Quelle: Goethe-Universität Frankfurt am Main 27. März 2024.

27. März 2024 – Neue Beobachtungen der Event Horizon Telescope-Kollaboration zeigen, dass das Schwarze Loch Sagittarius A* (Sgr A*) im Zentrum der Milchstraße im polarisierten Licht von starken, spiralförmigen Magnetfeldern umgeben ist. Die Magnetfeldstruktur wird wahrscheinlich durch das magnetisierte Plasma erzeugt, das auf Sgr A* fällt, und ähnelt der von M87. Dieses Ergebnis legt nahe, dass alle Schwarzen Löcher starke Magnetfelder besitzen und dass Sgr A*, wie M87*, einen Teilchenstrahl ausstößt, der bislang nicht sichtbar gemacht werden konnte. An der Auswertung und Interpretation der Messdaten war das Team um Prof. Luciano Rezzolla, Goethe-Universität Frankfurt, maßgeblich beteiligt.

Das erste Bild vom Schwarzen Loch Sgr A*, welches etwa 27.000 Lichtjahre von der Erde entfernt ist, wurde im Jahr 2022 von Event Horizon Telescope (EHT)-Wissenschaftlerinnen veröffentlicht. Dabei zeigte sich zwar, dass das supermassereiche Schwarze Loch im Zentrum unserer Milchstraße mehr als tausendmal kleiner und weniger massereich ist als das der Galaxie M87, von dem die EHT-Kollaboration 2019 das erste Bild eines Schwarzen Lochs veröffentlicht hatte. Dennoch sehen sich Sgr A* und M87* bemerkenswert ähnlich. Um herauszufinden, ob die beiden Schwarzen Löcher weitere gemeinsamen Merkmale besitzen, beschloss das EHT-Team, Sgr A* in polarisiertem Licht zu untersuchen. Von M87* war bereits bekannt, dass die Magnetfelder um das riesige Schwarze Loch es ihm ermöglichen, einen starken Teilchenstrahl (Jet) in den Weltraum zu schicken. Die neuen Bilder zeigen, dass dasselbe auch für Sgr A* gelten könnte.

Schwarze Löcher in polarisiertem Licht abzubilden, ist nicht einfach, insbesondere gilt dies für Sgr A*. Denn das Gas, oder Plasma, in der Umgebung des Schwarzen Lochs umkreist Sgr A* in nur wenigen Minuten, und weil die Teilchen des Plasmas um die Magnetfeldlinien herumwirbeln, ändern sich die Magnetfeldstrukturen während der Aufzeichnung der Radiowellen durch das EHT schnell. Um das supermassive schwarze Loch abzubilden, waren also ausgeklügelte Instrumente und Verfahren erforderlich.

Prof. Luciano Rezzolla, theoretischer Astrophysiker an der Goethe-Universität Frankfurt, erläutert: „Polarisierte Radiowellen werden von magnetischen Feldern beeinflusst, und durch die Untersuchung des Polarisationsgrades des beobachteten Lichts können wir lernen, wie die Magnetfelder des Schwarzen Lochs verteilt sind. Allerdings ist es im Gegensatz zu einem Standardbild, das nur Informationen über die Intensität des Lichts benötigt, wesentlich schwieriger, die Polarisation darzustellen. Tatsächlich ist unser polarisiertes Bild von Sgr A* das Ergebnis eines sorgfältigen Vergleichs zwischen den tatsächlichen Messungen und den Hunderttausenden möglicher Bildvarianten, die wir mithilfe fortgeschrittener Supercomputer-Simulationen erstellen können. Ähnlich wie beim ersten Bild von Sgr A* repräsentieren diese polarisierten Bilder eine Art Durchschnitt aller Messungen.“

Rezzollas Kollaborationspartner, Geoffrey Bower vom Institut für Astronomie und Astrophysik der Academia Sinica in Taiwan, sagt: „Die Erstellung eines polarisierten Bildes ist wie das Öffnen des Buches, nachdem man nur den Umschlag gesehen hat. Da sich Sgr A* bewegt, während wir versuchen, sein Bild aufzunehmen, war es schwierig, selbst das unpolarisierte Bild zu konstruieren“, und fügt hinzu, dass das erste Bild ein Durchschnitt mehrerer Bilder aufgrund der Bewegung von Sgr A* war. „Wir waren erleichtert, dass die polarisierte Bildgebung überhaupt möglich war. Einige Modelle waren viel zu verwirbelt, um ein polarisiertes Bild zu konstruieren, aber die Natur hat es gut mit uns gemeint.“

