gewöhnlichen‘ Nova, aber weniger stark als eine Supernova. Derartige Sterne werden auch als „Red Transients“ beziehungsweise Leuchtkräftige Rote Nova bezeichnet.

Hierbei handelt es sich um ein sehr seltenes Ereignis, bei dem sich die zwei eng beeinander liegende Sterne eines Doppelsternsystems zunächst auf einer spiralförmig verlaufenden Bahn zunächst noch weiter annähern und schließlich miteinander kollidieren. Im Rahmen dieser Kollision ‚explodiert‘ einer der beiden Sterne, wobei Materie aus dem Inneren des zerstörten Sterns in die Umgebung hinausgeschleudert wird. Von diesem Stern verbleibt ein nur schwach leuchtender Überrest, welcher in eine kalte Hülle aus Gasmolekülen und Staub eingebettet ist. Diese den Astronomen erst seit kurzem bekannte Klasse von explosiven Sternen kann die Beobachtungsergebnisse von Nova Vul 1670 fast perfekt erklären.

„Diese Art von Entdeckungen macht am meisten Spaß – etwas, das vollkommen unerwartet kommt“, so Prof. Dr. Karl M. Menten vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie, einer der Co-Autoren dieser Studie, der zugleich die Forschungsabteilung „Millimeter- und Submillimeter-Astronomie“ am MPIfR leitet.

Die hier kurz vorgestellten Ergebnisse von Dr. Tomasz Kamiński et al. wurden am 23. März 2015 unter dem Titel „Nuclear ashes and outflow in the oldest known eruptive star Nova Vul 1670“ in der Fachzeitschrift Nature publiziert.

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• Novae
• Supernovae

Fachartikel von Dr. Tomasz Kamiński et al.:

• Nuclear ashes and outflow in the oldest known eruptive star Nova Vul 1670 (vollständiger Artikel, engl.)

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Ein Beitrag von Ralph-Mirko Richter. Quelle: ESO.

Bei dem Atacama Pathfinder Experiment (kurz „APEX“) handelt es sich um ein in der nordchilenischen Atacamawüste befindliches Radioteleskop mit einem Reflektordurchmesser von 12 Metern. Aufgrund seines Standortes in einer Höhe von 5.100 Metern auf dem Chajnantor-Hochplateau eignet sich dieses Radioteleskop besonders gut für Beobachtungen bei Wellenlängen im Millimeter- und Submillimeterbereich und stellt somit für die Astronomen ein überaus wichtiges Instrument dar, um das Universum zwischen dem infraroten Licht und Radiowellen im elektromagnetischen Spektrum zu erforschen.

Jetzt wurde das APEX-Teleskop mit einem zusätzlichen Instrument ausgestattet. ArTeMiS – so der Name des neuen Instruments – steht für „Architectures de bolomètres pour des Télescopes à grand champ de vue dans le domaine sub-Millimétrique au Sol“ (auf deutsch: Bolometeranordnung für erdgebundene Weitfeldteleskope im Submillimeterbereich).

Bei ArTeMiS handelt es sich um eine leistungsstarke Weitfeldkamera für den Submillimeterbereich, welche eine wichtige Ergänzung zu dem bestehenden Instrumentarium des APEX-Teleskops darstellt und bei den Beobachtungen die Tiefe und den Deteilreichtum der abzubildenden Objekte zusätzlich erhöht. Die bei ArTeMiS verwendete Detektoranordnung der neuen Generation ähnelt in ihrer Arbeitsweise mehr einer CCD-Kamera als bei der vorhergehende Detektorgeneration. Dies ermöglicht den mit APEX arbeitenden Astronomen eine schnellere Aufnahme von Weitfeldkarten des Himmels, welche dabei zudem über eine größere Anzahl von Pixeln verfügen.

Das für die Inbetriebnahme der ArTeMiS-Kamera zuständige Team musste bei seiner Arbeit gegen extreme Wetterbedingungen ankämpfen, denn starker Schneefall auf dem Chajnantor-Plateau hatte das APEX-Kontrollgebäude fast vollständig begraben. Erst mit Hilfe von Mitarbeitern des ebenfalls auf dem Chajnantor-Plateau befindlichen Radioteleskops ALMA konnte das Team schließlich die Transportkisten, in denen sich ArTeMiS befand, auf einem provisorischen Pfad unter Umgehung von Schneewehen zum Teleskop transportieren, das Instrument anschließen, den Kryostat positionieren und alles in seine endgültige Lage bringen.

Um die Weitfeldkamera zu testen, musste das Team allerdings zunächst auf besonders trockenes Wetter warten, da die Submillimeterwellenlängen des Lichts, bei denen ArTeMiS beobachtet, stark vom Wasserdampf in der Erdatmosphäre absorbiert werden. Als die Zeit jedoch gekommen war, konnten erste erfolgreiche Beobachtungen durchgeführt werden. Seit den ersten Tests konnte die ArTeMiS-Kamera mittlerweile auch bereits für mehrere wissenschaftliche Projekte genutzt werden. Eines dieser Beobachtungsziele war die Sternentstehungsregion NGC 6334 – auch bekannt als der Katzenpfotennebel im Sternbild Skorpion.

Diese mit ArTeMiS angefertigte Aufnahme ist deutlich besser als frühere Aufnahmen derselben Region, welche mit dem APEX-Teleskop gewonnen wurden. Das gesamte Team ist jetzt schon von den Ergebnissen der ersten Beobachtungen begeistert. Mittlerweile ist die Testphase von ArTeMiS abgeschlossen und die Kamera wird nun zurück nach Saclay in Frankreich gebracht, wo zusätzliche Detektoren in das Instrument eingebaut werden sollen.

