Quelle: MPE 26. Oktober 2023.

26. Oktober 2023 – Die Masse des Schwarzen Lochs stimmt perfekt mit der Messung überein, die 2020 mit dem Physik-Nobelpreis geehrt und die seitdem immer weiter verfeinert wurde. Die Schlussfolgerung: Die 4,3 Millionen Sonnenmassen befinden sich innerhalb eines Raums, der in die Venusbahn passen würde. Eine wahrlich abenteuerliche Massenkonzentration!

Im Zentrum unserer Milchstraße befindet sich ein Schwarzes Loch mit einer Masse von 4,3 Millionen Sonnenmassen – das haben mehrere Teams in den vergangenen vier Jahrzehnten zweifelsfrei nachgewiesen. Im Jahr 2020 wurde diese Erkenntnis sogar mit dem Nobelpreis für Physik für MPE-Direktor Reinhard Genzel gewürdigt. Seitdem konzentriert sich die Forschung darauf, das galaktische Zentrum als Labor zu nutzen, um die Allgemeine Relativitätstheorie in dem sehr starken Gravitationsfeld in der Nähe dieses Schwarzen Lochs zu testen und seine Eigenschaften mit hoher Präzision zu bestimmen.

Das Team am MPE nutzte nun GRAVITY, das Nahinfrarot-Interferometer am Very Large Telescope Interferometer (VLTI) der ESO, um die Emission in der Region um das Schwarze Loch genau zu beobachten und nach extrem hellen Ereignissen zu suchen: „Flares“ (englisch für „Aufleuchten“). Solche Flares treten ein- bis zweimal pro Tag auf und leuchten dabei so hell, dass man die Bewegung des umgebenden Gases verfolgen kann. Das Team analysierte Flares, die in den Jahren 2018, 2021 und 2022 beobachtet wurden und für die GRAVITY gleichzeitig Messungen der Position und der Polarisation lieferte.

Dieser kombinierte Datensatz ermöglichte es dem Team, die Masse des Schwarzen Lochs mit hoher Genauigkeit auf 4,297 Millionen Sonnenmassen zu bestimmen, eine starke und unabhängige Bestätigung früherer Messungen. Die neuen Daten zeigen auch, dass diese Masse innerhalb des Radius der Flares von etwa neun Gravitationsradien eingeschlossen sein muss, was kleiner ist als der Umlaufradius des Planeten Venus um die Sonne.

„Die Masse, die wir jetzt aus den Flares bei wenigen Gravitationsradien abgeleitet haben, ist kompatibel mit dem Wert, der aus den Bahnen von Sternen bei mehreren tausend Gravitationsradien gemessen wurde“, führt Diogo Ribeiro aus, der am MPE für die theoretische Modellierung verantwortlich war. „Das spricht für ein einziges Schwarzes Loch im Zentrum der Milchstraße.“

Aus der Bewegung dieses kreisenden Gases kann das Team auch Informationen über die Entstehungsgeschichte der Strukturen im galaktischen Zentrum ableiten. Die Ausrichtung der Bahnen der Flares ist ählich der Ausrichtung einer stellaren Scheibe, die in einem Abstand von 100.000 Gravitationsradien beobachtet wurde; dies lässt auf einen physikalischen Zusammenhang schließen. „Es ist großartig zu sehen, wie sich das Verhalten der Flares wiederholt und ähnelt“, betont Antonia Drescher, die die polarimetrischen Messungen auswertete. „Alle zeigen eine Bewegung im Uhrzeigersinn, alle haben einen ähnlichen Radius und eine ähnliche Umlaufzeit. Das ist wirklich schön zu sehen.“

Starke Winde von den weiter entfernten Sternen treiben wahrscheinlich den Akkretionsstrom des Gases an, der den anfänglichen Drehimpuls auf Skalen in der Nähe des Ereignishorizonts herunterträgt. „Die Menge an Informationen aus der Polarisation war extrem ergiebig und wir lernen aus dem gemeinsamen Datensatz viel über die Physik in der Region des Galaktischen Zentrums“, fügt Ribeiro hinzu. Die Dynamik der Flares könnte sogar Informationen über den Spin des Schwarzen Lochs enthalten – eine bis heute offene Frage.

