Quelle: Universität Stuttgart.

11. Februar 2022 – Da SOFIA mehr als 99 % des Wasserdampfs der Erdatmosphäre unter sich lässt, kann diese Sternwarte Licht bei Wellenlängen detektieren, das erdgebundene Observatorien nicht erreicht. Im Folgenden sind einige der aufregenden Entdeckungen des Jahres 2021, die durch die einzigartigen Fähigkeiten von SOFIA ermöglicht wurden, beschrieben.

Wie viel atomarer Sauerstoff befindet sich in unserer Atmosphäre?
Klimamodelle hängen davon ab, wie viel atomarer Sauerstoff – also Sauerstoff, der an kein anderes Atom gebunden ist – sich in der oberen Erdatmosphäre befindet. Messungen seiner Konzentration helfen, physikalische Parameter wie Temperatur und Druck in der Mesosphäre und der unteren Thermosphäre abzuschätzen. Wenn SOFIA aus der Erdatmosphäre heraus atomaren Sauerstoff im Weltraum – zum Beispiel in den Atmosphären unserer Nachbarplaneten Mars und Venus – beobachtet, verfälscht der atomare Sauerstoff unserer eigenen Erdatmosphäre diese Messungen. Astronomen und Astronominnen müssen diesen Erdanteil aus den gemessenen Daten herausfiltern. Dieses astronomische Nebenprodukt aber können Forschende anderer Disziplinen zur Untersuchung der Erdatmosphäre selbst nutzen. SOFIA-Daten bieten ihnen eine neue Möglichkeit den atomaren Sauerstoff in der oberen Erdatmosphäre direkt zu messen und können helfen ihre Klimamodelle zu verbessern.

Welche Rolle spielen Kometen bei der Bereitstellung der Bausteine für das Leben?
SOFIA-Beobachtungen haben gezeigt, dass der Komet Catalina, der 2016 in Sichtweite der Erde vorbeizog, eine große Menge an Kohlenstoff enthält. In der Frühzeit unseres Sonnensystems war es jedoch auf der Erde zu heiß, als dass sich Kohlenstoff – ein wichtiger Baustein für Leben – auf der Erde hätte bilden können. Die SOFIA-Daten deuten darauf hin, dass Kometen wie Catalina eine wichtige Quelle für den Kohlenstoff auf der Erde gewesen sein könnten, der letztlich zur Entstehung des Lebens wie wir es kennen geführt hat.

Wie alt sind unsere Nachbarsterne?
SOFIA-Aufnahmen von dem nahegelegenen Sternhaufen Westerlund 1 in unserer Milchstraße zeigen, dass er eine komplizierte Vergangenheit hat. Bisher gingen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler davon aus, dass der gesamte Haufen aus zeitgleich geborenen Sternen besteht, die „nur“ 4 Millionen Jahre alt sind. Solche vergleichsweise jungen Sterne sind sehr heiß, hell und massereich. SOFIA-Daten zeigen nun, dass einige der Sterne in Westerlund 1 stattdessen recht schwach, kühler und damit eher etwa 10 Millionen Jahre alt sind – also mehr als doppelt so alt wie erwartet. Westerlund 1 hatte also eine längere Periode der Sternentstehung von mehreren Millionen Jahren, was erklärt, warum einige seiner Sterne so viel älter sind als andere.

Was passiert, wenn zwei Galaxien kollidieren?
SOFIA hat das Magnetfeld von Centaurus A kartiert, einer Galaxie, die für ihre ausgeprägte „S“-Form bekannt ist. Diese besondere Struktur ist vermutlich die Folge der Verschmelzung zweier Galaxien, die vor Hunderten von Millionen Jahren stattfand. Diese Kollision hat außerdem das Magnetfeld der entstandenen Galaxie nachhaltig verändert: Zum Zentrum des „S“ hin ist das Magnetfeld von Centaurus A stark verzerrt, verglichen mit den Feldern, die die Spiralarme der ursprünglichen Spiralgalaxie widerspiegeln – eine Folge der Kollision beider Systeme.

Wie beeinflussen expandierende Gasblasen die Sternentstehung?
Um der Frage nachzugehen, in welcher Weise sich lokale Sternentstehung und die Ausdehnung von Nachbargebieten beeinflussen, untersuchte SOFIA zwei verschiedene Quellen innerhalb der Milchstraße: Westerlund 2, eine Sternentstehungsregion, und RCW 120, einen Nebel aus ionisierten Gasen.

Im Zentrum von RCW 120 stößt den SOFIA-Beobachtungen zufolge, ein massereicher Stern einen starken Sternwind aus, der den Nebel zu einer raschen Ausdehnung veranlasst. In der Folge werden die umgebenden Gaswolken komprimiert, was wiederum zur Entstehung vieler neuer Sterne an den Rändern der Wolken führt. Dieser Prozess, bei dem ein Stern seine Umgebung beeinflusst, und zum Beispiel die Entstehung von weiteren Nachbarsternen bewirkt, wird stellare Rückkopplung genannt.

