Quelle: Max-Planck-Institut für Radioastronomie 31. Mai 2024.

31. Mai 2024 – Das Nationale Astronomische Forschungsinstitut von Thailand (NARIT) hat in Zusammenarbeit mit dem Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR) den historisch ersten Nachweis astronomischer Radiosignale mit Hilfe der Very Long Baseline Interferometry (VLBI) mit dem 40-m-Radioteleskop von Thailand (TNRT) erzielt. Das Experiment, das zusammen mit dem 100-m-Radioteleskop Effelsberg in Deutschland durchgeführt wurde, stellt das erste erfolgreiche VLBI-Experiment in Thailand dar.

Bei der Very Long Baseline Interferometry (VLBI) arbeiten mehrere Radioteleskope, die weit voneinander entfernt sind, manchmal sogar auf verschiedenen Kontinenten, zusammen, um Radiobilder höchster Auflösung zu erzeugen. VLBI ist ein äußerst anspruchsvoller Beobachtungsmodus, bei dem die von den einzelnen Teleskopen aufgezeichneten Signale genau aufeinander abgestimmt und addiert werden müssen. Auf diese Weise werden die beiden Teleskope zu einem riesigen virtuellen Teleskop mit einem Auflösungsvermögen (Fähigkeit, extrem kleine Dinge in weiter Entfernung zu sehen) kombiniert, das viele tausend Mal besser ist als das der einzelnen Teleskope.

Die erfolgreichen VLBI-Beobachtungen mit dem TNRT und den Effelsberger Radioteleskopen wurden am 16. Mai 2024, UTC 14:00-17:00 Uhr, im Frequenzbereich von 1,658-1,674 GHz durchgeführt. Der Abstand zwischen den beiden Teleskopen beträgt ca. 8.500 km. Das führt zu einer Auflösung von 4,4 Millibogensekunden, mehr als 13.000 Mal besser als die des menschlichen Auges. Wäre das menschliche Auge zu einer solchen Auflösung fähig, könnte man auf dem Mond den Mittelkreis eines Fußballfeldes sehen.

Während des Experiments beobachtete das Team vier extragalaktische Radiogalaxien und Quasare: OJ287, 3C273, M87 (Virgo A) und J2005+7752. Das sind helle astronomische Objekte für Beobachtungen in Radiowellenlängen. Die Daten wurden mit einem hochmodernen digitalen Verarbeitungs- und Aufzeichnungssystem aufgezeichnet: dem Effelsberg Direct Digitization (EDD) System, das einen Teil des vom MPIfR entwickelten Universal Software Backend (USB) darstellt. Alle Mitglieder des Teams, die diese Leistung möglich gemacht haben, sind im Abschnitt „Hintergrundinformationen“ aufgeführt.

Durch elektronische Datenübertragung vom thailändischen Nationalen Radioastronomie-Observatorium (TNRO) an das MPIfR und Signalverarbeitung, um eine Apertursynthese mit Hilfe des VLBI-Datenkorrelators am MPIfR zu erreichen, wurden schließlich bei allen beobachteten Objekten korrelierte VLBI-Radiosignale (sogenannte „Fringes“) nachgewiesen. Die nachgewiesenen Signale zeigten korrelierte Amplituden mit Signal-Rausch-Verhältnissen, die den Erwartungen für diese Quellen entsprechen.

Dr. Gundolf Wieching, Abteilungsleiter der Elektronikabteilung am MPIfR, sagt: „Es war uns eine große Freude, die erfolgreiche Reise des NARIT-Teams zu den ersten VLBI-Beobachtungen in Thailand zu begleiten. Das ist ein bedeutender Meilenstein, der durch die tolle Arbeit des NARIT-Teams möglich wurde, und zeigt das Potenzial des 40m-TNRT-Teleskops in Thailand für die zukünftige Wissenschaft.“

Dr. Koichiro Sugiyama, leitender Wissenschaftler des TNRO im NARIT, erklärt: „Es ist uns eine Ehre, diesen historischen Moment der ersten VLBI-Signaldetektion des 40-m-TNRT gemeinsam mit dem exzellenten Team des MPIfR zu begrüßen. Dies ist die Geburtsstunde der Radioastronomie mit VLBI-Technik in Thailand. Auf der Grundlage dieses schönen Erfolgs freuen wir uns darauf, die Forschungszusammenarbeit mit der weltweiten Radioastronomie-Gemeinschaft durch VLBI-Beobachtungen zu beschleunigen und zu stärken.“

Dieses erfolgreiche Experiment ist der erste wichtige Schritt zur Erweiterung der Forschungsfelder und -möglichkeiten mit dem 40-m-TNRT durch die weltweite Zusammenarbeit mit VLBI-Netzwerken wie dem europäischen VLBI-Netzwerk, dem Very Long Baseline Array, dem ostasiatischen VLBI-Netzwerk, dem Australian Long Baseline Array, dem Asia Pacific Telescope, dem Global VLBI Array und vielen anderen. Dies bildet auch eine solide Grundlage für die Errichtung eines nationalen VLBI-Arrays in Thailand, des so genannten TVA, und eines nächsten regionalen VLBI-Netzwerks in Südostasien, dem so genannten SEAVN, in Zusammenarbeit mit Indonesien, Malaysia, Vietnam usw. in naher Zukunft.

Hintergrundinformation:
Die Unterzeichnung eines „Memorandum of Understanding“ (MoU) zwischen NARIT und MPIfR fand im Jahr 2012 statt, unter anderem mit Assoc. Prof. Boonrucksar Soonthornthum, Gründungsdirektor von NARIT; Prof. Karl Menten, Geschäftsführender Direktor des MPIfR und Direktor der Forschungsabteilung Millimeter- und Submillimeterastronomie; Prof. Michael Kramer, Direktor der Forschungsabteilung Fundamental Physics in Radio Astronomy. An der „Annex Signing“-Zeremonie im Jahr 2018 nahmen Dr. Ewan Barr, Gruppenleiter Elektronik, Softwareentwicklung; Dr. Gundolf Wieching, Abteilungsleiter der Elektronikabteilung; Prof. Michael Kramer und Prof. Anton Zensus, Geschäftsführer und Direktor der Forschungsabteilung Radioastronomie/VLBI, alle vom MPIfR, sowie Dr. Saran Poshyachinda, Exekutivdirektor des NARIT; Dr. Suvit Maesincee, thailändischer Minister für Wissenschaft und Technologie; Dr. Manop Sittidech, Ministerberater (Wissenschaft und Technologie) teil.

Zu den Mitgliedern der Arbeitsgruppe, die diesen ersten VLBI-Signalnachweis erzielte, gehören Gundolf Wieching, Ewan Barr, Niclas Esser, Uwe Bach, Jan Wagner, Jason Wu, Jompoj Wongphechauxsorn (alle MPIfR) sowie Koichiro Sugiyama, Spiro Sarris, Teep Chairin Nobuyuki Sakai, Naphat Yawilerng, Nikom Prasert, Prachayapan Jiraya, Pathit Chatuphot, Haseng Sani (alle NARIT).

NARIT-Pressemitteilung
Dawn of Radio Astronomy with Very Long Baseline Interferometry in Thailand
NARIT-Pressemitteilung vom 31. Mai 2024 (in englischer Sprache)
https://www.narit.or.th/en/4305_dawn_of_radio_astronomy

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• Radioastronomie

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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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• Schwarze Löcher
• Event Horizon Telescope „EHT“

Der Beitrag Starke Magnetfelder eines supermassiven schwarzen Lochs in neuem Licht erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: ESO, 26. April 2023.

Die meisten Galaxien beherbergen ein supermassereiches schwarzes Loch in ihrem Zentrum. Schwarze Löcher sind zwar dafür bekannt, dass sie Materie in ihrer unmittelbaren Umgebung verschlingen, aber sie können auch gewaltige Materieströme ausstoßen, die über die Galaxien hinausreichen, in denen sie sich befinden. Wie Schwarze Löcher solche gewaltigen Jets erzeugen, stellt seit langem eine Herausforderung für die Astronomie dar. „Wir wissen, dass Jets aus den Regionen um schwarze Löcher herausgeschleudert werden“, sagt Ru-Sen Lu vom Shanghai Astronomical Observatory in China, „aber wir verstehen immer noch nicht ganz, wie das eigentlich geschieht. Für eine direkte Untersuchung müssen wir den Ursprung des Jets so nah wie möglich am schwarzen Loch beobachten.“

Das neue Bild, das heute veröffentlicht wurde, zeigt exakt dies zum ersten Mal: nämlich wie sich die Basis eines Jets mit der Materie verbindet, die um ein supermassereiches schwarzes Loch herumwirbelt. Das Ziel ist die Galaxie M87, die sich 55 Millionen Lichtjahre entfernt in unserer kosmischen Nachbarschaft befindet und ein schwarzes Loch beherbergt, das 6,5 Milliarden Mal massereicher ist als unsere Sonne. Bei früheren Beobachtungen war es gelungen, die Region in der Nähe des schwarzen Lochs und den Jet separat abzubilden, aber dies ist das erste Mal, dass beide Merkmale gemeinsam zu sehen waren. „Diese neue Aufnahme vervollständigt das Bild, indem sie die Region um das schwarze Loch und den Jet gleichzeitig zeigt“, fügt Jae-Young Kim vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR) in Deutschland hinzu.

Dieses Bild zeigt den Jet und den Schatten des schwarzen Lochs im Zentrum der Galaxie M87 zum ersten Mal gleichzeitig. Die Beobachtungen wurden mit Teleskopen des Global Millimeter VLBI Array (GMVA), des Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), an dem die ESO beteiligt ist, und des Grönland-Teleskops gemacht. Dieses Bild gibt den Wissenschaftlern den nötigen Rahmen, um zu verstehen, wie sich der mächtige Jet bildet. Die neuen Beobachtungen haben auch gezeigt, dass der Ring des schwarzen Lochs, der hier im Bildausschnitt zu sehen ist, 50 % größer ist als der Ring, der bei kürzeren Radiowellenlängen vom Event Horizon Telescope (EHT) beobachtet wurde. Dies deutet darauf hin, dass wir auf dem neuen Bild mehr von dem Material sehen, das auf das schwarze Loch zufällt, als wir mit dem EHT sehen konnten.