„Indem wir polarisiertes Licht von heißem glühendem Gas in der Nähe von Schwarzen Löchern abbilden, schließen wir direkt auf die Struktur und Stärke der Magnetfelder, die den Fluss von Gas und Materie durchdringen, von dem das Schwarze Loch sich ernährt und abgibt“, ergänzt Angelo Ricarte, Harvard Black Hole Initiative Fellow und Co-Projektleiter. „Polarisiertes Licht lehrt uns viel über die Astrophysik, die Eigenschaften des Gases und die Mechanismen, die stattfinden, wenn ein Schwarzes Loch sich ernährt.“

Dr. Sara Issaoun, Co-Leiterin des Projekts und NASA Hubble Fellowship Program Einstein Fellow am Center for Astrophysics / Harvard & Smithsonian, sagt: „Dass Sgr A* eine auffallend ähnliche Polarisationsstruktur aufweist wie das viel größere Schwarze Loch M87* zeigt, dass starke und geordnete Magnetfelder entscheidend dafür sind, wie Schwarze Löcher mit dem Gas und der Materie um sie herum wechselwirken.“

Mariafelicia De Laurentis, stellvertretende EHT-Projektwissenschaftlerin und Professorin an der Universität Neapel Federico II, Italien, betont, dass die Magnetfeldstruktur von M87* von Sgr A* so ähnlich seien, deute darauf hin, dass die physikalischen Prozesse, die bestimmen, wie ein Schwarzes Loch einen Jet speist und ausstößt, trotz der Unterschiede in Masse, Größe und Umgebung bei supermassereichen Schwarzen Löchern universell sein könnten. Dieses Ergebnis ermögliche es, die theoretischen Modelle und Simulationen zu verfeinern und unser Verständnis dafür zu verbessern, wie die Materie in der Nähe des Ereignishorizonts eines Schwarzen Lochs beeinflusst werde.

Weiterführe Informationen zur EHT-Kollaboration:
Das EHT hat seit 2017 mehrere Messkampagnen gemacht und wird Sgr A* voraussichtlich im April 2024 erneut beobachten. Jedes Jahr wurden die Bilder besser, da das EHT neue Teleskope, größere Bandbreiten und neue Beobachtungsfrequenzen einsetzt. Die für das nächste Jahrzehnt geplanten Erweiterungen werden hochauflösende Filme von Sgr A* ermöglichen, möglicherweise einen verborgenen Jet aufdecken und es den Astronom*innen und Astrophysiker*innen erlauben, ähnliche Polarisationsmerkmale in anderen Schwarzen Löchern zu beobachten. Außerdem wird die Erweiterung des EHT in den Weltraum immer schärfere Bilder von Schwarzen Löchern liefern.

An der EHT-Kollaboration sind mehr als 300 Forscherinnen und Forscher aus Afrika, Asien, Europa sowie Nord- und Südamerika beteiligt. Die internationale Kollaboration arbeitet daran, die detailliertesten Bilder von Schwarzen Löchern zu erhalten, die je gemacht wurden, indem sie ein virtuelles Teleskop von der Größe der Erde entwickelt. 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.

An den ersten Beobachtungen der EHT im April 2017 waren die folgenden Teleskope beteiligt: 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 Teleskop (JCMT), das Large Millimeter Telescope Alfonso Serrano (LMT), das Submillimeter Array (SMA), das UArizona ARO Submillimeter Telescope (SMT), das South Pole Telescope (SPT). Seit 2017 sind das Greenland Telescope (GLT), das IRAM NOrthern Extended Millimeter Array (NOEMA) und das 12-Meter-Teleskop der UArizona auf dem Kitt Peak in zum EHT-Netzwerk dazugekommen.

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.