Ein ähnlicher Prozess spielt sich in Westerlund 2 ab: Der zentrale Sternenhaufen ist von einer Blase aus heißem Plasma und Gas umgeben, die sich durch die Winde der jungen Sterne vergrößert. Die SOFIA-Daten zeigen, dass sich mit der Ausdehnung der Blase neue Sterne in den dichten Bereichen ihrer Hülle bildeten, bis die Blase schließlich zerplatzte. Weitere Hunderttausende Jahren später bildete sich ein neuer, sehr heller Stern in der Region und seine Sternwinde regten die Blase erneut zu einem weiteren Zyklus von Expansion und Sternbildung an.

Wie lange dauern astronomische Vorgänge?
Siebzehn Jahre nach der Verschmelzung eines Doppelsternsystems mit der Bezeichnung V838 Monocerotis hat SOFIA einen Blick auf die Veränderungen im Staub um das System geworfen – und hat Atemberaubendes entdeckt: Bestand der beobachtete Staub um dieses Verschmelzungssystem vor zehn Jahren hauptsächlich noch aus Aluminium, setzt er sich eine Dekade später im Wesentlichen aus Siliziumkomponenten zusammen. Diese Abfolge in der Transformation der Staubbestandteile ist letztendlich der Schlüssel für die Bestimmung der Zusammensetzung von Gesteinsplaneten wie unserer Erde. Dabei ist es ganz besonders Eindrucksvoll, diesen Prozess innerhalb menschlicher Zeiträume in Echtzeit verfolgen zu können!

Pläne für das Jahr 2022?
„Auch für 2022 planen wir wieder viele spannende Beobachtungen mit SOFIA“, so Bernhard Schulz, SOFIA Science Mission Operations Deputy Director der Universität Stuttgart. „Unter anderem wollen wir nach weiteren Wasser-Vorkommen auf dem Mond suchen und sind bereits dabei die Frage zu klären, ob die Venusatmosphäre tatsächlich Phosphin, einen möglichen Indikator für Leben, enthält. Außerdem werden wir weitere Sternentstehungsgebiete in unserer eigenen Milchstraße sowie in anderen Galaxien am Nord- und Südhimmel kartieren, um die Entwicklung chemischer Elemente und wichtiger Moleküle im Universum besser zu verstehen.“

Über SOFIA
SOFIA, das Stratosphären Observatorium Für Infrarot Astronomie, ist ein Gemeinschaftsprojekt des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR; Förderkennzeichen 50OK0901, 50OK1301, 50OK1701 und FKZ 50 OK 2002 und der National Aeronautics and Space Administration (NASA). Es wird auf Veranlassung des DLR mit Mitteln des Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages und mit Mitteln des Landes Baden-Württemberg und der Universität Stuttgart durchgeführt. Der wissenschaftliche Betrieb wird auf deutscher Seite vom Deutschen SOFIA Institut (DSI) der Universität Stuttgart koordiniert, auf amerikanischer Seite von der Universities Space Research Association (USRA). Die Entwicklung der deutschen Instrumente ist finanziert mit Mitteln der Max-Planck-Gesellschaft (MPG), der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und des DLR.

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• Stratosphären-Observatorium SOFIA

Der Beitrag Von der Erde zu fernen Galaxien: Einzigartige SOFIA-Ergebnisse aus dem Jahr 2021 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: Universität Stuttgart.

Als eine der hellsten Galaxien am Nachthimmel, ist Centaurus A bekannt für ihre ausgeprägte S-Form und entstand vermutlich aus dem Zusammenstoß einer spiralförmigen mit einer elliptischen Galaxie vor etwa 100 Millionen Jahren. Centaurus ist ein ausgedehntes Sternbild des Südhimmels. SOFIA, das Stratosphären-Observatorium für Infrarot-Astronomie, hat jetzt zum ersten Mal die unsichtbaren Magnetfelder, die sich durch Centaurus A ziehen, im Infraroten Licht kartiert. Die Beobachtungen zeigen, wie durch die Verschmelzung dieser beiden Galaxien eine neue galaktische Struktur entstehen konnte, bei der sich nicht nur die Magnetfelder der beiden Galaxien vereint haben, sondern auch deren Kräfte verstärkt wurden. Die Ergebnisse liefern neue Erkenntnisse darüber, wie sich das frühe Universum durch Verschmelzungen von Galaxien inklusive ihrer Magnetfelder entwickelt haben könnte. Die Ergebnisse wurden kürzlich in Nature Astronomy veröffentlicht.

„Magnetfelder sind der Schlüssel zur Entstehung des frühen Universums, aber anfänglich waren sie nicht so kraftvoll, wie wir sie heute kennen; irgendwie wurden sie im Laufe der Zeit stärker“, sagt Enrique Lopez-Rodriguez vom Stanford Kavli Institut für Teilchenastrophysik und Kosmologie in Menlo Park in Kalifornien und Autor der Studie; „Galaktische Verschmelzungen scheinen einer der Verstärkungsmechanismen zu sein“ In einer relativ geringen Entfernung von 13 Millionen Lichtjahren ist Centaurus A ein guter Kandidat für die Untersuchung galaktischer Verschmelzungen. SOFIAs Blick auf die großräumigen Magnetfelder, die sich über 1.600 Lichtjahre der Galaxie ausdehnen, ergab, dass sie parallel zu den Staubspuren – den Überresten der ursprünglichen Spiralgalaxie – verlaufen.