Das Bild wurde mit dem GMVA, ALMA und dem GLT aufgenommen, die ein Netzwerk von Radioteleskopen rund um den Globus bilden, das wie ein virtuelles Teleskop von der Größe der Erde zusammenarbeitet. Ein solch großes Netzwerk kann sehr kleine Details in der Region um das schwarze Loch von M87 erkennen.

Das neue Bild zeigt den Jet, der in der Nähe des schwarzen Lochs entsteht, sowie den sogenannten Schatten des schwarzen Lochs. Wenn die Materie das schwarze Loch umkreist, erwärmt sie sich und strahlt Licht ab. Das schwarze Loch beugt und fängt einen Teil dieses Lichts ein, sodass von der Erde aus gesehen eine ringförmige Struktur um das schwarze Loch entsteht. Die Dunkelheit in der Mitte des Rings ist der Schatten des schwarzen Lochs, der erstmals 2017 vom Event Horizon Telescope (EHT) abgebildet wurde. Sowohl dieses neue Bild als auch das des EHT kombinieren Daten, die mit mehreren Radioteleskopen weltweit aufgenommen wurden. Das heute veröffentlichte Bild zeigt jedoch Radiostrahlung mit einer größeren Wellenlänge als das des EHT: 3,5 mm anstelle von 1,3 mm. „Bei dieser Wellenlänge können wir sehen, wie der Jet aus dem Emissionsring um das zentrale supermassereiche schwarze Loch austritt“, sagt Thomas Krichbaum vom MPIfR.

Wissenschaftler, die den kompakten Radiokern von M87 beobachteten, haben neue Details über das supermassereiche schwarze Loch in der Galaxie entdeckt. In dieser künstlerischen Darstellung ist der gewaltige Jet des schwarzen Lochs zu sehen, der aus seinem Zentrum aufsteigt. Die Beobachtungen, auf denen diese Illustration basiert, zeigen zum ersten Mal eine gemeinsame Abbildung des Jets und des Schattens des schwarzen Lochs und geben den Wissenschaftlern neue Einblicke in die Art und Weise, wie schwarze Löcher diese starken Jets ausstoßen können.

Messier 87 (M87) ist eine riesige elliptische Galaxie, die sich etwa 55 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt im Sternbild Jungfrau befindet. Sie wurde 1781 von Charles Messier entdeckt, aber erst im 20. Jahrhundert als Galaxie identifiziert. Mit der doppelten Masse unserer eigenen Galaxie, der Milchstraße, und mit bis zu zehnmal mehr Sternen, gehört sie zu den größten Galaxien im nahen Universum. Neben seiner Größe hat M87 einige sehr einzigartige Eigenschaften. So enthält sie beispielsweise eine ungewöhnlich hohe Anzahl von Kugelhaufen: Während unsere Milchstraße weniger als 200 enthält, hat M87 etwa 12.000. Diese Menge, so die Theorie einiger Wissenschaftler, hat sie von ihren kleineren Nachbarn entnommen.

Wie bei allen anderen großen Galaxien hat auch M87 im Zentrum ein supermassereiches schwarzes Loch. Die Masse eines solchen schwarzen Lochs steht im Zusammenhang mit der Masse der gesamten Galaxie, so dass es nicht verwunderlich sein sollte, dass das schwarze Loch von M87 eines der massereichsten ist, die man kennt. Das schwarze Loch könnte auch eines der energiereichsten Merkmale der Galaxie erklären: einen relativistischen Materiejet, der fast mit Lichtgeschwindigkeit ausgestoßen wird. Das schwarze Loch war Gegenstand von revolutionären Beobachtungen durch das Ereignishorizontteleskop. Das EHT wählte das Objekt als Ziel seiner Beobachtungen aus zwei Gründen. Die Auflösung des EHT ist zwar unvorstellbar, aber auch sie hat ihre Grenzen. Da massereichere schwarze Löcher auch einen größeren Durchmesser haben, stellte das zentrale schwarze Loch von M87 ein ungewöhnlich großes Ziel dar – was bedeutet, dass es leichter abgebildet werden konnte als kleinere schwarze Löcher in der Nähe. Der andere Grund für seine Wahl war jedoch entschieden irdischer. M87 erscheint von unserem Planeten aus gesehen ziemlich nah am Himmelsäquator, was es in den meisten Regionen der nördlichen und südlichen Hemisphäre sichtbar macht. Dadurch wurde die Anzahl der Teleskope im EHT, die es beobachten konnten, maximiert und die Auflösung des endgültigen Bildes erhöht.

Dieses Bild wurde von FORS2 am Very Large Telescope der ESO im Rahmen des Cosmic Gems-Programms aufgenommen, einer Outreach-Initiative, die mit Hilfe von ESO-Teleskopen Bilder von interessanten, faszinierenden oder visuell attraktiven Objekten für die Zwecke der Bildung und Öffentlichkeitsarbeit produziert. Das Programm verwendet Teleskopzeit, die nicht für wissenschaftliche Beobachtungen genutzt werden kann, und liefert beeindruckende Bilder von einigen der markantesten Objekte am Nachthimmel. Für den Fall, dass die gesammelten Daten für zukünftige wissenschaftliche Zwecke nützlich sein sollten, werden diese Beobachtungen gespeichert und den Astronomen über das ESO Science Archive zur Verfügung gestellt.

Diese künstlerische Darstellung zeigt ein sich schnell drehendes supermassereiches schwarzes Loch, das von einer Akkretionsscheibe umgeben ist. Diese dünne Scheibe aus rotierendem Material besteht aus den Überresten eines sonnenähnlichen Sterns, der durch die Gezeitenkräfte des schwarzen Lochs auseinander gerissen wurde. Das schwarze Loch ist beschriftet und zeigt die Anatomie dieses faszinierenden Objekts.

Diese Aufsuchkarte zeigt die Position der großen Galaxie Messier 87 im Sternbild Virgo (die Jungfrau). Die Karte zeigt die meisten unter guten Bedingungen mit bloßem Auge sichtbaren Sterne.

Die Größe des vom GMVA-Netzwerk beobachteten Rings ist im Vergleich zum Bild des Event Horizon Telescope etwa 50 % größer. „Um den physikalischen Ursprung des größeren und dickeren Rings zu verstehen, mussten wir Computersimulationen verwenden, in denen wir verschiedene Szenarien getestet haben“, erklärt Keiichi Asada von der Academia Sinica in Taiwan. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass das neue Bild mehr von dem Material zeigt, das auf das schwarze Loch zufällt, als das, was mit dem EHT beobachtet werden konnte.

Diese neuen Beobachtungen des schwarzen Lochs von M87 wurden 2018 mit dem GMVA durchgeführt, das aus 14 Radio-Teleskopen in Europa und Nordamerika besteht ^[1]. Darüber hinaus wurden zwei weitere Einrichtungen mit dem GMVA verbunden: das Greenland Telescope und ALMA, an dem die ESO beteiligt ist. ALMA besteht aus 66 Antennen in der chilenischen Atacama-Wüste und spielte eine Schlüsselrolle bei diesen Beobachtungen. Die von all diesen Teleskopen weltweit gesammelten Daten werden mit einer Technik namens Interferometrie kombiniert, bei der die von jeder einzelnen Einrichtung aufgenommenen Signale synchronisiert werden. Um die tatsächliche Form eines astronomischen Objekts richtig zu erfassen, ist es jedoch wichtig, dass die Teleskope über die ganze Erde verteilt sind. Die GMVA-Teleskope sind zumeist von Osten nach Westen ausgerichtet, sodass sich die Hinzunahme von ALMA auf der südlichen Hemisphäre als unerlässlich erwies, um dieses Bild des Jets und des Schattens des schwarzen Lochs von M87 aufzunehmen. „Dank des Standorts und der Empfindlichkeit von ALMA konnten wir den Schatten des schwarzen Lochs sichtbar machen und gleichzeitig tiefer in die Emission des Jets blicken“, erklärt Lu.

Zukünftige Beobachtungen mit diesem Netzwerk von Teleskopen werden weiter ergründen, wie supermassereiche schwarze Löcher starke Jets ausstoßen können. „Wir planen, die Region um das schwarze Loch im Zentrum von M87 bei verschiedenen Radiowellenlängen zu beobachten, um die Emission des Jets weiter zu untersuchen“, sagt Eduardo Ros vom MPIfR. Solche gleichzeitigen Beobachtungen würden es dem Team ermöglichen, die komplizierten Prozesse, die in der Nähe des supermassereichen schwarzen Lochs ablaufen, auseinander zu halten. „Die kommenden Jahre werden spannend sein, denn wir werden mehr darüber erfahren, was in der Nähe einer der geheimnisvollsten Regionen des Universums passiert“, resümiert Ros.

Endnote ^[1]: Das koreanische VLBI-Netzwerk ist jetzt auch Teil der GMVA, hat sich aber nicht an den hier berichteten Beobachtungen beteiligt.

Weitere Informationen
Diese Forschungsergebnisse wurden in der Publikation „A ring-like accretion structure in M87 connecting its black Loch and jet“ vorgestellt, die in Nature erscheint (doi: 10.1038/s41586-023-05843-w).

Für diese Forschung wurden Daten verwendet, die mit dem Global Millimeter VLBI Array (GMVA) gewonnen wurden, das aus Teleskopen besteht, die vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR), dem Institut de Radioastronomie Millimétrique (IRAM), dem Onsala Space Observatory (OSO), dem Metsähovi Radio Observatory (MRO), Yebes, dem Korean VLBI Network (KVN), dem Green Bank Telescope (GBT) und dem Very Long Baseline Array (VLBA) betrieben werden.

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 Nachrüstung, der Umbau und der Betrieb des Greenland Telescope (GLT) werden von der Academia Sinica, Institute of Astronomy and Astrophysics (ASIAA) und dem Smithsonian Astrophysical Observatory (SAO) geleitet.

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.