Originalveröffentlichung:
Polarimetry and astrometry of NIR flares as event horizon scale, dynamical probes for the mass of Sgr A*
GRAVITY Collaboration
A&A 677, L10 (2023)
doi.org/10.1051/0004-6361/202347416
https://www.aanda.org/articles/aa/full_html/2023/09/aa47416-23/aa47416-23.html
pdf: https://www.aanda.org/articles/aa/pdf/2023/09/aa47416-23.pdf

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• Schwarze Löcher

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Quelle: ESA 12. Januar 2023.

12. Januar 2023 – Zwei Astronomenteams haben mit dem ESA-Weltraumteleskop XMM-Newton wiederholte Lichtausbrüche von inaktiven Schwarzen Löchern beobachtet, die immer wieder Sterne teilweise zerstören. Diese Entdeckung ist überraschend, da Ausbrüche von Schwarzen Löchern normalerweise nur einmal auftreten, wenn ein Schwarzes Loch einen Stern verschlingt.

Supermassive Schwarze Löcher befinden sich in den Zentren der meisten Galaxien. Ihre Masse reicht vom Hunderttausend- bis zum Milliardenfachen der Masse unserer Sonne. Trotzdem sind Schwarze Löcher schwer zu untersuchen und bleiben geheimnisvoll, da sie Licht einfangen und nur schwer zu entdecken sind.

Ein verstecktes supermassereiches Schwarzes Loch kann aufgedeckt werden, wenn ein Stern auf seiner Umlaufbahn zu nahe an das Schwarze Loch herankommt. Der Stern wird durch starke Gezeitenkräfte auseinandergerissen und bildet eine Scheibe aus Sterntrümmern, von der sich das Schwarze Loch ernährt. Während dieses Vorgangs, der als Tidal Disruption Event (TDE, Gezeitenstörungsereignis) bezeichnet wird, können energiereiche Röntgen-, UV-, optische und Radiostrahlung nachgewiesen werden.

Nicht komplett zerstört
Typische Gezeitenstörungsereignisse zeichnen sich durch einen hellen Lichtausbruch aus, der als „Flare“ bezeichnet wird. Er dauert einige Monate an, während derer das Schwarze Loch den Stern verschlingt. Mit XMM-Newton wurden jedoch zwei neue Flares mit eigenartigem Verhalten beobachtet. Diese Flares leuchten nach dem ersten Ausbruch wiederholt hell im Röntgen- und UV-Licht, was darauf hindeutet, dass die Sterne bei der ersten Begegnung mit den Schwarzen Löchern nicht vollständig zerstört wurden.

Die von den Astronomen Thomas Wevers von der Europäischen Südsternwarte und Zhu Liu vom Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik geleiteten Studien zeigen, dass ein Teil der Sterne den ersten Angriff der schwarzen Löcher überlebt haben könnte. Die Röntgen- und UV-Daten deuten darauf hin, dass Teile der Sterne nicht vollständig verschlungen werden. Sie setzen ihre Umlaufbahn fort und treffen erneut auf das zerstörerische Schwarze Loch, was zu wiederkehrenden Flares führt. Diese Aktivität wird als partielles Gezeitenstörungsereignis bezeichnet.

Die Forschenden fanden wiederholte Flares in zwei verschiedenen Galaxien, die supermassive schwarze Löcher beherbergen. Diese Galaxien liegen weit außerhalb der Milchstraße in Entfernungen von fast 900 Millionen Lichtjahren und einer Milliarde Lichtjahren.

Eines der erneuten Helligkeitsereignisse mit der Bezeichnung eRASSt J045650.3-203750 wurde vom Röntgenteleskop eROSITA an Bord der Mission Spectrum-Roentgen-Gamma entdeckt. XMM-Newton-Beobachtungen in den Jahren 2021 und 2022, die von einem Team unter der Leitung von Zhu Liu durchgeführt wurden, ergaben, dass auf den ursprünglichen Flare wiederholte Ausbrüche etwa alle 223 Tage folgten.