Im Innern der galaktischen Scheibe sieht es jedoch anders aus: Während die galaktische Kollision einen Ausbruch von Sternentstehung ausgelöst und die ursprüngliche Spiralgalaxie umgeformt hat, haben diese Effekte die Magnetfelder in Kombination mit Gravitationskräften auf kleineren Skalen, verzerrt und verstärkt. Ähnliche Verschmelzungsprozesse könnten im frühen Universum die ursprünglichen, relativ schwachen Magnetfelder in die heute zu beobachtenden starken Felder verwandelt haben, die die Entstehung von Galaxien und Sternen maßgeblich beeinflussen.

In früheren Untersuchungen hat SOFIA bereits entdeckt, dass Magnetfelder eng mit der Struktur einer Spiralgalaxie verbunden sind und auch durch Wechselwirkungen mit einer benachbarten Galaxie verändert werden können. Aber bislang waren sich Astronomen und Astronominnen nicht klar darüber, was nach einer solchen Verschmelzung mit den Magnetfeldern im Inneren der Galaxie bei Anwesenheit eines aktiven Schwarzen Lochs passieren würde. Das aktive, supermassereiche Schwarze Loch von Centaurus A scheint die magnetische Unordnung im Zentrum zu verstärken.

„Aus Beobachtungen anderer Galaxien wissen wir, dass Magnetfelder den Materiefluss in das jeweilige zentrale Schwarze Loch beeinflussen“, so Bernhard Schulz, SOFIA Science Mission Operations Deputy Director vom Deutschen SOFIA Institut, das an der Universität Stuttgart SOFIAs Betrieb auf deutscher Seite koordiniert. „Eine weitere Analyse des komplexen Magnetfelds um das zentrale Schwarze Loch von Centaurus A in Kombination mit zukünftigen JWST-Daten sollte außerordentlich interessant werden.“

Ergänzend zu den SOFIA-Daten, soll das James Webb Weltraumteleskop (JWST), das voraussichtlich im Frühjahr 2022 seinen Beobachtungsbetrieb aufnehmen wird, untersuchen, was tief im Inneren des Galaxienkerns von Centaurus A passiert, insbesondere mit welchen Geschwindigkeiten die Materie in Richtung des Schwarzen Loches stürzt.

Originalveröffentlichung:
The magnetic field across the molecular warped disk of Centaurus A, Enrique Lopez-Rodriguez, Nature Astronomy, 1. April 2021

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• Stratosphären-Observatorium SOFIA

Der Beitrag Galaktische Verschmelzung verdreht magnetische Felder erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: DESY.

Mit spezialisierten Gammastrahlen-Teleskopen haben Forscherinnen und Forscher überraschende Einblicke in die größten Teilchenbeschleuniger des Universums gewonnen: Die Beschleunigung in diesen sogenannten aktiven Galaxien ist demnach nicht auf die Umgebung ihres zentralen Schwarzen Lochs beschränkt, sondern erstreckt sich tausende von Lichtjahren aus der Galaxie hinaus in die sogenannten Plasma-Jets, die nach oben und unten weit ins All hinausschießen. Diese Beobachtung verändert das Verständnis davon, welche maximalen Energien durch die Beschleunigungsprozesse in den Jets erreicht werden können. Das internationale Team mit mehr als 200 Mitgliedern aus 13 Ländern stellt seine Messungen mit dem H.E.S.S.-Gammastrahlenobservatorium in Namibia im Fachblatt „Nature“ vor. An dieser Arbeit sind insbesondere das französische Forschungszentrum CNRS, das Max-Planck-Institut für Kernphysik und DESY in Deutschland sowie die Universität Innsbruck in Österreich beteiligt.

In den vergangenen Jahren hat die Beobachtung von Röntgen- und Gammastrahlen, also sehr energiereichen Lichtteilchen (Photonen), grundlegend neue Einblicke ins Universum ermöglicht. „Diese Photonen stammen aus Systemen wie den supermassereichen Schwarzen Löchern im Herzen bestimmter Galaxien, die sich Materie einverleiben“, erläutert H.E.S.S.-Wissenschaftler Andrew Taylor von DESY, einer der Hauptautoren der Publikation. „Dort werden Elektronen auf enorme Energien beschleunigt, die in von Menschen gebauten Maschinen unerreichbar sind.“ In diesen aktiven Galaxien ist das zentrale Schwarze Loch von einer sogenannten Akkretionsscheibe umgeben, in der sich Materie sammelt wie im Strudel eines Badewannenabflusses, bevor sie auf Nimmerwiedersehen hinabstürzt.

Ein kleiner Teil dieser Materie fällt jedoch nicht in das Schwarze Loch, sondern wird vorher abgezweigt und in Form zweier gigantischer Plasma-Jets senkrecht nach oben und unten weit aus der Galaxie hinaus in den Kosmos geschleudert.Die Intensität der von diesen Systemen emittierten Gammastrahlung kann über sehr kurze Zeiträume von bis zu einer Minute variieren, was auf einen sehr kleinräumigen Ursprung der Strahlung nahe dem zentralen Schwarzen Loch hindeutet. Darüber hinaus diskutieren Wissenschaftler den Ursprung der Röntgenemission der Jets, zu deren Erzeugung je nach Szenario eine extreme Beschleunigung von Elektronen nötig ist. Da beschleunigte Elektronen im Plasma-Jet jedoch schnell an Energie verlieren, müssen sie dort kontinuierlich beschleunigt werden, um entlang der gesamten Jets zu existieren.