Originalpublikation:
(1) EHT collaboration: First Sagittarius A* Event Horizon Telescope Results. VII. Polarization of the Ring. Astrophysical Journal Letters (2024) https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ad2df0
(2) EHT collaboration: First Sagittarius A* Event Horizon Telescope Results. VIII. Physical Interpretation of the Polarized Ring. Astrophysical Journal Letters (2024) https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ad2df1

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• Event Horizon Telescope „EHT“

Der Beitrag Goethe-Universität: Neues Bild vom Zentrum unserer Milchstraße erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: ESON 27. März 2024.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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• Event Horizon Telescope „EHT“

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

Quelle: MPE 26. Oktober 2023.

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

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

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

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

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

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

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

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

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• Schwarze Löcher

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Quelle: Universität zu Köln 10. Oktober 2023.

10. Oktober 2023 – Ein internationales Team um Dr. Florian Peißker vom Institut für Astrophysik der Universität zu Köln hat einen jungen Sternhaufen in der direkter Umgebung des supermassiven Schwarzen Lochs SagittariusA* (SgrA*) im Zentrum unserer Galaxie im Detail analysiert und gezeigt, dass er deutlich jünger ist als erwartet. Dieser Sternhaufen, bekannt als IRS13, wurde zwar bereits vor über zwanzig Jahren entdeckt, aber erst jetzt ist es durch die Kombination verschiedenster Daten – aufgenommen mit einer Vielzahl von Teleskopen über einen Zeitraum mehrerer Dekaden – gelungen, die Sternhaufenmitglieder im Detail zu bestimmen.

Die Sterne sind einige 100.000 Jahre alt und damit für stellare Verhältnisse außerordentlich jung. Zum Vergleich: unsere Sonne ist ca. 5 Milliarden Jahre alt. Eigentlich sollte es aufgrund der hochenergetischen Strahlung wie auch der Gezeitenkräfte der Galaxie nicht möglich sein, dass sich eine derart große Anzahl so junger Sterne in der direkten Umgebung zum supermassiven Schwarzen Loch befindet. Die Studie wurde unter dem Titel „The Evaporating Massive Embedded Stellar Cluster IRS 13 Close to Sgr A*. I. Detection of a Rich Population of Dusty Objects in the IRS13 Cluster“ im Fachjournal The Astrophysical Journal veröffentlicht.

In Zusammenhang mit der aktuellen Studie wurde zudem ein weiteres herausragendes Ergebnis publiziert. Zum ersten Mal wurde mit dem James Webb-Weltraumteleskop (JWST) ein Spektrum, frei von atmosphärischer Störung, vom galaktischen Zentrum aufgenommen. Ein Prisma an Bord des Teleskops wurde am Institut für Astrophysik in der Arbeitsgruppe um Professor Dr. Andreas Eckart, einem Koauthor der Publikation, entwickelt. Das nun vorliegende Spektrum zeigt, dass sich im galaktischen Zentrum Wassereis befindet. Dieses Wassereis, welches sich häufig in den staubigen Scheiben um sehr junge stellare Objekte befindet, ist ein weiterer unabhängiger Indikator für das junge Alter einiger Sterne nahe des Schwarzen Lochs.

Neben dem unerwarteten Nachweis von jungen Sternen und Wassereis durch das JWST haben die Forscher*innen um Dr. Peißker auch festgestellt, dass IRS13 eine turbulente Entstehungsgeschichte hinter sich hat. Die Studienergebnisse deuten darauf hin, dass IRS13 durch Reibung mit dem interstellaren Medium, Kollisionen mit anderen Sternhaufen oder interner Prozesse in Richtung des supermassiven Schwarzen Lochs wanderte. Ab einer gewissen Entfernung wurde der Sternhaufen dann von der Gravitation des Schwarzen Lochs „eingefangen“. Bei diesem Prozess könnte sich an der Spitze des Sternhaufens eine Bugstoßwelle aus dem Staub gebildet haben, der den Haufen umgibt – ähnlich wie bei der Spitze eines Schiffs im Wasser. Die damit verbundene Dichtezunahme des Staubs regte daraufhin weitere Sternentstehung an. Dies ist eine Erklärung, warum diese jungen Sterne vor allem in der Spitze bzw. Front des Sternhaufens zu finden sind.