Links

• Forschungsartikel
• Fotos von ALMA

Das Team
Das Team besteht aus Ru-Sen Lu (Shanghai Astronomical Observatory, Volksrepublik China [Shanghai]; Key Laboratory of Radio Astronomy, People’s Republic of China [KLoRA]; Max-Planck-Institut für Radioastronomie, Deutschland [MPIfR]), Keiichi Asada (Institute of Astronomy and Astrophysics, Academia Sinica, Taiwan, ROC [IoAaA]), Thomas P. Krichbaum (MPIfR), Jongho Park (IoAaA; Korea Astronomy and Space Science Institute, Republic of Korea [KAaSSI]), Fumie Tazaki (Simulation Technology Development Department, Tokyo Electron Technology Solutions Ltd, Japan; Mizusawa VLBI Observatory, National Astronomical Observatory of Japan, Japan [Mizusawa]), Hung-Yi Pu (Department of Physics, National Taiwan Normal University, Taiwan, ROC; IoAaA; Center of Astronomy and Gravitation, National Taiwan Normal University, Taiwan, ROC), Masanori Nakamura (National Institute of Technology, Hachinohe College, Japan; IoAaA), Andrei Lobanov (MPIfR), Kazuhiro Hada (Mizusawa; Department of Astronomical Science, The Graduate University for Advanced Studies, Japan), Kazunori Akiyama (Black Hole Initiative at Harvard University, USA; Massachusetts Institute of Technology Haystack Observatory, USA [Haystack]; National Astronomical Observatory of Japan, Japan [NAOoJ]), Jae-Young Kim (Department of Astronomy and Atmospheric Sciences, Kyungpook National University, Republic of Korea; KAaSSI; MPIfR), Ivan Marti-Vidal (Departament d’Astronomia i Astrofísica, Universitat de València, Spanien; Observatori Astronòmic, Universitat de València, Spanien), Jose L. Gomez (Instituto de Astrofísica de Andalucía-CSIC, Spanien [IAA]), Tomohisa Kawashima (Institute for Cosmic Ray Research, The University of Tokyo, Japan), Feng Yuan (Shanghai; Key Laboratory for Research in Galaxies and Cosmology, Chinese Academy of Sciences, People’s Republic of China; School of Astronomy and Space Sciences, University of Chinese Academy of Sciences, People’s Republic of China [SoAaSS]), Eduardo Ros (MPIfR), Walter Alef (MPIfR), Silke Britzen (MPIfR), Michael Bremer (Institut de Radioastronomie Millimétrique, Frankreich [IRAMF]), Avery E. Broderick (Fachbereich Physik und Astronomie, Universität Waterloo, Kanada [Waterloo]; Waterloo Centre for Astrophysics, Universität Waterloo, Kanada; Perimeter Institute for Theoretical Physics, Kanada), Akihiro Doi (The Institute of Space and Astronautical Science, Japan Aerospace Exploration Agency, Japan; Department of Space and Astronautical Science, SOKENDAI, Japan [SOKENDAI]), Gabriele Giovannini (Dipartimento di Fisica e Astronomia, Università di Bologna, Italien; Istituto di Radio Astronomia, INAF, Bologna, Italien [INAF]), Marcello Giroletti (INAF), Paul T. P. Ho (IoAaA), Mareki Honma (Mizusawa; Hachinohe; Department of Astronomy, The University of Tokyo, Japan), David H. Hughes (Instituto Nacional de Astrofísica, Mexiko), Makoto Inoue (IoAaA), Wu Jiang (Shanghai), Motoki Kino (NAOoJ; Kogakuin University of Technology and Engineering, Japan), Shoko Koyama (Niigata University, Japan; IoAaA), Michael Lindqvist (Department of Space, Earth and Environment, Chalmers University of Technology, Schweden [Chalmers]), Jun Liu (MPIfR), Alan P. Marscher (Institute for Astrophysical Research, Boston University, USA), Satoki Matsushita (IoAaA), Hiroshi Nagai (NAOoJ; SOKENDAI), Helge Rottmann (MPIfR), Tuomas Savolainen (Department of Electronics and Nanoengineering, Aalto University, Finnland; Metsähovi Radio Observatory, Finnland [Metsähovi]; MPIfR), Karl-Friedrich Schuster (IRAMF), Zhi-Qiang Shen (Shanghai; KLoRA), Pablo de Vicente (Observatorio de Yebes, Spanien [Yebes]), R. Craig Walker (National Radio Astronomy Observatory, Socorro, USA), Hai Yang (Shanghai; SoAaSS), J. Anton Zensus (MPIfR), Juan Carlos Algaba (Fachbereich Physik, Universiti Malaya, Malaysia), Alexander Allardi (University of Vermont, USA), Uwe Bach (MPIfR), Ryan Berthold (East Asian Observatory, USA [EAO]), Dan Bintley (EAO), Do-Young Byun (KAaSSI; University of Science and Technology, Daejeon, Republik Korea), Carolina Casadio (Institut für Astrophysik, Heraklion, Griechenland; Department of Physics, University of Crete, Greece), Shu-Hao Chang (IoAaA), Chih-Cheng Chang (National Chung-Shan Institute of Science and Technology, Taiwan, ROC [Chung-Shan]), Song-Chu Chang (Chung-Shan), Chung-Chen Chen (IoAaA), Ming-Tang Chen (Institute of Astronomy and Astrophysics, Academia Sinica, USA [IAAAS]), Ryan Chilson (IAAAS), Tim C. Chuter (EAO), John Conway (Chalmers), Geoffrey B. Crew (Haystack), Jessica T. Dempsey (EAO; Astron, Die Niederlande [Astron]), Sven Dornbusch (MPIfR), Aaron Faber (Western University, Kanada), Per Friberg (EAO), Javier González García (Yebes), Miguel Gómez Garrido (Yebes), Chih-Chiang Han (IoAaA), Kuo-Chang Han (System Development Center, National Chung-Shan Institute of Science and Technology, Taiwan, ROC), Yutaka Hasegawa (Osaka Metropolitan University, Japan [Osaka]), Ruben Herrero-Illana (European Southern Observatory, Chile), Yau-De Huang (IoAaA), Chih-Wei L. Huang (IoAaA), Violette Impellizzeri (Observatorium Leiden, Niederlande; National Radio Astronomy Observatory, Charlottesville, USA [NRAOC]), Homin Jiang (IoAaA), Hao Jinchi (Electronic Systems Research Division, National Chung-Shan Institute of Science and Technology, Taiwan, ROC), Taehyun Jung (KAaSSI), Juha Kallunki (Metsähovi), Petri Kirves (Metsähovi), Kimihiro Kimura (Japan Aerospace Exploration Agency, Japan), Jun Yi Koay (IoAaA), Patrick M. Koch (IoAaA), Carsten Kramer (IRAMF), Alex Kraus (MPIfR), Derek Kubo (IAAAS), Cheng-Yu Kuo (National Sun Yat-Sen University, Taiwan, ROC), Chao-Te Li (IoAaA), Lupin Chun-Che Lin (Department of Physics, National Cheng Kung University, Taiwan, ROC ), Ching-Tang Liu (IoAaA), Kuan-Yu Liu (IoAaA), Wen-Ping Lo (Fakultät für Physik, National Taiwan University, Taiwan, ROC; IoAaA), Li-Ming Lu (Chung-Shan), Nicholas MacDonald (MPIfR), Pierre Martin-Cocher (IoAaA), Hugo Messias (Joint ALMA Observatory, Chile; Osaka), Zheng Meyer-Zhao (Astron; IoAaA), Anthony Minter (Green Bank Observatory, USA), Dhanya G. Nair (Fachbereich Astronomie, Universidad de Concepción, Chile), Hiroaki Nishioka (IoAaA), Timothy J. Norton (Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian, USA [CfA]), George Nystrom (IAAAS), Hideo Ogawa (Osaka), Peter Oshiro (IAAAS), Nimesh A. Patel (CfA), Ue-Li Pen (IoAaA), Yurii Pidopryhora (MPIfR; Argelander-Institut für Astronomie, Universität Bonn, Deutschland), Nicolas Pradel (IoAaA), Philippe A. Raffin (IAAAS), Ramprasad Rao (CfA), Ignacio Ruiz (Institut de Radioastronomie Millimétrique, Granada, Spanien [IRAMS]), Salvador Sanchez (IRAMS), Paul Shaw (IoAaA), William Snow (IAAAS), T. K. Sridharan (NRAOC; CfA), Ranjani Srinivasan (CfA; IoAaA), Belén Tercero (Yebes), Pablo Torne (IRAMS), Thalia Traianou (IAA; MPIfR), Jan Wagner (MPIfR), Craig Walther (EAO), Ta-Shun Wei (IoAaA), Jun Yang (Chalmers), Chen-Yu Yu (IoAaA).

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• Schwarze Löcher

Der Beitrag Erstes Bild eines schwarzen Lochs, das einen starken Jet ausstößt erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: Universität Waterloo; 16. August 2022.

Simulationen sagten voraus, dass sich hinter dem diffusen orangefarbenen Leuchten ein dünner, heller Lichtring verbergen sollte, der von Photonen erzeugt wird, die durch die starke Schwerkraft um die Rückseite des Schwarzen Lochs geschleudert werden.

Ein Forscherteam unter der Leitung des Astrophysikers Avery Broderick verwendete ausgeklügelte Bildgebungsalgorithmen, um die Originalbilder des supermassiven schwarzen Lochs im Zentrum der Galaxie M87 im Wesentlichen „neu zu mastern“.

„Wir haben die Scheinwerfer ausgeschaltet, um die Glühwürmchen zu sehen“, so Broderick, der am Perimeter Institute und an der University of Waterloo lehrt. „Wir konnten etwas Tiefgreifendes tun – wir konnten eine fundamentale Signatur der Schwerkraft um ein Schwarzes Loch herum auflösen.“

Indem man Elemente des Bildmaterials im Wesentlichen „abschält“, so Mitautor Hung-Yi Pu, Assistenzprofessor an der National Taiwan Normal University, „kann man die Umgebung des Schwarzen Lochs klar erkennen.“

Um dies zu erreichen, setzte das Team einen neuen Bildgebungsalgorithmus innerhalb des Event Horizon Telescope (EHT)-Analysesystems THEMIS ein, um das ausgeprägte Ringmerkmal aus den ursprünglichen Beobachtungen des Schwarzen Lochs M87 zu isolieren und zu extrahieren – und um den verräterischen Fußabdruck eines starken Jets zu erkennen, der vom Schwarzen Loch nach außen schießt.