APEX ist ein Gemeinschaftsprojekt des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie (MPIfR), des Weltraumobservatoriums Onsala (Onsala Space Observatory, OSO) und der Europäischen Südsternwarte (ESO), welche auch für den Betrieb des APEX-Teleskopes verantwortlich zeichnet.

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• ESO-Projekt ALMA

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Ein Beitrag von Ralph-Mirko Richter. Quelle: ESO.

Interstellare Molekülwolken bestehen aus Ansammlungen von Gas und Staubpartikeln und beherbergen das Rohmaterial, aus dem sich im Rahmen des Prozesses der Sternentstehung neue Sterne bilden. Allerdings verbergen die winzigen Staubkörnchen im sichtbaren Bereich des Lichts auch all das, was sich innerhalb oder hinter diesen Wolken befindet beziehungsweise abspielt. Dies wiederum erschwert den Astronomen jedoch das Beobachten von Sternentstehungsprozessen.

Aus diesem Grund verwenden Astronomen Instrumente, welche es ermöglichen, Molekülwolken und Sternentstehungsgebiete bei anderen Wellenlängen als denen des sichtbaren Lichts zu beobachten. Hierfür besonders geeignet sind Untersuchungen im Submillimeterbereich, in dem die Staubteilchen aufgrund ihrer niedrigen Temperatur von lediglich wenigen Grad über dem absoluten Nullpunkt Strahlung abgeben anstatt das Licht zu blockieren.

Heiße Objekte geben den größten Anteil ihrer Strahlung bei kürzeren Wellenlängen und kältere Objekte bei längeren Wellenlängen ab. So erscheinen zum Beispiel heiße Sterne mit Temperaturen von etwa 20.000 Kelvin in einer bläulichen Farbe. Kühlere Sterne mit Temperaturen von um die 3.000 Kelvin erscheinen dagegen rötlich. Eine Staubwolke mit einer Temperatur von nur zehn Kelvin hat ihr Emissionsmaximum bei einer Wellenlänge von etwa 0,3 Millimetern und lässt sich beispielsweise im Submillimeterbereich beobachten.

Die LABOCA-Kamera des Atacama Pathfinder Experiment (kurz APEX) ist auf solche Beobachtungen spezialisiert. Bei dem APEX handelt es sich um ein in einer Höhe von 5.000 Metern über dem Meeresspiegel auf dem Chajnantor-Plateau in der chilenischen Atacamawüste befindliches Radioteleskop, welches ursprünglich errichtet wurde, um Technologien für den Teleskopverbund ALMA zu testen.

Eine am vergangenen Mittwoch von der Europäischen Südsternwarte (ESO) veröffentlichte Aufnahme zeigt einen Teilbereich eines im Sternbild Orion gelegenen größeren Komplexes, welcher allgemein als die Orion-Molekülwolke bekannt ist. Dieses Gebiet stellt einen geradezu unerschöpflicher Schmelztiegel aus hellen Nebeln, jungen und somit heißen Sternen und kaltem Staub dar, verfügt über einen Durchmesser von mehreren Hundert Lichtjahren und befindet sich in einer Entfernung von etwa 1.300 Lichtjahren zu unserem Sonnensystem.

Das auf der nebenstehenden Aufnahme zu erkennende Leuchten im Submillimeterbereich stammt von den kalten Staubwolken, welche in diesem Bild orange dargestellt sind. Das Foto wurde mit einer vertrauteren Aufnahme dieser Himmelsregion im sichtbaren Licht überlagert. Die auffallend große, helle Wolke oben rechts im Bild ist der allgemein bekannte Orionnebel.

Dieser Emissionsnebel ist unter günstigen Sichtbedingungen bereits mit dem bloßem Auge als ein etwas verschwommener „Fleck“ im „Schwert des Orion“ unterhalb der drei Gürtelsterne dieses markanten Sternbildes zu erkennen. Der Orionnebel ist aber nur der hellste Teil eines riesigen Sternentstehungsgebietes, in dem sich nach wie vor neue Sterne bilden. Von der Erde aus gesehen ist der Orionnebel der nächst gelegene Ort im Universum, an dem eine Sternentstehung beobachtet werden kann.

Die Staubwolken bilden wunderschöne Filamente, Streifen und Blasen, welche durch unterschiedliche Prozesse wie etwa einen gravitativen Kollaps oder durch die Einwirkungen von Sternwinden entstehen. Solche Sternwinde sind der kontinuierliche Strom von Materie, welche von Sternen ausgestoßen wird. Diese Winde verfügen über genügend Kraft, um die in der Umgebung gelegenen Staubwolken in die gebogenen Strukturen zu bringen, welche wir auf dieser Aufnahme erkennen.

Astronomen haben mit Hilfe dieser Aufnahme und weiterer durch das APEX gewonnener Daten sowie anhand von Aufnahmen des Weltraumteleskops Herschel im Bereich der Orion-Molekülwolke nach sogenannten Protosternen, einem besonders frühen Stadium der Sternentstehung, gesucht. Bisher waren sie in der Lage, dort 15 solcher Objekte zu identifizieren, welche bei längeren Wellenlängen viel heller erscheinen als bei kürzeren. Diese neu entdeckten, seltenen Objekte gehören vermutlich zu den jüngsten Protosternen, welche jemals gefunden wurden.

Eine entsprechende Forschungsarbeit wurde am 10. April 2013 von Amelia M. Stutz et al. in der Fachzeitschrift „Astrophysical Journal “ unter dem Titel „A Herschel and APEX Census of the Reddest Sources in Orion: Searching for the Youngest Protostars“ publiziert.

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• Sternentstehung
• Emissionsnebel

Fachartikel von Amelia M. Stutz et al.:

• A Herschel and APEX Census of the Reddest Sources in Orion: Searching for the Youngest Protostars (engl.)

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