„Die Analyse von IRS13 sowie die damit einhergehende Interpretation des Sternhaufens ist der erster Versuch, ein Jahrzehnte altes Rätsel über die unerwartet jungen Sterne im galaktischen Zentrum zu lüften“, so Dr. Peißker. „Denn neben IRS13 gibt es einen Sternhaufen, den sogenannten S-cluster, der sich noch näher am Schwarzen Loch befindet und ebenfalls aus jungen Sternen besteht. Sie sind ebenfalls deutlich jünger als es nach akzeptierten Theorien möglich wäre.“

Die gewonnen Erkenntnisse über IRS13 bieten in weiterer Forschungsarbeit die Gelegenheit, eine Verbindung zwischen der direkten Umgebung des Schwarzen Lochs und Regionen in mehreren Lichtjahren Entfernung herzustellen. Dr. Michal Zajaček, Zweitautor der Studie und Wissenschaftler an der Masaryk-Universität in Brünn (Tschechien), fügt hinzu: „Der Sternhaufen IRS13 scheint der Schlüssel zu sein, um den Ursprung der dichten Sternpopulation im Zentrum unserer Galaxie zu enträtseln. Wir haben umfangreiche Beweise dafür gesammelt, dass sehr junge Sterne in der Reichweite des supermassereichen Schwarzen Lochs in Sternenhaufen wie IRS13 entstanden sein könnten. Dies ist auch das erste Mal, dass wir Sternpopulationen unterschiedlichen Alters – heiße Hauptreihensterne und noch junge entstehende Sterne – in dem Haufen so nahe am Zentrum der Milchstraße unterscheiden können.“

Publikation:
DOI 10.3847/1538-4357/acf6b5
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/acf6b5
pdf: https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/acf6b5/pdf

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• Sternhaufen

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Quelle: Goethe-Universität Frankfurt am Main 30. Mai 2022 – mit freundlicher Genehmigung.

30. Mai 2022 – Schwarze Löcher sind die vielleicht faszinierendsten Objekte in unserem Universum, die nicht nur Wissenschaftler* innen in ihren Bann ziehen – im wahrsten Sinne des Wortes. Die Anziehungskraft eines Schwarzen Lochs ist so extrem, das nicht einmal das Licht ihr entkommt. Doch wie kann man etwas nachweisen, das absolut unsichtbar ist?

Einer, der praktisch sein ganzes Forscherleben der Beantwortung dieser Frage gewidmet hat, ist Prof. Dr. Reinhard Genzel vom Max-Planck-Institut für Extraterrestrische Physik in Garching. Die vergangenen 40 Jahre hat er mit der Erforschung des Schwarzen Lochs im Zentrum unserer Milchstraße verbracht. Am 4. Mai 2022 verfolgten rund 250 Gäste auf dem Campus Westend und im Livestream gebannt seiner Reise durch Zeit und Raum.

Wie so oft treffen wir bei dieser Reise auf Albert Einstein, der mit der Allgemeinen Relativitätstheorie bereits 1915 vorhersagte, dass auch Licht von der Gravitation abgelenkt wird. Sein Kollege Karl Schwarzschild errechnete kurz darauf, dass es sogar komplett verschwinden kann, wenn das Objekt, von dem die Gravitation ausgeht, nur kompakt genug ist. Ein Nachweis solcher astronomischen Objekte schien zu dieser Zeit jedoch absolut utopisch. Erst in den 1960er-Jahren wurden von Maarten Schmidt geeignete Kandidaten entdeckt – die sogenannten Quasare (quasi-stellare Radioquellen), die zunächst für Sterne gehalten wurden. Sie gehören zu den hellsten Objekten im Universum und befinden sich – wie man heute weiß – in unmittelbarer Nähe von Schwarzen Löchern. Etwa zur gleichen Zeit postulierten Donald Lynden-Bell und Martin J. Rees ein Schwarzes Loch im Zentrum unserer Milchstraße. Tatsächlich wird dort 1974 eine kompakte Radioquelle entdeckt, die den Namen Sagittarius A* (kurz Sgr A*) erhält, da sie im Sternbild Schütze (Sagittarius) zu sehen ist.