Zhu Liu erklärt: „Die Ergebnisse unserer ersten XMM-Newton-Beobachtung waren überraschend. Das Schwarze Loch zeigte eine ungewöhnlich starke Abschwächung des Röntgenlichts im Vergleich zu dem Zeitpunkt, als es zwei Wochen zuvor vom eROSITA-Teleskop entdeckt worden war. Nachfolgende Beobachtungen mit XMM-Newton und anderen Instrumenten bestätigten unsere Vermutungen, dass dieses Verhalten durch ein partielles Gezeitenstörungsereignis verursacht wurde.“

Das andere Gezeitenstörungsereignis mit der Bezeichnung AT2018fyk wurde vom All-Sky Automated Survey for Supernovae-Projekt entdeckt. Sie leuchtete mindestens 500 Tage lang hell im UV- und Röntgenbereich, gefolgt von einer plötzlichen Abschwächung. Im Mai 2022 untersuchten Thomas Wevers und sein Team mit XMM-Newton einen starken Anstieg der Röntgen- und UV-Helligkeit 1200 Tage nach seinem ersten Auftreten.

Zurück auf Start
„Zunächst waren wir völlig verunsichert, was die Aufhellung bedeuten könnte. Wir mussten praktisch nochmal von vorn anfangen, um alle möglichen Erklärungen für das beobachtete Verhalten zu prüfen. Es war ein sehr aufregender Moment, als wir erkannten, dass das Modell eines sich wiederholenden Gezeitenstörungsereignisses die beobachteten Daten reproduzieren konnte“, fügt Wever hinzu.

Insgesamt wurden über fünf Tage lang Beobachtungen mit XMM-Newton durchgeführt, um die Veränderung des Röntgenlichts dieser Quellen zu verfolgen. Die extrem empfindliche European Photon Imaging Camera an Bord von XMM-Newton half dabei, das heiße Material, das die Schwarzen Löcher umgibt, im Detail zu untersuchen.

William Alston, ESA Research Fellow, erläutert die Bedeutung der Ergebnisse: „Diese neuen Beobachtungen sind unglaublich interessant für die Untersuchung des Einflusses supermassereicher Schwarzer Löcher. Bei typischen Gezeitenstörungsereignissen erwarten wir erst in einigen tausend Jahren einen zweiten Flare. Da sich die Flares so schnell wiederholen, muss die Umlaufbahn des zerstörten Sterns eng an das supermassereiche Schwarze Loch gebunden gewesen sein. Diese neuen Studien deuten darauf hin, dass der zerstörte Stern in eine enge Umlaufbahn gezogen wird, nachdem er durch das zentrale supermassereiche Schwarze Loch aus einem Doppelsternsystem herausgerissen wurde.“

Die Teams, die die neue Entdeckung gemacht haben, sind weltweit verteilt – neben XMM-Newton und eROSITA sind an den Studien auch andere Missionen beteiligt, darunter das Neil Gehrels Swift Observatory der NASA, das Australia Telescope Compact Array (ATCA) und die Nutzlast der Neutron Star Interior Composition Explorer Mission auf der Internationalen Raumstation. Die Zusammenarbeit ermöglichte es, diese beispiellosen kosmischen Ereignisse zu beobachten, zu modellieren und bis ins kleinste Detail zu verstehen.

Gewöhnlich dunkel und ruhig
Einige Galaxien sind ständig aktiv und stoßen Flares aus, da das supermassive Schwarze Loch ständig gasförmige Materie in seine Umlaufbahn zieht. Die beiden neuen von XMM-Newton beobachteten Ereignisse stammen jedoch von Schwarzen Löchern, die normalerweise dunkel und ruhig sind, bis sich ein Stern nähert. Es ist das erste Mal, dass mit diesen beiden Ereignissen wiederholte Lichtausbrüche aus inaktiven Galaxien nachgewiesen werden konnten. Die Ergebnisse der Studien werden in zwei Artikeln in Astronomy & Astrophysics und The Astrophysical Journal Letters veröffentlicht.

Seit ihrer Entdeckung in den 1990er Jahren wurden fast 100 Ereignisse von Gezeitenstörungen beobachtet. Die XMM-Newton-Beobachtungen von Gezeitenstörungsereignissen sind entscheidend, um mehr über die ansonsten schwer zu beobachtenden supermassereichen Schwarzen Löcher zu erfahren, die im Zentrum großer Galaxien wie der unseren liegen.