Mit den Teleskopen des High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.) beobachteten die Forscherinnen und Forscher die Radiogalaxie Centaurus A mehr als 200 Stunden lang mit unerreichter Auflösung im Gammastrahlenbereich. Radiogalaxien strahlen stark im Frequenzbereich der Radiowellen. „Als die der Erde am nächsten gelegene Radiogalaxie war Centaurus A für eine solche Untersuchung günstig, da sie uns ermöglichte, die Herkunftsregion der sehr hochenergetischen Strahlung entlang der Plasma-Jets zu identifizieren“, sagt der stellvertretende H.E.S.S.-Direktor Mathieu de Naurois vom Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) in Frankreich, ebenfalls einer der Hauptautoren der Publikation.

Auf der Grundlage detaillierter Analysen von Gruppen in Innsbruck und Paris konnten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler zeigen, dass sich die Quelle der Gammastrahlung tatsächlich über mehrere tausend Lichtjahre erstreckt. Diese ausgedehnte Emission deutet darauf hin, dass die Teilchenbeschleunigung nicht nur in der Nähe des zentralen Schwarzen Lochs stattfindet, sondern auch über die gesamte Länge der Plasma-Jets, wie die beteiligten Gruppen in Heidelberg und Zeuthen bei Berlin dargelegt haben. Die größten Teilchenbeschleuniger im Kosmos sind also noch größer als angenommen.

Die Entdeckung deutet darauf hin, dass vermutlich viele Radiogalaxien mit ausgedehnten Jets Teilchen auf extreme Energien beschleunigen. Damit liefert die Beobachtung auch wichtige neue Informationen für die Debatte über den Ursprung der Röntgenemission. „Diese Entdeckung revolutioniert unser Verständnis der großräumigen Jets und bedeutet einen großen Schritt vorwärts für unser Verständnis der kosmischen Teilchenbeschleunigung insgesamt“, sagt Taylor. „Es ist sehr befriedigend zu sehen, dass sich langfristige Beobachtungsbemühungen wie diese auszahlen. Offensichtlich werden wir nach wie vor von unseren kosmischen Nachbarn überrascht, wenn wir sie anders beobachten.“

Die Ergebnisse dieser Studie erforderten umfangreiche Beobachtungen und optimierte Analysetechniken. Das Observatorium der nächsten Generation, das Cherenkov Telescope Array (CTA), wird eine noch genauere Beobachtung dieses Phänomen ermöglichen. Am H.E.S.S. International Observatory, das aus fünf Teleskopen in Namibia besteht, sind Institute aus dreizehn Ländern beteiligt (Frankreich, Deutschland, Namibia, Südafrika, Irland, Armenien, Polen, Australien, Österreich, Schweden, Grossbritannien, Niederlande und Japan).

Originalveröffentlichung:
Resolving acceleration to very high energies along the jet of Centaurus A; The H.E.S.S. Collaboration; „Nature“, 2020; Resolving acceleration to very high energies along the jet of Centaurus A

DESY zählt zu den weltweit führenden Teilchenbeschleuniger-Zentren und erforscht die Struktur und Funktion von Materie – vom Wechselspiel kleinster Elementarteilchen, dem Verhalten neuartiger Nanowerkstoffe und lebenswichtiger Biomoleküle bis hin zu den großen Rätseln des Universums. Die Teilchenbeschleuniger und die Nachweisinstrumente, die DESY an seinen Standorten in Hamburg und Zeuthen entwickelt und baut, sind einzigartige Werkzeuge für die Forschung: Sie erzeugen das stärkste Röntgenlicht der Welt, bringen Teilchen auf Rekordenergien und öffnen neue Fenster ins Universum. DESY ist Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft, der größten Wissenschaftsorganisation Deutschlands, und wird zu 90 Prozent vom Bundesministerium für Bildung und Forschung und zu 10 Prozent von den Ländern Hamburg und Brandenburg finanziert.

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• H.E.S.S. Teleskope

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Quelle: Universität Innsbruck.

Radiogalaxien gehören zur Klasse von Galaxien mit einem aktiven und hell leuchtenden Zentrum, aus dem riesige, gerichtete Materieströme ausgestoßen werden, die als Jets bezeichnet werden. Als Energiequelle dieser Jets werden extrem massereiche Schwarze Löcher mit der Masse von hundert Millionen bis einige Milliarden Sonnenmassen vermutet. Jets aus aktiven Galaxienkernen können durch den Einfall von Materie auf ein solches supermassives schwarzes Loch erklärt werden. Sie werfen Teilchenströme mit Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit über Hunderte bis Tausende von Lichtjahren weit ins Weltall. Durch die große Entfernung zu diesen Objekten können ihre Strukturen jedoch nur für die nächsten von ihnen aufgelöst werden.