Es ist diese Radioquelle, der sich Genzel fortan widmet. In den 1990er-Jahren gelingt es ihm und seinem Team, Aufnahmen der umliegenden Sterne zu machen, deren Bewegungen über mehrere Jahre nachvollzogen werden. Dabei wird deutlich, dass ihre Bahnen durch die Anziehungskraft eines massereichen Objekts abgelenkt werden. Doch handelt es sich hierbei um ein Schwarzes Loch? Bis zum Jahr 2018 muss Genzel sich gedulden, um die Frage zufriedenstellend beantworten zu können. Dann erst würde ein Stern auf seiner errechneten Umlaufbahn zurückkehren, der die Existenz des Schwarzen Lochs Sgr A* belegen könnte. Die Wartezeit wird mit dem Bau des Very Large Telescope der Europäischen Südsternwarte und einer immer anspruchsvolleren Verfeinerung der Messmethoden überbrückt. Schließlich gelingt Genzel mithilfe der neu entwickelten Interferometrie tatsächlich der indirekte Nachweis eines massereichen Schwarzen Lochs im Zentrum unserer Milchstraße – die Erkenntnis, die im Jahr 2020 mit dem Nobelpreis für Physik gewürdigt wird.

Auch am Ende seines Vortrags kehrt Genzel wieder zu der Frage zurück „Aber ist es denn wirklich ein Schwarzes Loch?“ und bricht dabei eine Lanze für die Naturwissenschaften im Allgemeinen, die sich immer und immer wieder den gleichen Fragen zuwenden und Alternativhypothesen kleinschrittig ausschließen müssen. Abschließend lassen sich manche Fragen vielleicht nie klären. Doch mit der Veröffentlichung des ersten Bildes vom Schwarzen Loch Sgr A*, das von der Event Horizon Telescope-Kollaboration gemacht wurde – darunter auch Prof. Luciano Rezzolla von der Goethe-Universität – bleibt kein Raum mehr für Zweifel.

Wer mehr über »Die Unwiderstehliche Anziehung der Schwerkraft« erfahren möchte, dem sei das gleichnamige Buch von Luciano Rezzolla empfohlen (ISBN: 978-3-406-77520-8, erhältlich im Campus-Shop). Der Frankfurter Professor für Theoretische Physik leitet unter anderem das Clusterprojekt ELEMENTS, das zu diesem Abend eingeladen hatte (https://elements.science/).

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• Die Milchstraße

Der Beitrag 40 von 14 Milliarden Jahren: Rückblick auf Reinhard Genzels Vortrag »Im Zentrum unserer Milchstraße« erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik 17. Mai 2022.

17. Mai 2022 – Beobachtungen haben zum ersten Mal gezeigt, dass sich ein Stern, der das supermassereiche Schwarze Loch im Zentrum der Milchstraße umkreist, genauso bewegt, wie es die Allgemeine Relativitätstheorie von Einstein vorhersagt. Seine Umlaufbahn hat die Form einer Rosette und nicht die einer Ellipse, wie es die Newton’sche Gravitationstheorie vorhersagt. Dieser Effekt, bekannt als Schwarzschild-Präzession, wurde noch nie für einen Stern um ein supermassereiches Schwarzes Loch gemessen. Diese künstlerische Darstellung veranschaulicht die Präzession der Sternenbahn, wobei der Effekt zur leichteren Veranschaulichung stark übertrieben ist.

Im Jahr 2018 beobachtete das GRAVITY-Experiment den Verlauf verschiedener Phänomene in der Nähe von Sagittarius A, (oder Sgr A) einem supermassereichen und daher gravitativ gefräßigen, unsichtbaren Objekt im Zentrum unserer Galaxie. Dank Eisenhauers technischer Innovationen fand das GRAVITY-Team heraus, dass die Bewegung von Sternen und Gas in der Nähe des galaktischen Zentrums mit theoretischen Vorhersagen übereinstimmt, die mit der Existenz eines Schwarzen Lochs vereinbar sind. Eisenhauers Mentor und langjähriger Mitarbeiter Reinhard Genzel teilte sich den Nobelpreis für Physik 2020 mit Andrea Ghez und Roger Penrose für seine Beiträge zur Erforschung von Sagittarius A* (Sgr A*).