Beide partiellen Gezeitenstörungsereignissen werden während der vorhergesagten Zeiträume künftiger Aufhellungsepisoden genau beobachtet, um die Ergebnisse zu bestätigen und weitere Erkenntnisse zu gewinnen. Es kann sein, dass die Beobachter mit Stille konfrontiert werden, was darauf hindeutet, dass der Stern in der vorangegangenen Episode mit Flares völlig verschluckt wurde. Diesen Ereignissen stehen turbulente Zeiten bevor – und die Jagd nach ähnlichen partiellen Gezeitenstörungsereignissen beginnt.

Publikationen:
‚Live to die another day: the rebrightening of AT2018fyk as a repeating partial tidal disruption event‘ von T. Wevers et al. wird in The Astrophysical Journal Letters veröffentlicht. Vorabdruck: https://arxiv.org/abs/2209.07538

‘Deciphering the extreme X-ray variability of the nuclear transient eRASSt J045650.3−203750 : A likely repeating partial tidal disruption event’ von Z. Liu et al. wurde zur Veröffentlichung in Astronomy & Astrophysics angenommen: https://www.aanda.org/articles/aa/full_html/2023/01/aa44805-22/aa44805-22.html

Die Ergebnisse des Teams wurden auf einer Pressekonferenz der Amerikanischen Astronomischen Gesellschaft (AAS) am Donnerstag, den 12. Januar 2023, vorgestellt.

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• Schwarze Löcher

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Quelle: ESON 22. September 2022.

22. September 2022 – Mit Hilfe des Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array (ALMA) haben Astronomen Anzeichen für einen „heißen Fleck“ entdeckt, der Sagittarius A*, das schwarze Loch im Zentrum unserer Galaxie, umkreist. Diese Entdeckung hilft uns, die komplexe und dynamische Umgebung unseres supermassereichen schwarzen Lochs besser zu verstehen.

„Wir vermuten, dass wir es mit einer heißen Gasblase zu tun haben, die Sagittarius A* auf einer Bahn umkreist, die ähnlich groß ist wie die des Planeten Merkur, aber in nur etwa 70 Minuten eine volle Umkreisung vollzieht. Dies erfordert eine unglaubliche Geschwindigkeit von etwa 30 % der Lichtgeschwindigkeit“, sagt Maciek Wielgus vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn, der die heute in Astronomy & Astrophysics veröffentlichte Studie leitete.

Die Beobachtungen wurden mit ALMA in den chilenischen Anden gemacht – einem Radioteleskop, das von der Europäischen Südsternwarte (ESO) mitgetragen wird – während einer Kampagne der Event Horizon Telescope (EHT) Collaboration zur Abbildung schwarzer Löcher. Im April 2017 kombinierte das EHT acht bestehende Radioteleskope auf der ganzen Welt, darunter ALMA, was zu dem kürzlich veröffentlichten ersten Bild von Sagittarius A* führte. Für die Kalibrierung der EHT-Daten verwendeten Wielgus und seine Arbeitsgruppe, die Mitglieder der EHT-Kollaboration sind, ALMA-Daten, die gleichzeitig mit den EHT-Beobachtungen von Sagittarius A* aufgezeichnet wurden. Zur Überraschung des Teams fanden sich in den ALMA-Messungen weitere Hinweise auf die Natur des schwarzen Lochs.

Einige der Beobachtungen wurden zufällig kurz nach einem Ausbruch oder einem Flare von Röntgenenergie aus dem Zentrum unserer Galaxie durchgeführt, der vom NASA-Weltraumteleskop Chandra entdeckt wurde. Diese Art von Ausbrüchen, die zuvor mit Röntgen- und Infrarotteleskopen beobachtet wurden, stehen vermutlich mit so genannten „Hot Spots“ in Verbindung, heißen Gasblasen, die sehr schnell und nahe am schwarzen Loch kreisen.