Die Ergebnisse der Forscher bestätigen sowohl theoretische Vorhersagen als auch neue Wege zur Erforschung dieser mysteriösen Objekte, von denen man annimmt, dass sie sich im Herzen der meisten Galaxien befinden.

Schwarze Löcher galten lange Zeit als unsichtbar, bis Wissenschaftler sie mit einem weltumspannenden Netz von Teleskopen, dem EHT, aus ihrem Versteck lockten. Mit Hilfe von acht Observatorien auf vier Kontinenten, die alle auf dieselbe Stelle am Himmel gerichtet und mit Nanosekunden-Taktung miteinander verbunden sind, beobachteten die EHT-Forscher 2017 zwei Schwarze Löcher.

Die EHT-Kollaboration enthüllte 2019 zunächst das supermassive Schwarze Loch in M87 und dann 2022 das vergleichsweise kleine, aber turbulente Schwarze Loch im Herzen unserer eigenen Milchstraßengalaxie, das Sagittarius A* (oder Sgr A*) genannt wird. Supermassive schwarze Löcher befinden sich im Zentrum der meisten Galaxien und vereinen eine unglaubliche Menge an Masse und Energie auf kleinem Raum. Das Schwarze Loch M87 zum Beispiel ist zwei Billiarden Mal (das ist eine Zwei gefolgt von 15 Nullen) massereicher als die Erde.

Das Bild von M87, das die Wissenschaftler 2019 vorstellten, war ein Meilenstein, aber die Forscher waren der Meinung, dass sie das Bild schärfen und neue Erkenntnisse gewinnen könnten, wenn sie intelligenter und nicht härter arbeiten würden. Sie wendeten neue Softwaretechniken an, um die ursprünglichen Daten aus dem Jahr 2017 zu rekonstruieren, um nach Phänomenen zu suchen, die nach Theorien und Modellen unter der Oberfläche lauern sollten. Das neue, resultierende Bild zeigt den Photonenring, der aus einer Reihe von immer schärferen Unterringen besteht, die das Team dann übereinanderlegte, um das vollständige Bild zu erhalten.

„Der Ansatz, den wir verfolgten, bestand darin, unser theoretisches Verständnis davon, wie diese schwarzen Löcher aussehen, zu nutzen, um ein maßgeschneidertes Modell für die EHT-Daten zu erstellen“, sagte Dominic Pesce, ein Teammitglied am Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian. „Dieses Modell zerlegt das rekonstruierte Bild in die beiden Teile, die uns am meisten interessieren, so dass wir beide Teile einzeln untersuchen können, anstatt sie miteinander zu vermischen.“

Das Ergebnis war möglich, weil der EHT im Kern ein „Recheninstrument“ ist, so Broderick, der den Delaney Family John Archibald Wheeler Chair am Perimeter innehat. „Es ist genauso abhängig von Algorithmen wie von Stahl. Modernste algorithmische Entwicklungen haben es uns ermöglicht, wichtige Merkmale des Bildes zu untersuchen und den Rest in der nativen Auflösung des EHT darzustellen.“

Die Ergebnisse der Forscher wurden am 16. August in The Astrophysical Journal veröffentlicht.

Kontakt
Ryon Jones
Universität von Waterloo
rnjones@uwaterloo.ca

Mike Braun
Perimeter-Institut für Theoretische Physik
mbrown@perimeterinstitute.ca

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• Schwarze Löcher

Der Beitrag Der Photonenring: Ein schwarzes Loch ist bereit für seine Nahaufnahme erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: Goethe-Universität Frankfurt am Main.

Frankfurt, 4. November 2021 – 55 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt im Sternbild Jungfrau liegt die Galaxie Messier 87 (M87), eine Riesengalaxie mit 12.000 Kugelsternhaufen, gegen die die 200 Kugelsternhaufen der Milchstraße eher bescheiden wirken. Im Zentrum von M87 befindet sich ein schwarzes Loch von 6,5 Milliarden Sonnenmassen. Es ist das erste schwarze Loch, von dem es ein Bild gibt, erstellt 2019 von der internationalen Forschungskollaboration Event Horizon Telescope.

Dieses schwarze Loch (M87*) stößt mit nahezu Lichtgeschwindigkeit einen Plasmastrahl aus, einen so genannten relativistischen Jet, der 6000 Lichtjahre misst. Die ungeheure Energie für diesen Jet stammt wahrscheinlich aus der Anziehungskraft des schwarzen Lochs, doch wie genau ein solcher Jet entsteht und was ihn über diese riesige Entfernung hin stabilisiert, ist bisher noch nicht verstanden.

Das schwarze Loch M87* zieht Materie an, die in einer Ebene um das schwarze Loch in immer engeren Umlaufbahnen rotiert, bis sie von dem schwarzen Loch aufgesaugt wird. Aus dem Zentrum dieser spiralförmigen Akkretionsscheibe von M87* (lateinisch accrescere – anwachsen) wird der Jet ausgestoßen, und diese Region modellierten jetzt sehr detailreich theoretische Physiker der Goethe-Universität Frankfurt zusammen mit Wissenschaftlern aus Europa, den USA und China.

Dabei nutzten sie ausgefeilte dreidimensionale Supercomputer-Simulationen, die pro Simulation die gewaltige Menge von einer Million CPU-Stunden verschlangen und gleichzeitig die Gleichungen von Albert Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie, James Maxwells Gleichungen zum Elektromagnetismus und Leonhard Eulers Gleichungen zur Strömungsmechanik integrieren mussten.

Das Ergebnis war ein Modell, bei dem die berechneten Werte für Temperaturen, Materiedichten und Magnetfeldern in hohem Maße mit den Werten übereinstimmten, die aus den astronomischen Beobachtungen errechnet wurden. Auf dieser Basis gelang es den Wissenschaftlern, die komplexe Strahlungsbewegung in der gekrümmten Raumzeit im innersten Bereich des Jets zu modellieren und in Bilder des Radiowellenspektrums zu übersetzen. Diese computermodellierten Bilder konnten sie nun mit den Beobachtungen vergleichen, die während der vergangenen drei Jahrzehnte mit zahlreichen Radioteleskopen und Satelliten gemacht wurden.

Dr. Alejandro Cruz-Osorio, Erstautor der Studie, erklärt: „Unser theoretisches Modell der elektromagnetischen Emission und der Jet-Morphologie von M87 stimmt überraschend gut mit den astronomischen Beobachtungen des Jets überein, und zwar im infraroten, im optischen und im Röntgenspektrum. Daraus folgern wir, dass das supermassive Schwarze Loch M87* wahrscheinlich stark rotiert und dass das Plasma im Jet stark magnetisiert ist, wodurch die Teilchen so stark beschleunigt werden, dass sie diesen Jet über Tausende von Lichtjahren bilden.“

Prof. Luciano Rezzolla vom Institut für Theoretische Physik der Goethe-Universität Frankfurt meint: “Dass die von uns berechneten Bilder den astronomischen Beobachtungen so nahekommen, ist eine weitere wichtige Bestätigung dafür, dass Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie die genaueste und natürlichste Erklärung für die Existenz supermassereicher schwarzer Löcher im Zentrum von Galaxien ist. Zwar lassen unsere Berechnungen immer noch Raum für alternative Erklärungsmodelle, doch durch die Ergebnisse unserer Arbeit wird dieser Raum deutlich kleiner.“

Publikation:
Alejandro Cruz-Osorio, Christian M. Fromm, Yosuke Mizuno, Antonios Nathanail, Ziri Younsi, Oliver Porth, Jordy Davelaar, Heino Falcke, Michael Kramer, Luciano Rezzolla: State-of-the-art energetic and morphological modelling of the launching site of the M87 jet. Nature Astronomy 2021

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• Event Horizon Telescope „EHT“

Der Beitrag Jet in M87: Computermodellierung erklärt Beobachtungen am schwarzen Loch erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: Goethe-Universität Frankfurt am Main.

Frankfurt 20. Mai 2021 – Den Tests zufolge stimmt die Größe des Schattens von M87* sehr gut überein mit den Eigenschaften eines schwarzen Lochs, wie die allgemeine Relativitätstheorie erwarten lässt, anderen Theorien hingegen hinsichtlich der Eigenschaften des schwarzen Lochs aber Grenzen setzt. Die EHT-Kollaboration hatte 2019 das erste Bild eines schwarzen Lochs veröffentlicht, das sich im Zentrum der Galaxie M87 befindet.

Wie der deutsche Astronom Karl Schwarzschild erstmals aufzeigte, krümmen schwarze Löcher aufgrund ihrer extremen Konzentration an Masse die Raumzeit extrem stark und heizen die Materie in ihrer Umgebung auf, sodass diese anfängt zu leuchten. Der neuseeländische Physiker Roy Kerr konnte zeigen, dass Rotation die Größe eines schwarzen Lochs und den Raum in seiner Umgebung ändert. Den „Rand“ eines schwarzen Lochs stellt der so genannte Ereignishorizont dar, die Grenze um die Massekonzentration herum, jenseits der Licht und Materie nicht entkommen können und die das schwarze Loch schwarz macht. Schwarze Löcher können, so sagen Theorien es voraus, durch eine Reihe von Eigenschaften beschrieben werden, durch ihre Masse, Rotation („Spin“) und eine Vielzahl möglicher Ladungen.

Zusätzlich zur Beschreibung von schwarzen Löchern nach der allgemeinen Relativitätstheorie lassen sich schwarze Löcher etwa mit Theorien beschreiben, die sich aus der String-Theorie herleiten. Diese Art von Theorien nimmt ein zusätzliches skalares Feld in der zugrundeliegenden Physik an, das bei schwarzen Löchern zu beobachtbaren Veränderungen in ihrer Größe wie auch der Krümmung des Raums in ihrer Umgebung führt.