GRAVITY geht auf ein früheres Experiment zurück, bei dem Eisenhauer eine bahnbrechende Technologie für die abbildende Spektroskopie entwickelte – die Messung, wie Materie die Absorption und Emission von Licht beeinflusst. Das Instrument ist ein Teil von SINFONI, dem „Spectrograph for INtegral Field Observations in the Near Infrared“ am Very Large Telescope der Europäischen Südsternwarte ESO auf dem Mount Paranal in Chile. Es beinhaltet eine adaptive Optik zur Korrektur der von der turbulenten Erdatmosphäre verursachten Bildunschärfe, das unter der Leitung von Henri Bonnet entwickelt wurde. Im Jahr 2003 begann SINFONI mit der Beobachtung von Sternen, die unter dem großen Gravitationseinfluss von Sgr A* ihre extrem schnellen, stark exzentrischen Bahnen ziehen.

Zwei Jahre später diskutierte die Gruppe deutscher und französischer Forscher um Eisenhauer und Genzel, Stefan Gillessen, Pierre Lena, Guy Perrin und Thibaut Paumard, die Möglichkeit, ein besonderes, zukünftiges Ereignis mit dem Stern S2 zu beobachten. Nachdem sie die genaue Umlaufbahn von S2 nach dem ersten Vorbeiflug im Jahr 2002 gemessen hatten, konnten sie berechnen, dass der Stern S2 dem galaktischen Zentrum im Jahr 2018 wieder am nächsten kommen würde – bei einer Entfernung von nur 17 Lichtstunden. Durch die Kombination aller vier 8-Meter-Teleskope am Paranal (durch einen Prozess, der Interferometrie genannt wird) würde das Experiment die tausendfache Verbesserung der Empfindlichkeit gegenüber früheren Interferometern erreichen, die notwendig ist, um die relativistischen Effekte nahe SgrA* zu messen.

„Dieses Projekt wurde von einigen als technisch unmöglich angesehen“, schrieb einer der Wissenschaftler, die Eisenhauer für den diesjährigen Gruber-Kosmologiepreis vorgeschlagen haben. Die Befürworter des Projekts argumentierten jedoch, dass, selbst wenn das Experiment seine Ziele nicht erreichen sollte, jeder technologische Fortschritt von allgemeinem Nutzen sein würde. Insbesondere Tim de Zeeuw und Andreas Kaufer von der Europäischen Südsternwarte unterstützten das kühne Projekt und das Team um Julien Woillez beim Upgrade des Interferometers. Eisenhauers Entwürfe revolutionierten in der Tat mehrere Arten von Instrumenten, darunter abbildende Detektoren, Lasermesstechnik und die gleichzeitige interferometrische Beobachtung von zwei Objekten.

Die GRAVITY-Kollaboration, bestehend aus dem Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik, LESIA an der Pariser Sternwarte, IPAG an der Universität Grenoble, dem Max-Planck-Institut für Astronomie, der Universität Köln, dem Zentrum für Astrophysik und Gravitation in Portugal und der Europäischen Südsternwarte, stellte das Instrument gerade noch rechtzeitig fertig, und die ersten Ergebnisse können, wie ein vorschlagender Wissenschaftler schrieb, „nur als überwältigend und bahnbrechend für viele Bereiche der Astrophysik bezeichnet werden.“

Zu diesen Ergebnissen gehören: die präzise Messung der Effekte der allgemeinen Relativitätstheorie von Sgr A* auf S2, sowie die Beobachtungen von Gas, das sich in der Nähe der „letzten stabilen Umlaufbahn“ befindet – dem Punkt, wo es der Gravitationsanziehung von Sgr A* nicht mehr entgehen kann und für immer aus dem Blickfeld verschwindet. Zusammengenommen liefern diese Daten genügend Beweise, um die Gemeinschaft der Astronomen davon zu überzeugen, dass Sgr A* tatsächlich ein Schwarzes Loch ist.