„Das wirklich Neue und Interessante ist, dass solche Flares bisher nur in Röntgen- und Infrarotbeobachtungen von Sagittarius A* deutlich zu sehen waren. Hier sehen wir zum ersten Mal einen sehr starken Hinweis darauf, dass umlaufende Hot Spots auch in Radiobeobachtungen vorhanden sind“, sagt Wielgus, der am Nicolaus Copernicus Astronomical Centre, Polen und in der Black Hole Initiative der Harvard University, USA, tätig ist.

„Vielleicht sind diese bei Infrarotwellenlängen entdeckten Hot Spots eine Erscheinung desselben physikalischen Phänomens: Wenn sich die im Infraroten strahlenden Hot Spots abkühlen, werden sie bei längeren Wellenlängen sichtbar, wie die, die von ALMA und dem EHT beobachtet werden“, fügt Jesse Vos, Doktorand an der Radboud-Universität in den Niederlanden, hinzu, der ebenfalls an dieser Studie beteiligt war.

Lange Zeit ging man davon aus, dass die Flares durch magnetische Wechselwirkungen in dem sehr heißen Gas entstehen, das in unmittelbarer Nähe von Sagittarius A* kreist. Die neuen Ergebnisse stützen diese Idee. „Jetzt finden wir starke Hinweise auf einen magnetischen Ursprung dieser Flares, und unsere Beobachtungen geben uns einen Hinweis auf die Geometrie des Prozesses. Die neuen Daten sind äußerst hilfreich für die Formulierung einer theoretischen Interpretation dieser Ereignisse“, sagt Mitautorin Monika Mościbrodzka von der Radboud Universität.

ALMA ermöglicht es den Astronomen und Astronominnen, die polarisierte Radioemission von Sagittarius A* zu untersuchen, die dazu verwendet werden kann, das Magnetfeld des schwarzen Lochs zu identifizieren. Das Team nutzte diese Beobachtungen zusammen mit theoretischen Modellen, um mehr über die Entstehung des Hot Spots und die Umgebung, in die er eingebettet ist, zu erfahren, einschließlich des Magnetfelds um Sagittarius A*. Ihre Untersuchungen liefern stärkere Anhaltspunkte für die Form dieses Magnetfelds als frühere Beobachtungen und helfen den Forschenden, die Natur unseres schwarzen Lochs und seiner Umgebung zu entschlüsseln.

Die Beobachtungen bestätigen einige der früheren Entdeckungen, die mit dem GRAVITY-Instrument am Very Large Telescope (VLT) der ESO gemacht wurden, das im Infraroten beobachtet. Die Daten von GRAVITY und ALMA deuten beide darauf hin, dass der Flare in einem Gasklumpen entsteht, der mit etwa 30 % der Lichtgeschwindigkeit im Uhrzeigersinn um das schwarze Loch herumwirbelt, wobei dessen Umlaufbahn nahezu von oben erscheint.

„In Zukunft sollten wir in der Lage sein, Hot Spots durch koordinierte Multiwellenlängenbeobachtungen mit GRAVITY und ALMA über mehrere Spektalbereiche hinweg zu verfolgen – der Erfolg eines solchen Unterfangens wäre ein echter Meilenstein für unser Verständnis der Physik von Flares im galaktischen Zentrum“, sagt Ivan Marti-Vidal von der Universität Valencia in Spanien, Mitautor der Studie.

Das Team hofft auch, mit dem EHT die umlaufenden Gasklumpen direkt beobachten zu können, um immer näher an das schwarze Loch heranzukommen und mehr darüber zu erfahren. „Hoffentlich können wir eines Tages sagen, dass wir wirklich verstehen, was in Sagittarius A* vor sich geht“, so Wielgus abschließend.

Forschungsartikel
https://www.eso.org/public/archives/releases/sciencepapers/eso2212/eso2212a.pdf

Weitere Informationen
Diese Studie wurde in dem Artikel „Orbital motion near Sagittarius A* – Constraints from polarimetric ALMA observations“ veröffentlicht, der in Astronomy & Astrophysics (https://www.aanda.org/articles/aa/full_html/2022/09/aa44493-22/aa44493-22.html) erscheint.