Im Fall der – auf astronomischen Skalen – nur rund 12 Millionen Lichtjahre entfernten Radiogalaxie Centaurus A, einer der hellsten Galaxien des Südhimmels, wurde der Jet bislang vom Radiobereich bis hin zu Röntgenenergien vermessen. „Am höchstenergetischen Ende des elektromagnetischen Spektrums konnte Centaurus A aber bisher nur als unaufgelöste Punktquelle beobachtet werden“, erklärt Dr. Markus Holler vom Institut für Astro- und Teilchenphysik der Universität Innsbruck und Mitglied der H.E.S.S.-Kollaboration. Ob die höchstenergetische Gammastrahlung vom Galaxienkern oder aber vom Jet emittiert wird, konnte man daher bis dato nicht feststellen. Hier setzt ein wichtiger Beitrag der Innsbrucker Astrophysiker zur kollaborativen Studie an: Wie kürzlich bei der erfolgreichen Vermessung des Krebsnebels verwendeten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus der Arbeitsgruppe um Univ.-Prof. Olaf Reimer auch für die Untersuchung der Strukturen von Centaurus A eine neuartige Simulationsumgebung. Diese ermöglichte eine weitaus präzisere Analyse der insgesamt über 200 Stunden Beobachtungszeit mit den H.E.S.S.-Teleskopen.

„Die Simulationen, die wir für die Auswertung benötigten, werden üblicherweise vor den Beobachtungen generiert. In unserer Simulationsumgebung gibt es aber für jede Beobachtung in der Analyse eine maßgeschneiderte Simulation“, erklärt Astrophysiker Markus Holler. So ist es gelungen, hochenergetische Gammastrahlung entlang des Jets von Centaurus A nachzuweisen. „Wir können also nicht nur erstmals Centaurus A von einer Punktquelle unterscheiden, sondern sogar die Emission durch ihre Form zum Teil dem Jet zuordnen.” Die gemessene Ausdehnung des Jets von über 2 Winkelminuten (siehe Abbildung) im Gammastrahlenlicht enthüllt dabei ein spannendes Geheimnis: Nämlich die Antwort auf die Frage, wo und wie die höchstenergetische Gammastrahlung von Centaurus A entsteht.

Rückschlüsse auf Teilchenbeschleunigung im Jet
Berücksichtigt man die über andere Messinstrumente – v.a. Radio- und Röntgenstrahlenbeobachtungen – gewonnenen Informationen über Centaurus A sowie die von H.E.S.S. vermessene Emission des Jets in einer Modellierung, so lässt sich letztere nur mit einem extrem effizienten, entlang des Jets verteilten, kontinuierlich operierenden Beschleunigungsmechanismus erklären. „Die alleinige Tatsache, dass Photonen aus dem Jet bis in diesen hochenergetischen Gammastrahlenbereich nachgewiesen werden konnten, setzt dort die Existenz von geladenen Teilchen voraus, die eine Energie von mindestens 10 bis 100 Billionen Elektronenvolt erreichen müssen”, verdeutlicht die Theoretikerin Prof. Anita Reimer vom Institut für Astro- und Teilchenphysik der Universität Innsbruck ein zentrales Ergebnis der Studie. „Inwieweit ähnlich effiziente Teilchenbeschleunigung in den ausgedehnten Jetbereichen auch ein Merkmal anderer aktiver Galaxienkerne ist, die nicht durch extreme Radiohelligkeit wie Centaurus A auffallen, ist eine Frage, die das künftige Cherenkov Telescope Array (CTA) beantworten sollte”, vermutet Prof. Olaf Reimer, der die österreichische Beteiligung an Vorbereitung und Bau des Höchstenergie-Gammastrahlenobservatoriums CTA koordiniert. Ob Centaurus A also als generisch für viele weitere Galaxien betrachtet werden kann, wird sich in weiteren Forschungsvorhaben zeigen.

Indirekte Messung von Gammastrahlung
Die H.E.S.S.-Teleskope sind nach dem Entdecker der kosmischen Strahlung und Nobelpreisträger Victor Franz Hess benannt, der von 1931 bis 1937 als Professor an der Universität Innsbruck tätig war. Sie messen Gammastrahlen, die etwa 1.000 Milliarden Mal energiereicher sind als sichtbares Licht. Jedes dieser Gamma-Quanten erzeugt beim Auftreffen auf die Erdatmosphäre unter anderem eine Vielzahl an geladenen Teilchen, welche wiederum über den Cherenkov-Effekt (eine Art optisches Analogon zum Überschallknall) sichtbares Licht emittieren. Die H.E.S.S.-Teleskope werden seit 2002 von einer internationalen Kollaboration in Namibia betrieben. Seit 2009 ist auch Österreich Mitglied, Olaf Reimer vom Institut für Astro- und Teilchenphysik der Universität Innsbruck leitet die österreichische H.E.S.S.-Gruppe.

Publikation:
The H.E.S.S. Collaboration: “Resolving acceleration to very high energies along the jet of Centaurus A”

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• H.E.S.S. Teleskope

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

Bei einem Kugelsternhaufen handelt es sich um eine Ansammlung von Sternen, welche durch Gravitationskräfte auf engstem Raum aneinander gebunden sind. Diese kugelförmigen Sternkonzentrationen verfügen typischerweise über Durchmesser von mehreren Dutzend Lichtjahren und beherbergen teilweise deutlich mehr als 100.000 Sterne. Diese Sternhaufen sind dabei gravitativ an Galaxien gebunden, in deren Halo sie sich bewegen. Die Kugelsternhaufen zählen zu den ältesten bekannten Sternensystemen im Universum und haben beinahe die gesamte Zeitspanne der Entstehung und Entwicklung ihrer jeweiligen Galaxien überlebt.