Die Physiker Dr. Prashant Kocherlakota und Prof. Luciano Rezzolla vom Institut für Theoretische Physik der Goethe-Universität Frankfurt haben nun erstmals überprüft, wie die verschiedenen Theorien zu den Beobachtungsdaten des schwarzen Lochs M87* im Zentrum der Galaxie Messier 87 passen. Das Bild von M87*, das 2019 von der weltumspannenden Event Horizon Telescope (EHT)-Kollaboration gemacht wurde, war nach der Messung von Gravitationswellen 2015 der erste experimentelle Beweis für die tatsächliche Existenz von schwarzen Löchern.

Das Ergebnis der Frankfurter Untersuchungen: Die Daten von M87* stimmen vollständig überein mit den auf Einstein basierenden Theorien und zu einem gewissen Teil mit den String-basierten Theorien. Dr. Prashant Kocherlakota erklärt: „Durch die von der EHT-Kollaboration aufgezeichneten Daten können wir nun verschiedene Theorien zu schwarzen Löchern testen. Derzeit können wir noch keine der Theorien zur Beschreibung des Schattens von M87* verwerfen, aber mit unseren Berechnungen schränken wir den Gültigkeitsraum der Modelle von schwarzen Löchern ein.“

Prof. Luciano Rezzolla meint: „Die Idee eines schwarzen Lochs ist für uns theoretische Physiker gleichzeitig eine Quelle von Problemen und der Inspiration. Während wir immer noch mit einigen der Konsequenzen von schwarzen Löchern kämpfen wie zum Beispiel den Phänomenen ‚Ereignishorizont‘ oder ‚Singularität‘, freuen wir uns, wenn wir Lösungen zur Beschreibung von schwarzen Löchern in immer weiteren Theorien finden. Ergebnisse wie die jetzt von uns vorgestellten sind daher wichtig, um zu bestimmen, welche Theorien plausibel sind und welche nicht. Neue Beobachtungen schwarzer Löcher werden unsere ersten Eingrenzungen der Theorien weiter präzisieren.“

In der Event-Horizon-Telescope-Kollaboration sind Teleskope von Observatorien rund um den Globus zu einem virtuellen Riesenteleskop zusammengeschaltet, dessen Schüssel so groß ist wie die Erde selber. Mit der Präzision dieses Teleskops könnte man von einem Straßencafé in Berlin aus eine Zeitung in New York lesen.

Publikation:
Prashant Kocherlakota, Luciano Rezzolla, Heino Falcke, Christian M. Fromm, Michael Kramer, Yosuke Mizuno, Antonios Nathanail, H´ector Olivares, Ziri Younsi et. al. (The Event Horizon Telescope collaboration), Constraints on black-hole charges with the 2017 EHT observations of M87*. Physical Review D, vol 103 PDF.

Verwandte Meldungen bei Raumfahrer.net:

• Multifrequenzbeobachtungen von M87* (14. April 2021)
• Magnetfelder am Rand von Schwarzem Loch in M87 (24. März 2021)
• Der Ring um das Schwarze Loch in M 87* funkelt (23. September 2020)
• M87: Verdrillter Jet und schwach polarisierter Kern (2. Juli 2020)
• Das erste Bild eines schwarzen Lochs (11. Mai 2019)
• Das massereichste schwarze Loch (9. Juni 2009)

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• Event Horizon Telescope „EHT“

Der Beitrag Nicht alle Theorien erklären das schwarze Loch M87* erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: Max-Planck-Institut für Radioastronomie.

Im April 2019 veröffentlichten Forscher das erste Bild eines Schwarzen Lochs mit dem Event Horizon Telescope (EHT). Diese bemerkenswerte Leistung war jedoch nur der Anfang der hier präsentierten Wissenschaftsgeschichte. Heute werden neue Ergebnisse veröffentlicht, die einen beispiellosen Einblick in dieses Schwarze Loch versprechen und eine noch genauere Überprüfung von Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie möglich machen. An dem Wissenschaftsprojekt ist das Bonner Max-Planck-Institut für Radioastronomie maßgeblich beteiligt, unter anderem durch Beobachtungen mit dem 100-m-Radioteleskop in Effelsberg.

In einer aktuellen Veröffentlichung werden neue Ergebnisse von neunzehn Observatorien veröffentlicht, die einmalige Einblicke in das Schwarze Loch in der Galaxie Messier 87 (M87) versprechen und ebenso Überprüfungen von Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie verbessern werden.

Die gewaltige Gravitation eines supermassereichen Schwarzen Lochs akkretiert nicht nur Materie, sondern treibt auch einen energiereichen Materieausfluss oder Jet an, der Teilchen mit nahezu Lichtgeschwindigkeit über riesige Entfernungen bewegt. Der Jet von M87 erzeugt Strahlung über das gesamte elektromagnetische Spektrum, von Radiowellen bis hin zu Gammastrahlen. Das Muster dieser Strahlung ist bei jedem Schwarzen Loch anders und gibt entscheidende Einblicke in die Eigenschaften eines Schwarzen Lochs. Es ist aber auch eine Herausforderung für die Forscher, weil sich dieses Muster mit der Zeit verändert.

Während der EHT-Beobachtungen von M87 kompensierten die Wissenschaftler solche Schwankungen, indem sie die Beobachtungen mit vielen der weltweit leistungsstärksten Teleskope am Boden und im Weltraum koordinierten und Strahlung über das gesamte elektromagnetische Spektrum erfassten. Es ist die umfangreichste simultane Beobachtungskampagne, die jemals für ein supermassereiches Schwarzes Loch mit Jets durchgeführt wurde. „Dieser einzigartige Datensatz ist entscheidend für unser Verständnis der physikalischen Bedingungen in der unmittelbaren Umgebung eines der massereichsten Schwarzen Löcher in unserer kosmischen Nachbarschaft“, sagt Stefanie Komossa, Astronomin am Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR) in Bonn, Teammitglied bei den unterstützenden Multi-Wellenlängen-Beobachtungen des EHT und eine der Hauptautorinnen der aktuellen Studie.

Mit der heutigen Veröffentlichung in der Fachzeitschrift „The Astrophysical Journal Letters“ geben die Wissenschaftler diesen riesigen Datensatz im Rahmen der neuen Untersuchung frei. Damit kann jeder Interessierte die Daten selbst analysieren und für seine eigenen Studien nutzen. Jedes Teleskop liefert entscheidende Informationen über das Verhalten und die Auswirkungen des Schwarzen Lochs im Zentrum von M87 mit einer Masse von 6,5 Milliarden-Sonnenmassen, das etwa 55 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt liegt.

„Wir wussten, dass das erste direkte Bild eines Schwarzen Lochs bahnbrechend sein würde“, sagt Kazuhiro Hada vom National Astronomical Observatory of Japan, ein Mitautor der neuen Studie. „Aber um das Beste aus diesem bemerkenswerten Bild herauszuholen, müssen wir alles über das Verhalten des Schwarzen Lochs zu dieser Zeit wissen, indem wir Beobachtungen über das gesamte elektromagnetische Spektrum durchführen.“

„Die Kombination von VLBI-Daten aus dem Radio-Millimeter-Band mit zeitnah durchgeführten Messungen bei anderen Wellenlängen wie Nahinfrarot, im optischen, Röntgen- und Gammastrahlung bietet ein großartiges Datenreservoir für ein detailliertes Bild der physikalischen Prozesse, die in der Nähe des Schwarzen Lochs und in der Startregion des Jets ablaufen“, ergänzt Thomas P. Krichbaum, MPIfR-Astronom, Mitglied des EHT-Wissenschaftsrats und einer der Hauptautoren der vorliegenden Studie.

Die Daten wurden von einem Team von siebenhundertsechzig Wissenschaftlern und Ingenieuren aus fast zweihundert Institutionen und zweiunddreißig Ländern oder Regionen mit von Agenturen und Institutionen rund um den Globus finanzierten Teleskopen von 19 Observatorien, darunter auch die Effelsberg- und APEX-Teleskope des MPIfR, in einem Zeitraum von Ende März bis Mitte April 2017 aufgenommen.

„Es gibt mehrere Gruppen, die auf Hochtouren arbeiten, um zu sehen, ob ihre Modelle mit diesem reichhaltigen Beobachtungsschatz übereinstimmen, und wir sind begeistert, dass die gesamte Gemeinschaft die freigewordenen Daten nutzen kann, um uns zu helfen, die engen Verbindungen zwischen Schwarzen Löchern und ihren Jets besser zu verstehen“, sagt Mitautor Daryl Haggard von der McGill University.

„An diesen phantastischen Beobachtungen sind viele der besten Teleskope der Welt beteiligt, die zusammen eine Betriebszeit von dreihundert Jahren eingebracht haben“, sagt Mitautor Juan Carlos Algaba von der University of Malaya in Kuala Lumpur, Malaysia. „Dies ist ein wunderbares Beispiel für die Zusammenarbeit von Astronomen auf der ganzen Welt bei ihrer wissenschaftlichen Arbeit.“

Die Ergebnisse zeigen, dass die Menge an elektromagnetischer Strahlung, die durch die Materie um das supermassereiche Schwarze Loch von M87 erzeugt wurde, die geringste war, die jemals beobachtet wurde. Dadurch boten sich ideale Bedingungen für die Untersuchung des Schwarzen Lochs, von Regionen nahe dem Ereignishorizont bis hin zu Zehntausenden von Lichtjahren Abstand.

Die Verbindung der bereits erhaltenen Teleskopdaten mit den aktuellen und zukünftigen EHT-Beobachtungen wird es den Wissenschaftlern ermöglichen, wichtige Untersuchungen in einigen der bedeutendsten und anspruchsvollsten Bereiche der Astrophysik durchzuführen. Zum Beispiel planen die Forscher, diese Daten zu nutzen, um die Tests von Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie zu verbessern. Eine große Hürde bei der Anwendung solcher Tests auf M87 liegen derzeit in Unsicherheiten über das Material, das um das Schwarze Loch rotiert und in Jets abgestrahlt wird, und insbesondere in den Eigenschaften, die das emittierte Licht bestimmen.