Das Team besteht aus M. Wielgus (Max-Planck-Institut für Radioastronomie, Deutschland [MPIfR]; Nicolaus Copernicus Astronomical Centre, Polnische Akademie der Wissenschaften, Polen; Black Hole Initiative an der Harvard University, USA [BHI]), M. Moscibrodzka (Abteilung für Astrophysik, Universität Radboud, Niederlande [Radboud]), J. Vos (Radboud), Z. Gelles (Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian, USA und BHI), I. Martí-Vidal (Universitat de València, Spanien), J. Farah (Las Cumbres Observatory, USA; University of California, Santa Barbara, USA), N. Marchili (Italian ALMA Regional Centre, INAF-Istituto di Radioastronomia, Italy and MPIfR), C. Goddi (Dipartimento di Fisica, Università degli Studi di Cagliari, Italien und Universidade de São Paulo, Brasilien), und H. Messias (Joint ALMA Observatory, Chile).

Über ALMA
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.

Uber die ESO
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 zwei Durchmusterungsteleskope, VISTA, das im Infraroten arbeitet, und das VLT Survey Telescope für sichtbares Licht. 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.

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• Sagittarius A / Milchstrassen-Zentrum

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Quelle: Max-Planck-Institut für Radioastronomie.

19. Januar 2022 – Ein internationales Forscherteam, zu dem auch mehrere Wissenschaftler des Bonner Max-Planck-Instituts für Radioastronomie gehören, hat die aktive Galaxie OJ 287 mit einer Winkelauflösung von 12 Mikrobogensekunden im Radiobereich kartiert. Das ist derzeit die höchste Auflösung, die mit astronomischen Beobachtungen erreicht werden kann. Ermöglicht wurde dies durch die Technik der Interferometrie mit sehr langen Basislinien (Very Long Baseline Interferometry – VLBI). Dabei werden Signale von mehreren Radioteleskopen, die dasselbe Objekt gleichzeitig beobachten, miteinander kombiniert, um so ein virtuelles Teleskop zu schaffen, dessen effektiver Durchmesser durch den größten Abstand zwischen den beteiligten Teleskopen bestimmt wird. Durch die Kombination von zwölf über die ganze Erde verteilten Radioobservatorien und einem Radioteleskop im Weltraum, nämlich einer 10-Meter-Antenne an Bord des russischen Satelliten Spektr-R, haben die Forscher ein virtuelles Radioteleskop mit einem Durchmesser von 193.000 km realisiert. Damit erfolgte ein Blick in das Herz der Galaxie OJ 287, in dem ein Paar von supermassereichen schwarzen Löchern vermutet wird.
Die Ergebnisse werden in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift „The Astrophysical Journal“ veröffentlicht.

VLBI-Beobachtungen der Galaxie OJ 287 wurden bei vier verschiedenen Wellenlängen durchgeführt. Die Beobachtungen mit dem Weltraum-Radioteleskop Spektr-R zusammen mit weiteren erdgebundenen Teleskopen im Rahmen des RadioAstron-Projekts wurden bei einer Wellenlänge von 1,3 cm durchgeführt, während zusätzliche VLBI-Beobachtungen bei Wellenlängen von 2, 0,7 und 0,3 cm nur mit erdgebundenen Teleskopen durchgeführt wurden. Die resultierenden Bilder bei 1,3 cm Wellenlänge erreichen eine rekordverdächtige Auflösung von etwa 12 Mikrobogensekunden; das entspricht der Größe einer 20-Cent-Münze auf der Oberfläche des Mondes.

Die Galaxie OJ 287 befindet sich in einer Entfernung von 5 Milliarden Lichtjahren von der Erde in Richtung des Sternbilds Krebs. Sie gehört zur Klasse der Blazar-Galaxien, gekennzeichnet durch eine starke und variable Emission aus der unmittelbaren Nähe des supermassereichen schwarzen Lochs im Zentrum der Galaxie.