Bisher konnten Astronomen in der Umgebung unserer Heimatgalaxie mehr als 150 solcher Kugelsternhaufen entdecken, welche viele der ältesten bekannten Sterne unserer Galaxie beherbergen. Die meisten dieser die Milchstraße umkreisenden Kugelsternhaufen befinden sich von unserem Sonnensystem aus gesehen in Richtung der zentralen Verdickung der Milchstraßenscheibe.

Größere und entsprechend massereichere Galaxien können allerdings von noch deutlich mehr Kugelsternhaufen umkreist werden. Aus der Umgebung der Andromedagalaxie – auch als Messier 31 bezeichnet – sind so zum Beispiel mehr als 500 dieser Sternhaufen bekannt. Die im Sternbild Jungfrau (lateinischer Name „Virgo“) gelegenen Galaxie Messier 87 wird anscheinend sogar von bis zu 12.000 solcher Kugelsternhaufen umkreist.

Die Untersuchung von Kugelsternhaufen und der darin befindlichen Sterne kann den Astronomen dabei helfen zu verstehen, wie diese sich bilden und auf welche Weise sie miteinander interagieren. Bisher haben Astronomen jedoch lediglich Kugelsternhaufen eingehender untersucht, welche die zu der Lokalen Gruppe gehörenden Galaxien umgeben. Die hier gegebene vergleichsweise geringe Entfernung zu diesen Objekten ermöglicht zum Beispiel direkte Messungen der jeweiligen Massen.

Die Galaxie Centaurus A
Bei der Galaxie Centaurus A, auch bekannt unter der Bezeichnung NGC 5128, handelt es sich um eine elliptische Galaxie. Diese am 29. April 1826 von dem schottischen Astronomen James Dunlop entdeckte Galaxie befindet sich in einer Entfernung von etwa 12 Millionen Lichtjahren zu unserem Sonnensystem im Sternbild Zentaur (lateinischer Name „Centaurus“). Mit einer Winkelausdehnung von 25,7 x 20,0 Bogenminuten und einer scheinbaren Helligkeit von 6,6 mag kann sie bereits mit kleineren Teleskopen auch von Amateurastronomen erfolgreich beobachtet werden. Sie ist im Bereich des sichtbaren Lichts die zweithellste Galaxie außerhalb der Lokalen Gruppe und zugleich die fünfthellste Galaxie am Nachthimmel.

Für die professionellen Astronomen ist Centaurus A besonders deshalb von Interesse, da es sich bei dieser Galaxie um die nächstgelegene Radiogalaxie und zugleich um die dritthellste Radioquelle am Himmel handelt. Die von Centaurus A ausgehende Radiostrahlung konnte bereits in den 1950er Jahren nachgewiesen werden. Die Astronomen gehen davon aus, dass die Radiostrahlung von einem im Zentrum der Galaxie gelegenen supermassereichen Schwarzen Loch verursacht wird, welches über eine Masse von mehr als 100 Millionen Sonnenmassen verfügt. Zusätzlich ist Centaurus A eine starke Quelle von Röntgen- und Gammastrahlung (Raumfahrer.net berichtete). Zudem ist Centaurus A von mehr als 2.000 Kugelsternhaufen umgeben, von denen viele heller und somit auch massereicher sind als die entsprechenden Sternhaufen im Bereich der Milchstrasse.

Die Kugelsternhaufen der Galaxie Centaurus A
Anhand einer stichprobenartigen Analyse von 125 der Kugelsternhaufen um Centaurus A führte ein von Matthew A. Taylor – Doktorand an der Pontificia Universidad Catolica de Chile in Santiago und Empfänger eines ESO-Stipendiums – geleitetes Astronomenteam jetzt die bisher genaueste Untersuchung von Kugelsternhaufen durch, welche nicht der Lokalen Gruppe angehören. Hierfür verwendeten die Wissenschaftler den FLAMES-Spektrografen des Very Large Telescope (kurz „VLT“) am Pananal-Observatorium der Europäischen Südsternwarte (ESO) in den nordchilenischen Anden.

Die FLAMES-Daten lieferten den beteiligten Astronomen Informationen über die Bewegungen von einzelnen Sternen innerhalb der jeweiligen Haufens. Diese Bewegungen hängen von der Stärke des Gravitationsfeldes im Inneren eines Kugelsternhaufen ab und können deshalb dazu genutzt werden, um die Gesamtmasse eines Haufens abzuschätzen. Anschließend wurden diese Ergebnisse mit der Helligkeit, mit der jeder einzelne Haufen leuchtet, verglichen. Bei dem Großteil der so analysierten Kugelsternhaufen gelangten die Astronomen zu keinen überraschenden Ergebnissen. Wie erwartet verfügten die helleren Sternhaufen von Centaurus A auch über eine größere Masse, denn je mehr Sterne ein Haufen enthält, desto größer ist auch dessen Gesamthelligkeit und -masse.