„Das Verständnis der Teilchenbeschleunigung ist zentral für unser Verständnis sowohl des EHT-Bildes als auch der Jets, in all ihren Eigenschaften“, sagt Co-Autorin Sera Markoff von der Universität Amsterdam. „Diese Jets schaffen es, die vom Schwarzen Loch freigesetzte Energie auf Skalen zu transportieren, die größer sind als die Wirtsgalaxie, entsprechend einem riesigen Stromkabel. Die erhaltenen Ergebnisse werden uns helfen, die Menge der transportierten Energie zu berechnen und den Effekt, den die Jets des Schwarzen Lochs auf seine Umgebung ausüben.“

Die Veröffentlichung dieser neuen Daten fällt mit dem aktuellen EHT-Beobachtungslauf im Jahr 2021 zusammen, bei dem wiederum ein weltweites Netzwerk von Teleskopen zum Einsatz kommt – es ist der erste seit dem Jahr 2018. Noch in dieser Woche nehmen die EHT-Astronomen sechs Nächte lang M87 sowie Sgr A*, das supermassereiche Schwarze Loch im Zentrum unserer Milchstraße, und mehrere noch weiter entfernte Schwarze Löcher ins Visier. „Mit der Veröffentlichung der Daten, kombiniert mit der Wiederaufnahme der Beobachtungen mit einem verbesserten EHT, können wir davon ausgehen, dass noch viele aufregende neue Ergebnisse für uns am Horizont stehen“, sagt Co-Autor Mislav Baloković von der Yale University.

Anton Zensus, Gründungsvorsitzender des Event Horizon Telescope und Direktor am MPIfR, fasst zusammen: „In dieser Beobachtungskampagne haben sich viele Teleskope auf der Welt und im Weltraum mit der EHT-Kollaboration zusammengetan, um gemeinsam und gleichzeitig die Eigenschaften von M87 über das gesamte elektromagnetische Spektrum zu untersuchen. Dies bringt uns einen großen Schritt weiter in unserem Verständnis der Natur von Systemen mit Schwarzen Löchern und ihren Jets. Wir lernen, wie wir Magnetfelder, kosmische Strahlung, Jetstruktur, Emissions- und Absorptionsprozesse und die Rolle der allgemeinen Relativitätstheorie besser untersuchen können.“

Weitere Informationen:
Die Forschungsergebnisse werden am 14. April 2021 in einer aktuellen Veröffentlichung in der Fachzeitschrift „The Astrophysical Journal“ präsentiert. An der EHT-Kollaboration sind mehr als 300 Wissenschaftler aus Afrika, Asien, Europa, Nord- und Südamerika beteiligt. Diese internationale Kollaboration arbeitet daran, die detailliertesten Bilder von Schwarzen Löchern zu erfassen, die je gemacht wurden, indem sie ein virtuelles Teleskop von der Größe der Erde schafft. Das EHT verbindet bestehende Teleskope mit neuartigen Systemen – und bildet so ein grundlegend neues Instrument mit dem höchsten Winkelauflösungsvermögen, das bisher erreicht wurde.

Die Veröffentlichung der hier gezeigten Daten fällt mit der ersten Beobachtungskampagne des weltweiten EHT-Netzwerks seit 2018 zusammen. Die letztjährige Kampagne musste wegen der COVID-19-Pandemie abgesagt werden, und das Jahr davor wurde aufgrund von Betriebsproblemen und schlechtem Wetter ausgesetzt. In dieser Woche nehmen die EHT-Astronomen sechs Nächte lang vor allem das supermassereiche Schwarze Loch in unserer Milchstraße (Sgr A*), das Zentrum der Galaxie M87, und ein noch weiter entferntes Schwarzes Loch ins Visier. Im Vergleich zu 2017 wurde das Array durch drei weitere Teleskope erweitert: das Grönland-Teleskop, das Kitt Peak 12m-Teleskop und das NOrthern Extended Millimeter Array (NOEMA).
Die vorgestellten Forschungsergebnisse umfassen Beobachtungen mit verschiedenen Teleskopen, darunter das 100-m-Radioteleskop in Effelsberg als Teil des High Sensitivity Array und des Global Millimeter VLBI Array.

Das EHT-Konsortium besteht aus dreizehn 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-Universität und dem Smithsonian Astrophysical Observatory.

An der Beobachtungskampagne 2017 war eine große Anzahl von Observatorien und Teleskopen beteiligt. Bei Radiowellenlängen waren es folgende Teleskope: das European Very Long Baseline Interferometry Array Network (EVN) einschließlich des 100-m-Radioteleskops Effelsberg (9. Mai 2017); das High Sensitivity Array (HSA), zu dem das Very Large Array (VLA), das 100-m-Radioteleskop Effelsberg und die 10 Stationen des Very Long Baseline Array (VLBA) des National Radio Astronomy Observatory (NRAO) gehören (15., 16. und 20. Mai); die VLBI Exploration of Radio Astronomy (VERA) an 17 verschiedenen Terminen im Jahr 2017; das EAVN/KaVa-Array, bestehend aus dem ostasiatischen VLBI-Netzwerk (EAVN) und KaVA, das sich wiederum aus dem koreanischen VLBI-Netzwerk (KVN) und VERA zusammensetzt (14 Epochen zwischen März und Mai 2017); das KVN über sieben Epochen zwischen März und Dezember 2017; das VLBA am 5. Mai 2017; das Global Millimeter-VLBI-Array (GMVA), zu dem auch das 100-m-Radioteleskop Effelsberg gehört (30. März 2017); das Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) und das Submillimeter Array (SMA) als Teil eines laufenden Beobachtungsprogramms. Bei ultravioletten Wellenlängen (UV) war das Neil Gehrels Swift Observatory (Swift) mit mehreren Beobachtungen zwischen dem 22. März und dem 20. April 2017 beteiligt; und bei optischen Wellenlängen ebenfalls Swift; und das Hubble Space Telescope am 7., 12. und 17. April 2017. Die Hubble-Daten wurden aus dem Hubble-Archiv entnommen, da sie Teil eines unabhängigen Beobachtungsprogramms darstellten. Bei Röntgenwellenlängen waren das Chandra-Röntgenobservatorium am 11. und 14. April 2017, das Nuclear Spectroscopic Telescope Array (NuSTAR) am 11. und 14. April 2017 sowie Swift beteiligt. Bei Gammastrahlen-Wellenlängen waren Fermi vom 22. März bis 20. April 2017, das High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S), die Major Atmospheric Gamma Imaging Cherenkov (MAGIC) Teleskope und das Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System (VERITAS) beteiligt.

Das EHT wird durch erhebliche internationale Investitionen und einen großen Beitrag des MPIfR seit den 1990er Jahren bei der Entwicklung der Millimeter-VLBI-Technik unterstützt. In jüngster Zeit kamen zusätzliche Mittel durch das ERC-geförderte BlackHoleCam-Projekt hinzu, mit Michael Kramer, Direktor am MPIfR, als einem der drei Projektleiter.

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

Video: Größenskalen in M87

Originalveröffentlichung
Broadband Multi-wavelength Properties of M87 During the 2017 Event Horizon Telescope Campaign
Algaba, Anczarski, Asada et al. (inklusive Event Horizon Telescope Collaboration, Fermi Large Area Telescope Collaboration, H.E.S.S. Collaboration, MAGIC Collaboration, VERITAS Collaboration, und EAVN Collaboration), The Astrophysical Journal Letters, Vol. 911, L11, DOI:10.3847/2041-8213/abef71

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• Event Horizon Telescope „EHT“

Der Beitrag Multifrequenzbeobachtungen von M87* erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: Max-Planck-Institut für Radioastronomie.

Das Forschungsteam des Event Horizon Telescope (EHT), darunter eine Reihe von Astronomen am Bonner Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR), präsentiert heute neue Beobachtungen, die eine Erklärung dafür liefern, wie die Galaxie M 87 einen energiereichen Jet aus ihrem Kernbereich starten kann. Der neue Blick auf das massereiche Objekt im Zentrum der Galaxie M 87 zeigt das Erscheinungsbild in polarisierter Radiostrahlung. Zum ersten Mal konnten die Astronomen die Polarisation, und damit die Signatur von Magnetfeldern, so nahe am Rand eines Schwarzen Lochs messen. Sie zeigen damit eine wichtige Momentaufnahme, um zu verstehen, wie ein Jet mit größerer Ausdehnung als die Galaxie selbst gestartet wird.

Die Ergebnisse werden in zwei Fachartikeln in der aktuellen Ausgabe von „Astrophysical Journal Letters“ online veröffentlicht.

Am 10. April 2019 wurde das allererste Bild eines Schwarzen Lochs veröffentlicht, das eine helle, ringförmige Struktur mit einer dunklen zentralen Region – dem Schatten des Schwarzen Lochs – zeigt. Seitdem hat die EHT-Kollaboration ihre Daten, die von Teleskopen rund um den Globus im Jahr 2017 gesammelt wurden, weiter analysiert und dabei entdeckt, dass ein signifikanter Anteil der Radiostrahlung um das supermassereiche Schwarze Loch im Herzen der 55 Millionen Lichtjahre entfernten Galaxie M87 polarisiert ist.

Die Physik hinter dem ersten Bild eines Schwarzen Lochs
„Die Polarisation des Lichts trägt Informationen, die es uns ermöglichen, die Physik hinter dem Bild, das wir im April 2019 präsentiert haben, besser zu verstehen“, erklärt Monika Mościbrodzka, Koordinatorin der EHT-Arbeitsgruppe für Polarimetrie und Assistenzprofessorin an der Radboud-Universität in den Niederlanden.

Elektromagnetische Strahlung wird polarisiert, wenn sie durch bestimmte Filter geht, wie bei den Gläsern einer polarisierten Sonnenbrille, oder bei der Abstrahlung in heiße Regionen des Weltraums, die magnetisiert sind. So wie polarisierte Sonnenbrillen uns helfen, besser zu sehen, indem sie Reflexionen und Blendungen auf hellen Oberflächen reduzieren, können Astronomen ihre Sicht auf den Bereich um das Schwarze Loch schärfen, indem sie untersuchen, wie das von dort abgestrahlte Licht polarisiert ist. Insbesondere erlaubt die Polarisation den Astronomen, den Verlauf der Magnetfeldlinien am inneren Rand des Schwarzen Lochs zu kartieren.