Die interferometrischen Aufnahmen bei allen vier Wellenlängen zeigen durchweg mehrere Emissionsknoten in einem stark gekrümmten Plasmastrahl (Jet). Die Krümmung des Jets nimmt mit zunehmender Winkelauflösung und in Richtung des Jet-Ursprungs immer weiter zu. Das stützt die Hypothese eines präzedierenden Jets, der durch die beiden supermassereichen Schwarzen Löcher im Zentrum der Galaxie beeinflusst wird. Die Analyse der Polarisationseigenschaften der Radiostrahlung zeigt eine überwiegend toroidale Struktur des Magnetfelds. Das wiederum lässt darauf schließen, dass die innerste radiostrahlende Region von einem schraubenförmigen (helikalen) Magnetfeld durchzogen ist, in Übereinstimmung mit Modellen zur Entstehung des Jets. Die Untersuchung der spektralen Eigenschaften der Radiostrahlung zeigt, dass das Jetplasma aus Elektronen und Positronen besteht, deren kinetische Energie in etwa mit der Energie des Magnetfelds im Gleichgewicht steht. Wiederholte Injektionen von energiereicheren Teilchen in das Jet-Plasma stören dieses Gleichgewicht und lassen einige Teile des inneren Jets aufflackern.

OJ 287 ist einer der besten Kandidaten für zwei umeinander rotierende supermassereiche Schwarze Löcher in unserer kosmischen Nachbarschaft. Man nimmt an, dass sich das sekundäre Schwarze Loch in diesem System auf einer engen, elliptischen Umlaufbahn befindet, die die Akkretionsscheibe des primären Schwarzen Lochs zweimal alle zwölf Jahre durchquert, dabei starke Flares erzeugt und zur Präzession der Rotationsachse des primären Schwarzen Lochs führt.

„Eine der wichtigsten Fragen im Zusammenhang mit der Entwicklung supermassereicher Schwarzer Löcher ist zur Zeit, wie das Paar Schwarzer Löcher am Ende verschmelzen kann – das so genannte „Final Parsec Problem“. Die Theorie besagt, dass der Abstand zwischen den beiden Schwarzen Löchern aufhört zu schrumpfen, nachdem sie Sterne und Gas in der Umgebung komplett verdrängt haben. An diesem Punkt kommt die Gravitationsstrahlung ins Spiel und bewirkt, dass sich die beiden schwarzen Löcher immer weiter annähern, bis sie schließlich miteinander verschmelzen“, sagt Andrei Lobanov vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR), einer der Hauptautoren der Arbeit. Das erwartete binäre System supermassereicher schwarzer Löcher in OJ287 ist so nahe, dass es Gravitationswellen aussenden sollte, die in naher Zukunft mit Pulsar Timing Arrays nachgewiesen werden könnten.

Ein erheblicher Teil der Energie, die über die von den Schwarzen Löchern akkretierte Materie freigesetzt wird, gelangt in die bipolaren und hoch-relativistischen Plasmajets. Sie können mit VLBI-Beobachtungen im Detail untersucht werden. „Die beobachtete Feinstruktur der inneren Jet-Region eignet sich sowohl zum Test der Gültigkeit des Modells eines binären Schwarzen Lochs als auch zur Prüfung der Frage, ob die beobachtete Jet-Krümmung auch durch andere Effekte verursacht werden kann, wie z.B. spiralförmige Magnetfelder, oder die rotierende Raumzeit in der Nähe des Schwarzen Lochs“, ergänzt Thomas Krichbaum, ebenfalls vom MPIfR.

„Die Resultate haben uns geholfen, unser Wissen über die Morphologie der relativistischen Jets in der Nähe der zentralen Antriebsmaschine zu erweitern, die Rolle der Magnetfelder am Fußpunkt der Jets zu bestätigen und weitere Merkmale für die Existenz eines binären Schwarzen Lochs tief im Herzen von OJ 287 zu erkennen und zu untersuchen“, sagt Thalia Traianou, die nach ihrer Promotion am MPIfR zum Instituto de Astrofísica de Andalucía (IAA-CSIC) gewechselt ist.

„Dem Ziel, die höchsten Auflösungen in der Astronomie zu erreichen, sind wir mit der RadioAstron-Mission und mit unseren Entwicklungen von VLBI im Millimeterwellenbereich, wie dem „Global mm-VLBI Array“, einen großen Schritt näher gekommen. Unsere Pionierarbeit der letzten Jahrzehnte trägt nun Früchte, wie man bei diesen aufregenden Ergebnissen für OJ 287 sehen kann“, schließt J. Anton Zensus, Direktor am MPIfR, Mitglied des Internationalen Wissenschaftsrats von RadioAstron und ebenfalls Autor der Veröffentlichung.