Bei einigen dieser Kugelsternhaufen zeigte sich allerdings ein seltsames Phänomen. Sie waren um ein Vielfaches massereicher als sie es entsprechend ihrer Helligkeit eigentlich hätten sein dürfen. Das Mysteriöse dabei: Je massereicher diese ungewöhnlichen ‚dunklen Haufen‘ waren, desto größer ist zudem der dortige Anteil an nicht sichtbarer Materie. Es muss in diesen Haufen also eine signifikante Komponente an nicht sichtbarem Material existieren. Worum könnte es sich dabei jedoch handeln? Derzeit gibt es dazu zwei Lösungsansätze, welche allerdings nicht wirklich befriedigend ausfallen.

Schwarze Löcher?
Eventuell enthalten die ‚dunklen‘ Kugelsternhaufen in ihren Zentren Schwarze Löcher oder andere, nicht sichtbare Überreste von bereits erloschenen Sternen. Dies könnte zwar zumindestens einen Teil der ‚versteckten Masse‘ erklären, reicht aber nicht aus, um die ungewöhnlich hohe Masse der Sternhaufen vollständig abzudecken, so die beteiligten Wissenschaftler.

Dunkle Materie?
Ein anderer Erklärungsansatz geht davon aus, dass sich im Bereich der Kugelsternhaufen ein höherer Anteil an Dunkler Materie befinden könnte. Dies würde die Beobachtungsresultate zwar erklären, würde aber gleichzeitig den bislang akzeptierten Theorien widersprechen, welche besagen, dass Kugelsternhaufen eigentlich keine größeren Mengen an Dunkler Materie beherbergen sollten.

„Unsere Entdeckungen von Sternhaufen, die verglichen mit ihrer darin enthaltenen Anzahl an Sternen eine unerwartet hohe Masse haben, deuten darauf hin, dass es verschiedene Arten von Sternhaufen gibt, die sich in ihrer Entstehungsgeschichte unterscheiden. Auf den ersten Blick erscheinen manche Sternhaufen wie 08/15-Haufen, aber im wahrsten Sinne des Wortes könnte mehr in ihnen stecken“, so Thomas H. Puzia von der Pontificia Universidad Catolica de Chile, einer der an der Untersuchung beteiligten Astronomen.

„Kugelsternhaufen und die darin enthaltenen Sterne sind der Schlüssel zum Verständnis von Entstehung und Entwicklung von Galaxien. Über Jahrzehnte hinweg dachten Astronomen, dass all die Sterne in einem Kugelsternhaufen dasselbe Alter und dieselbe chemische Zusammensetzung haben – aber wir wissen jetzt, dass es auch merkwürdigere und kompliziertere Kreaturen unter ihnen gibt. Das zeigt, dass wir noch viel über die verschiedenen Aspekte der Entstehung von Kugelsternhaufen lernen können. Das ist ein wichtiges Ergebnis und wir müssen nun weitere dunkle Haufen um andere Galaxien aufspüren“, so Matthew A. Taylor.

Bis auf weiteres bleibt die Natur der ‚dunklen Kugelsternhaufen‘ in der Umgebung der Galaxie Centaurus A somit ein Rätsel. Allerdings hat das Team um Matthew A. Taylor mittlerweile damit begonnen, im Rahmen einer weiteren Studie auch die Kugelsternhaufen von anderen Galaxien zu analysieren. Dabei deuten verschiedene der bisher gewonnenen Messergebnisse darauf hin, dass solche dunklen Haufen offenbar auch an anderen Orten des Universums vorhanden sind.

Die hier kurz vorgestellten Forschungsergebnisse werden von Matthew A. Taylor et al. unter dem Titel „Observational evidence for a dark side to NGC 5128’s globular cluster system“ in der Fachzeitschrift The Astrophysical Journal veröffentlicht.

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• Kugelsternhaufen

Fachartikel von Matthew A. Taylor et al.:

• Observational evidence for a dark side to NGC 5128’s globular cluster system (Volltext, engl.)

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

Bei der Galaxie Centaurus A, auch bekannt unter der Bezeichnung NGC 5128, handelt es sich um eine elliptische Galaxie, in deren Zentrum sich ein supermassereiches Schwarzes Loch befindet. Die am 29. April 1826 von dem schottischen Astronomen James Dunlop entdeckte Galaxie befindet sich in einer Entfernung von etwa 12 Millionen Lichtjahren zu unserem Sonnensystem im Sternbild Zentaur (lateinischer Name Centaurus). Mit einer Winkelausdehnung von 25,7 x 20,0 Bogenminuten und einer scheinbaren Helligkeit von 6,6 mag gehört sie zu den hellsten Galaxien am Nachthimmel und kann bereits mit kleineren Teleskopen auch von Amateurastronomen erfolgreich beobachtet werden.

Für die professionellen Astronomen ist Centaurus A besonders deshalb von Interesse, da es sich bei dieser Galaxie um die nächstgelegene Radiogalaxie und zugleich um die dritthellste Radioquelle am Himmel handelt. Die von Centaurus A ausgehende Radiostrahlung konnte bereits in den 1950er Jahren nachgewiesen werden. Die Astronomen gehen davon aus, dass die Radiostrahlung von einem im Zentrum der Galaxie gelegenen supermassereichen Schwarzen Loch verursacht wird, welches über mehr als 100 Millionen Sonnenmassen verfügt. Zusätzlich ist Centaurus A eine starke Quelle von Röntgen- und Gammastrahlung.