„Das ist der Schlüssel zum Verständnis des starken Jets, der von dieser Region ausgeht“, sagt Alan Roy, Projektwissenschaftler für VLBI (Very Large Baseline Interferometry) am MPIfR-APEX-Teleskop (Atacama Pathfinder Experiment) im Norden von Chile.

Der helle Strahl aus Energie und Materie, der aus dem Kern von M87 austritt und sich mindestens bis 100.000 Lichtjahre von seinem Zentrum entfernt erstreckt, ist einer der geheimnisvollsten und energiereichsten Bestandteile dieser Galaxie. Die meiste Materie, die sich in der Nähe des Randes eines Schwarzen Lochs befindet, fällt hinein. Einige der umgebenden Teilchen entkommen jedoch kurz vor dem Einfangen und werden in Form eines Jets weit ins All hinausgeblasen.

Wie sich Materie in der Nähe eines Schwarzen Lochs verhält
Mit Hilfe unterschiedlicher Modellannahmen versuchen die Astronomen, besser zu verstehen, wie sich die Materie in der Nähe des Schwarzen Lochs verhält. Aber sie wissen nach wie vor nicht genau, wie ein Jet größer als die gesamte Galaxie aus einer sehr kompakten Region im Zentrum – vergleichbar mit der Ausdehnung des Sonnensystems – gestartet wird. Mit dem neuen EHT-Bild des Schwarzen Lochs und seines Schattens in polarisiertem Licht ist es den Astronomen erstmals gelungen, eine Schlüsselaufnahme des Startmechanismus in den Größenordnungen zu erhalten, in denen sich der Jet bildet.

Die Beobachtung des innersten Kerns von M87
Um die sehr kompakte Startregion des Jets im Herzen der Galaxie M 87 zu beobachten, verband die EHT-Kollaboration acht über die ganze Welt verteilte Teleskope, darunter APEX in Chile und das 30m-IRAM-Teleskop in Pico Veleta, Spanien, zu einem virtuellen Teleskop von Erdgröße. Die Daten wurden an zwei speziellen Hochleistungsrechnern, sogenannten Korrelatoren, zusammengeführt und verarbeitet, von denen sich einer am MPIfR in Bonn befindet. Die beeindruckende Auflösung von nur 20 Mikro-Bogensekunden, die mit dem EHT erzielt wird, entspricht der, die man benötigt, um die Länge einer Kreditkarte auf der Mondoberfläche zu messen.

Dies ermöglichte dem Team die direkte Beobachtung des Schattens des Schwarzen Lochs und des umgebenden Strahlungsrings, wobei das neue Bild der polarisierten Strahlung deutlich zeigt, dass der Ring magnetisiert ist. Die Ergebnisse werden in zwei separaten Artikeln in der Fachzeitschrift „Astrophysical Journal Letters“ vom EHT-Kollaborationsprojekt veröffentlicht, an dem weltweit mehr als 300 Forscher aus verschiedenen Organisationen und Universitäten beteiligt sind.

„Das EHT ist eine phantastische Einrichtung, um die Gesetze der Physik in einer Region mit extremer Schwerkraft zu testen. Es gibt uns die einzigartige Möglichkeit, Phänomene anzugehen, die wir vorher nie untersucht haben. Unsere zukünftigen EHT-Beobachtungen werden weitere Informationen über den mysteriösen Bereich des Weltraums in der Nähe der Ereignishorizonte von supermassereichen Schwarzen Löchern offenbaren“, schließt J. Anton Zensus, Gründungsvorsitzender der EHT-Kollaboration und Direktor am MPIfR.

Weitere Informationen:
Die Forschungsergebnisse werden in zwei Artikeln präsentiert, die am 24. März 2021 online in der Fachzeitschrift „Astrophysical Journal Letters“ erscheinen. An der EHT-Kollaboration sind mehr als 300 Forscher aus Afrika, Asien, Europa, Nord- und Südamerika beteiligt. Diese internationale Kollaboration arbeitet daran, die detailliertesten Bilder von Schwarzen Löchern aufzunehmen, die je gemacht wurden, indem sie Radiobeobachtungen mit einem virtuellen Teleskop von der Größe der Erde durchführt. Unterstützt durch beträchtliche internationale Investitionen, unter anderem dem vom European Research Council (ERC) finanzierten BlackHoleCam-Projekts mit Michael Kramer, Direktor am MPIfR als einem der drei Antragsteller, verbindet das EHT bestehende Teleskope mit neuartigen Systemen – und schafft so ein grundlegend neues Instrument mit dem höchsten Winkelauflösungsvermögen, das bisher erreicht werden konnte.

Das EHT-Konsortium umfasst 13 direkt beteiligte Institute (“stakeholder”): das Institut für Astronomie und Astrophysik der chinesischen Akademie der Wissenschaften, die Universität Arizona, die Universität Chicago, das East-Asian-Observatorium, die Goethe-Universität Frankfurt, das Institut de Radioastronomie Millimétrique (IRAM), das Large-Millimeter-Telescope, das Max-Planck-Institut für Radioastronomie, das MIT-Haystack-Observatory, das National Astronomical Observatory of Japan, das Perimeter-Institute für Theoretische Physik, die Radboud-Universität Nijmegen und das Smithsonian-Astrophysical-Observatory.

Die zur Zeit im Rahmen der EHT-Kollaboration eingesetzten Teleskope sind: ALMA, APEX, das IRAM 30-Meter-Teleskop, das IRAM-NOEMA-Observatorium (seit 2018), das James-Clerk-Maxwell-Teleskop (JCMT), das Large-Millimeter-Teleskop (LMT), das Submillimeter-Array (SMA), das Submillimeter-Teleskop (SMT, das frühere Heinrich-Hertz-Teleskop), das Südpol-Teleskop (SPT) und das Grönland-Teleskop (GLT, ebenfalls seit 2018).

Die Teleskope arbeiten auf der Grundlage einer Beobachtungstechnik zusammen, die als Very-Long-Baseline-Interferometrie (VLBI) bezeichnet wird. Dadurch werden Einzelteleskope weltweit miteinander verbunden und unter Ausnutzung der Erdrotation eine virtuelles Riesenteleskop von der Größe der Erde selbst geschaffen. VLBI ermöglicht EHT-Beobachtungen mit einer Auflösung von nur 20 Mikro-Bogensekunden. Die erforderliche Datenanalyse zur Umwandlung der Rohdaten in ein fertiges Bild erfolgte an zwei Spezialcomputern (sogenannten Korrelatoren) am Max-Planck-Institut für Radioastronomie und am MIT-Haystack-Observatorium.

Mit den EHT-Daten vom Zentrum der Galaxie M87 versuchten die Forscher herauszufinden, welche Modelle mit den Beobachtungen übereinstimmen. Sie erstellten 120 verschiedene numerische Modelle zum Verhalten von Materie in der Nähe eines supermassereichen Schwarzen Lochs und erhielten 72.000 Schnappschüsse dieser Modelle zu verschiedenen Laufzeiten, die sie mit dem beobachteten Bild verglichen. Sie fanden heraus, dass nur 73 dieser Schnappschüsse, entsprechend 15 Modellen, die Daten hinreichend erklären konnten. Alle diese 15 Modelle gehen davon aus, dass in der Region um das Schwarze Loch Magnetfelder von hoher Intensität vorhanden sind und deuten so darauf hin, dass starke Magnetfelder der Schlüssel zum Start des Jets sind.

Die nachfolgend genannten 34 MPIfR-Mitarbeiter sind Ko-autoren bei den beiden Originalveröffentlichungen (in der Reihenfolge der Autorenliste): Walter Alef, Rebecca Azulay, Anne-Kathrin Baczko, Silke Britzen, Ralph P. Eatough, Michael Janßen, Ramesh Karuppusamy, Dong-Jin Kim, Jae-Young Kim, Michael Kramer, Thomas P. Krichbaum, Rocco Lico, Jun Liu, Kuo Liu, Andrei P. Lobanov, Ru-Sen Lu Nicholas R. MacDonald, Nicola Marchili, Karl M. Menten, Cornelia Müller, Aristeidis Noutsos, Gisela N. Ortiz-León, Felix M. Pötzl, 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.

Originalveröffentlichungen
The Event Horizon Telescope Collaboration, 2021, Astrophysical Journal Letters, Vol. 910, L12: https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/abe71d
The Event Horizon Telescope Collaboration, 2021, Astrophysical Journal Letters, Vol. 910, L13: https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/abe4de

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• Event Horizon Telescope „EHT“

Der Beitrag Magnetfelder am Rand von Schwarzem Loch in M87 erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

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

Verwandte Meldungen bei Raumfahrer.net:

• Das erste Bild eines schwarzen Lochs (11. Mai 2019)
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• Schwarze Löcher
• Event Horizon Telescope „EHT“

Der Beitrag Der Ring um das Schwarze Loch in M 87* funkelt erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: Julius-Maximilians-Universität Würzburg.

Schwarze Löcher befinden sich im Zentrum fast aller Galaxien, die bislang untersucht wurden. Sie haben eine unvorstellbar große Masse und ziehen darum Materie, Gas und sogar Licht an. Sie können aber auch Materie in Form von Plasmajets abgeben – das ist eine Art Plasmastrahl, der mit ungeheurer Energie aus dem Zentrum der Galaxie gestoßen wird. Ein Plasmajet kann mehrere hunderttausend Lichtjahre weit ins Weltall reichen.

Beim Aussenden dieser intensiven Strahlung bleibt das Schwarze Loch unsichtbar, weil die Lichtstrahlen in seiner Nähe so stark gekrümmt werden, dass sich ein Schatten ausbildet. Das hat kürzlich das Forschungsteam der Event Horizon Telescope (EHT)-Kollaboration für das massereiche Schwarze Loch in der Riesenellipsengalaxie M87 berichtet.