Weitere Informationen
Das Weltraum-Radiointerferometer RadioAstron setzt sich zusammen aus einem 10-Meter-Radioteleskop in einer Umlaufbahn um die Erde (Spektr-R) und einer Anzahl von etwa zwei Dutzend der weltweit größten bodengestützten Radioteleskope. Wenn die Signale der einzelnen Teleskope unter Verwendung der Interferenz von Radiowellen kombiniert werden, ergibt eine solche Anordnung von Teleskopen eine Winkelauflösung, die einem Radioteleskop mit einem Durchmesser von bis zu 350.000 km entspricht – das entspricht ungefähr der Entfernung zwischen Erde und Mond. Damit liefert RadioAstron die bisher höchste Winkelauflösung in der Geschichte der Astronomie. Das Projekt RadioAstron, das im Zeitraum von Juli 2011 bis Mai 2019 aktiv war, wurde vom Astro Space Center des Physikalischen Instituts Lebedew der Russischen Akademie der Wissenschaften und der Lavochkin Scientific and Production Association im Rahmen eines Vertrags mit der staatlichen Raumfahrtkorporation ROSCOSMOS in Zusammenarbeit mit Partnerorganisationen in Russland und anderen Ländern geleitet.

Das „Global mm-VLBI Array“ (GMVA) ist ein internationales Netzwerk von Radio-Observatorien zur Durchführung von astronomischen VLBI-Beobachtungen bei Millimeter-Wellenlängen, die für die wissenschaftliche Gemeinschaft frei zugänglich sind. Das GMVA führt regelmäßig und koordiniert zweimal pro Jahr globale VLBI-Beobachtungen im 3 mm/7 mm-Band durch. Durch die Einbeziehung der größten Teleskope, die in diesen Bändern arbeiten, wird die Empfindlichkeit und Bildqualität optimiert. Das GMVA wurde durch das Forschungs- und Innovationsprogramm Horizont 2020 der Europäischen Union unter der Fördernummer 730562 unterstützt.

Die bereits sehr hohe Winkelauflösung erdgebundener VLBI-Beobachtungen im cm-Bereich kann auf zwei Arten noch weiter erhöht werden: entweder durch die Verwendung längerer Basislinien oder durch Beobachtung bei kürzeren Wellenlängen. Der erste Ansatz führt zu „Weltraum-VLBI“ (VLBI mit einer oder mehreren Radioantennen auf einer Umlaufbahn um die Erde), der zweite Ansatz zu „Millimeter-VLBI“ (mm-VLBI). In der ferneren Zukunft könnten beide Techniken miteinander kombiniert werden. Dies wird zu Weltraum-VLBI bei Millimeter-Wellenlängen („mm-Weltraum-VLBI“) führen. Sowohl die RadioAstron- als auch die GMVA-Daten wurden am VLBI-Korrelatorzentrum des MPIfR in Bonn verarbeitet.

Folgende Mitarbeiter der hier vorgestellten Veröffentlichung sind mit dem MPIfR affiliiert (in der Reihenfolge ihres Auftretens in der Autorenliste): Efthalia (Thalia) Traianou, Thomas P. Krichbaum, Andrei P. Lobanov, Yuri Y. Kovalev, Mikhail M. Lisakov, Rocco Lico, Uwe Bach, Carolina Casadio, Eduardo Ros, Tuomas Savolainen, und J. Anton Zensus.

Yuri Y. Kovalev ist Träger des Friedrich-Wilhelm-Bessel-Forschungspreises der Alexander-von-Humboldt-Stiftung, in dessen Rahmen Teile der Arbeit am MPIfR durchgeführt wurden.

Originalveröffentlichung
Probing the Innermost Regions of AGN Jes and Their Magnetic Fields with RadioAstron. V. Space and Ground Millimeter-VLBI Imaging of OJ 287
José L. Gómez, Efthalia Traianou, Thomas P. Krichbaum, et al., The Astrophysical Journal, Vol. 924, 122 (19 January 2022). DOI: 10.3847/1538-4357/ac3bcc

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