Centaurus A wurde in den letzten Jahrzehnten von den Astronomen in diversen Wellenlängenbereichen – von Radiowellen bis hin zur Gammastrahlung – detailliert untersucht. Um die Wechselwirkung der energiereichen Strahlung aus dem zentralen supermassereichen Schwarzen Loch mit der direkten Umgebung des Schwarzen Loches besser zu verstehen, sind speziell die Radio- und Röntgenstrahlung von besonderem Interesse. Aber auch durch Untersuchungen im sichtbaren und infraroten Wellenlängenbereich des Lichts gewinnen die Astronomen neue Erkenntnisse über den Aufbau der Galaxie.

Die bereits am vergangenen Mittwoch von der Europäischen Südsternwarte (ESO) veröffentlichte Aufnahme von Centaurus A wurde mit dem Wide Field Imager (WFI) am MPG/ESO-2,2-Meter-Teleskop auf La Silla/Chile erstellt. Das Bild wurde aus einem Satz von WFI-Aufnahmen mit langer Belichtungszeit durch Rot-, Grün- und Blaufilter erstellt und durch Aufnahmen mit verschiedenen Spezialfiltern ergänzt, welche lediglich für das Licht leuchtenden Wasserstoffs und ionisierten Sauerstoffs durchlässig sind. Die Gesamtbelichtungszeit der verschiedenen Aufnahmen lag bei mehr als 50 Stunden. Dabei gelang es den Astronomen der ESO auch im sichtbaren Lichtbereich, jene jetartigen Strukturen in der Umgebung von Centaurus A deutlich abzubilden, welche in einer früheren Aufnahme des Wide Field Imager nur andeutungsweise auszumachen waren.

Auf der Aufnahme ist die elliptische Grundstruktur der Galaxie anhand ihres langgestreckten, lichtschwachen Außenbereichs erkennbar. Das Leuchten, welches weite Teiles des Blickfeldes ausfüllt, stammt von den mehreren Hundert Milliarden Sternen, aus denen sich Centaurus A zusammensetzt.

Im Gegensatz zu den meisten elliptischen Galaxien wird das optische Erscheinungsbild von Centaurus A allerdings durch ein breites, verschlissenes Band aus dunklem Material gestört, welches den Kernbereich der Galaxie verdeckt. Dieses dunkle Band enthält große Mengen an Gas, Staub und noch relativ jungen Sternen. An seinem oberen rechten und unteren linken Rand verraten zudem verschiedene helle und noch sehr junge Sternhaufen ihre Anwesenheit durch das rötliche Leuchten von Wolken aus interstellarem Wasserstoffgas, in deren Innerem sich weitere Sterne bilden. Einzelne Staubwolken heben sich dabei als dunkle Silhouetten vor dem Sternhintergrund ab.

In Kombination mit der starken von der Galaxie ausgehenden Radiostrahlung werden diese verschiedenen Strukturen als sichere Anzeichen dafür interpretiert, dass Centaurus A das Endresultat der Verschmelzung zweier ursprünglich unabhängig voneinander existierender Galaxien darstellt. Das Staubband stellt vermutlich die letzten Überreste einer Spiralgalaxie dar, welche einstmals einer massereicheren elliptischen Galaxie begegnete und dabei durch die Schwerkraft der größeren Galaxie vollständig zerrissen wurde.

Bei den rötlichen Strukturen oberhalb der linken Seite des Staubbandes (zu erkennen in der vergrößerten Darstellung des nebenstehenden Bildes) handelt es sich dagegen um Sternentstehungsgebiete, welche eine Vielzahl heißer und relativ junger Sterne enthalten. Die inneren Filamente weisen eine Entfernung von etwa 30.000 Lichtjahren zum Zentrum der Galaxie auf. Die äußeren Filamente liegen dagegen weiter außen und sind rund 65.000 Lichtjahre vom Kern entfernt.

Neben dem ästhetischen Wert dieser Aufnahme wurde mit der Erstellung der dafür verwendeten Einzelaufnahmen jedoch auch ein praktischer Zweck erfüllt. Anhand der Bilder, so die ursprüngliche Zielsetzung der beteiligten Astronomen, sollte überprüft werden, ob es möglich ist, im Rahmen von Himmelsdurchmusterungen mit bodengebundenen Teleskopen in weit entfernten Galaxien Veränderliche Sterne zu entdecken und diese zu überwachen. Im Fall von Centaurus A waren diese Bemühungen erfolgreich. Die Astronomen entdeckten auf den Bildern 200 bisher nicht bekannte Veränderliche Sterne. Diese Entdeckung wurde bereits im Jahr 2008 in der Fachzeitschrift „Astronomy & Astrophysics“ publiziert.

Das MPG/ESO-2,2-Meter-Teleskop wurde im Jahr 1984 in Betrieb genommen und ist eine Leihgabe der Max-Planck-Gesellschaft an die ESO. Sein Wide Field Imager, eine astronomische Kamera mit einem besonders großen Blickfeld und einem Detektor mit 67 Millionen Pixeln, liefert Aufnahmen, welche nicht nur von hohem wissenschaftlichen, sondern auch von besonderem ästhetischem Wert sind. Verschiedene höhere Auflösungen (bis zu 165,5 MB) des veröffentlichten Bildes finden Sie auf der entsprechenden Internetseite der Europäischen Südsternwarte.

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• Ground-based variability surveys towards Centaurus A: worthwhile or not? (engl.)

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