Im Quasar 3C279 – ebenfalls ein Schwarzes Loch – fand das EHT-Team ein weiteres Phänomen: Im mehr als tausendfachen Abstand vom Schatten des Schwarzen Lochs leuchtete plötzlich der Kern eines Plasmajets auf. Wie die Energie für diesen Jet auf unsichtbare Weise wie durch einen Kamin vom Schwarzen Loch bis zum Kern des Jets gelangt, war bislang ungeklärt.

Extrem flackernde Gammastrahlung nachgewiesen
Diesen Quasar hat nun der Astrophysiker Amit Shukla, der bis 2018 an der Julius-Maximilians-Universität (JMU) Würzburg geforscht hat und jetzt am Indischen Institut für Technologie in Indore tätig ist, mit dem NASA-Weltraumteleskop Fermi-LAT beobachtet. Er fand heraus, dass der im Millimeter-Wellenlängenbereich gefundene Kern des Jets auch energiereiche Gammastrahlung aussendet, allerdings mit einer extrem flackernden Helligkeit. Diese kann sich innerhalb von wenigen Minuten verdoppeln, wie das Journal Nature Communications berichtet.

Das spezielle Muster der Abfolge von Helligkeitsänderungen ist für einen universellen Prozess charakteristisch, der magnetische Rekonnexion genannt wird und bei vielen astrophysikalischen Objekten mit starken Magnetfeldern auftritt. Auch die Sonnenaktivität hat mit der Dynamik von Magnetfeldern und Rekonnexion zu tun. Das wurde jüngst anhand der Beobachtung von „Lagerfeuern“ in der Sonnenatmosphäre mit der Mission „Solar Orbiter“ der Europäischen Raumfahrtagentur ESA gezeigt.

Unsichtbar gespeicherte Energie wird plötzlich freigesetzt
Aber zurück zum Quasar 3C279: „Ich sah, wie sich bei der Analyse der Daten das spezielle Muster der magnetischen Rekonnexion in der Lichtkurve abzeichnete. Es kam mir vor, als hätte ich plötzlich eine Hieroglyphe im Alphabet der Schwarzen Löcher entziffert“, freut sich Amit Shukla.

Bei der Rekonnexion wird Energie, die zunächst unsichtbar im Magnetfeld gespeichert ist, plötzlich in zahlreichen „Mini-Jets“ freigesetzt. Darin werden Teilchen beschleunigt, die dann die beobachtete Gammastrahlung erzeugen. Die magnetische Rekonnexion würde erklären, wie die Energie vom Schwarzen Loch zum Kern des Jets gelangt und woher sie letztlich stammt.

Energie vom rotierenden Schwarzen Loch
Professor Karl Mannheim, Leiter des JMU-Lehrstuhls für Astronomie und Co-Autor der Publikation, erklärt: „Die Raumzeit in der Nähe des Schwarzen Lochs im Quasar 3C279 wird durch dessen Rotation gezwungen mitzurotieren. Die dort verankerten rotierenden Magnetfelder treiben den Plasmajet an, der das Schwarze Loch abbremst und einen Teil der Rotationsenergie in Strahlung verwandelt“.

Publikation
Gamma-ray flares from relativistic magnetic reconnection in the jet of the quasar 3C 279, A. Shukla & K. Mannheim, Nature Communications, 21. August 2020

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• Schwarze Löcher

Der Beitrag Rotierendes Schwarzes Loch erzeugt Magnetfeld-Jet erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik (MPE).

Die komplexe Umgebung massereicher Schwarzer Löcher sind Bereiche der Hochenergiephysik, in denen beschleunigte Teilchen entlang der Systemachse kollimiert werden. Diese Prozesse führen zur Entstehung eindrucksvoller Jets, die sich über mehrere Kiloparsecs und damit weit über die Grenzen ihrer Wirtsgalaxien hinaus erstrecken. Die Polarisation des Lichts enthält wertvolle Informationen über die physikalischen Bedingungen und die Konfiguration des Magnetfeldes in der Nähe des Schwarzen Lochs, wo diese Strahlung emittiert wurde. Bei der Beobachtung in polarisiertem Licht sieht der Kern von M87 viel schwächer und weniger polarisiert aus als der ausgedehnte Jet, der einen bemerkenswerten Polarisationsgrad von über 20% erreicht. Dieser Unterschied spiegelt die Komplexität des Kernbereichs wider, in dem die Jet-Struktur bis auf die kleinsten physikalischen Skalen schrumpft.

„Indem wir den Orientierungswinkel des polarisierten Lichts abbilden, können wir die spiralförmige Struktur der Magnetfeldverteilung im Jet nachzeichnen“, erklärt Alejandra Fresco, die zurzeit mit Andrea Merloni (MPE) und Celine Peroux (ESO) ihre Doktorarbeit anfertigt. „Diese Struktur bildet sich normalerweise in Jets aufgrund des Drehimpulses, den das ausgestoßene Material trägt und der die Magnetfeldlinien in Jet-Richtung verdreht.“ Dies zeigt sich in einem charakteristischen Muster, bei dem benachbarte Abschnitte im Jet polarisiertes Licht mit senkrechter Ausrichtung abgeben.

Ein weiteres Ergebnis der Studie ist die geringe Aktivität in der Nähe des Kerns während der Beobachtungen. HST-1, eine berühmte Rekollimationsregion, die während einer Periode verstärkter Aktivität in den Jahren 2005-2007 noch heller als der Kern wurde, ist in den ALFOCS-Bildern vom April 2017 kaum zu erkennen. Röntgenbeobachtungen mit dem Chandra-Teleskop während derselben Epoche bestätigen diese Beobachtungen.

Dieses Projekt wurde in Zusammenarbeit mit den IAC-Forschern Juan Antonio Fernández Ontiveros, Almudena Prieto und Jose Antonio Acosta Pulido durchgeführt und war dank der einzigartigen polarimetrischen Fähigkeiten des am Nordic Optical Telescope (NOT) montierten ALFOSC-Instruments am Roque de los Muchachos-Observatorium in La Palma möglich.

Originalveröffentlichung
A. Fresco, J.A. Fernández-Ontiveros, M.A. Prieto, J.A. Acosta-Pulido, A. Merloni: Low optical polarisation at the core of the optically-thin jet of M87, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, June 2020
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DOI

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• Schwarze Löcher

Der Beitrag M87: Verdrillter Jet und schwach polarisierter Kern erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Ein Beitrag von Simon Plasger. Quelle: Astronomy Now. Vertont von Peter Rittinger.

Mit Hilfe des NIFS (Near-Infrared Field Spectrograph, Feldspektograph für den nahen Infrarotbereich) ist es zwei Astronomen der University of Texas gelungen, die Masse des schwarzen Lochs im Zentrum der elliptischen Galaxie M87 zu bestimmt. Dabei kamen sie zu dem Ergebnis, dass das Objekt eine Masse äquivalent zu 6,6 Milliarden Sonnen haben muss.

Für die Messungen untersuchten die Fachleute die Bewegungen der Sterne, die sich in der Umgebung des Schwarzen Lochs befinden. Dieses beeinflusst die Bahnen durch seine Gravitation, womit man die Masse bestimmen konnte. Das Verfahren war zwar schon früher eingesetzt worden, jedoch wurde die Technik erheblich verbessert. Dadurch hatte man eine zehnfach höhere Auflösung zu Verfügung, was das Messergebnis wesentlich genauer machte.

Raumcon:

• Supermassive schwarze Löcher

Der Beitrag Schwarzes Loch gewogen erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Ein Beitrag von Thomas Weyrauch. Quelle: MPE.

Das Supermassive Schwarze Loch im Zentrum der Galaxie M87 alias NGC 4486 ist zwei oder dreimal massehaltiger als bisher vermutet. Ein neues, unter Einsatz von aktuellen Computermodellierungstechniken und eines Supercomputers an der Universität von Texas entwickeltes Modell geht davon aus, dass das Loch etwa eine Masse vom 6,4 Milliardenfachen unserer Sonne hat. Berücksichtigt wurden Daten zum Schwarzen Loch in M87, den Sternen und dem Halo von M87.

Die neuen Untersuchungen legen nahe, dass auch die Schwarzen Löcher in anderen ähnlich weit von unserer Milchstraße entfernten Galaxien erheblich massereicher als bisher vermutet sein sollten, was Astronomen helfen könnte, lange ungelöste Fragen zur Galaxienentwicklung zu beantworten. Je nach Masse eines Schwarzen Loches interagiert es verändert mit seiner Umgebung. Erkenntnisse über die Masse der Schwarzen Löcher berühren daher direkt die Theorien der Astronomen über Entstehung und Entwicklung von Galaxien.

Sehr massereiche Schwarze Löcher könnten auch bei der Erklärung der Existenz von massereichen jungen Galaxien voller Sterne mit Schwarzen Löchern, umgeben von Gas und Staub und einem sehr aktiven Kern helfen. Solche auch Quasare genannte Galaxien könnten Massen im Bereich des Zehnmilliardenfachen unserer Sonne aufweisen. Man hielt es bisher für möglich, dass die für Quasare geschätzen Massen zu hoch sein könnten. Betrachtet man aber die Quasarmassen unter dem neuen Licht der massehaltigeren Schwarzen Löcher in lokalen Galaxien, erscheinen die geschätzten Quasarmassen plausibler. Unterstützt werden solche Überlegungen von Beobachtungen der europäischen Südsternwarte ESO in Chile und dem Gemini North Telescope auf Hawaii.

M87 mit einem aus seinem Zentrum herausschießenden Jet mit Material aus der Akkretionsscheibe befindet sich in rund 50 Millionen Lichtjahren Entfernung von der Erde. Vor etwa drei Jahrzehnten war es eine der ersten Galaxien, von denen man vermutete, sie könnten ein Schwarzes Loch in ihrem Zentrum beherbergen. Heute sind sich die meisten Astronomen darüber einig, dass das Gros der Galaxien, darunter auch unsere Milchstraße, in ihrem Zentrum ein Supermassives Schwarzes Loch hat. Für die Untersuchung von Supermassiven Schwarzen Löchern ist M87 deshalb zu einem wichtigen Referenzobjekt geworden.

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