Zu den weiteren bedeutenden Beiträgen von GRAVITY zur Astronomie gehören: Die Messung der Entfernung zwischen der Sonne und dem galaktischen Zentrum mit einer Genauigkeit, die zehnmal höher ist als bei früheren Messungen (andere Astronomen nutzen diese Kalibrierung als zuverlässigen ersten Schritt um die Entwicklung des Universums auf den größten Skalen nachzuverfolgen). Ein Test von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie unter Verwendung supermassereicher schwarzer Löcher mit der bisher höchsten Präzision.

Wie von den Unterstützern von GRAVITY erhofft, haben Eisenhauers technologische Innovationen – für die er den Gruber-Preis für Kosmologie 2022 erhält – die Astronomie verändert, und zwar über die Untersuchung von Sgr A* hinaus. Andere Astrophysiker haben bereits damit begonnen, die SINFONI- und GRAVITY-Instrumente einzusetzen, um entfernte Galaxien, schwarze Löcher in den Zentren naher Galaxien, und Planeten um Sterne in unserer eigenen Galaxie zu untersuchen.

GRAVITY wird derzeit mit einem neuen System der adaptiven Optik, Laserleitsternen und erweitertem Gesichtsfeld aufgerüstet. Dieses Projekt mit der Bezeichnung GRAVITY+ wird die optische Interferometrie schon bald auf die nächste Stufe heben und dann auch den extragalaktischen Himmel für Beobachtungen mit höchster Auflösung erschließen sowie immer schärfere Bilder für die Beobachtung von Exoplaneten liefern.

Die Entwicklung von SINFONI, GRAVITY und GRAVITY+ wurde und wird durch die großzügige Unterstützung der Max-Planck-Gesellschaft und der Max-Planck-Förderstiftung ermöglicht – einer unabhängigen, gemeinnützigen Organisation für private Förderer der Spitzenforschung in der Max-Planck-Gesellschaft.

Eisenhauer wird den mit 500.000 Dollar dotierten Preis sowie eine goldene Preisträgernadel bei einer Zeremonie am 2. August auf der XXXI. Generalversammlung der Internationalen Astronomischen Union in Busan, Korea, entgegennehmen. Zu früheren Ehrungen Eisenhauers gehören die Tycho-Brahe-Medaille der Europäischen Astronomischen Gesellschaft für seine Leitung der SINFONI- und GRAVITY-Instrumente, die Stern-Gerlach-Medaille der Deutschen Physikalischen Gesellschaft für seine Pionierarbeit auf dem Gebiet der hochauflösenden Infrarotastronomie und die Jackson-Gwilt-Medaille der Royal Astronomical Society für die Entwicklung astronomischer Instrumente. Er wurde zudem in die Französische Akademie der Wissenschaften gewählt.

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• Very Large Telescope (VLT) der ESO in Chile

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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• Schwarze Löcher

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

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

14. Dezember 2021 – Mit Hilfe des GRAVITY-Instruments am Very Large Telescope Interferometer (VLTI) der Europäischen Südsternwarte (ESO) in Chile haben Astronomen einen noch nie zuvor gesehenen Stern in der Nähe des Schwarzen Lochs im Zentrum unserer Galaxie entdeckt. Die tiefen Bilder mit extrem hoher Auflösung ermöglichten es dem Team unter der Leitung des Max-Planck-Instituts für extraterrestrische Physik zudem, die Masse des Schwarzen Lochs so genau wie nie zuvor zu bestimmen. Die neuen Bilder zoomen in die Region um das supermassereiche Schwarze Loch im Zentrum unserer Galaxie – 20-mal mehr, als dies ohne Interferometrie möglich war. Mit der genauen Vermessung der Bahnen der Sterne in unserem galaktischen Zentrum kann das Team möglicherweise sogar herausfinden, wie schnell das Schwarze Loch rotiert.

Wie kann man das Schwarze Loch im Zentrum unserer Milchstraße erforschen? Ein Objekt, das man – per Definition – nicht sehen kann? Der Weg, den Reinhard Genzel, Direktor am Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik (MPE), einschlug und der zum Physik-Nobelpreis 2020 geführt hat, besteht darin, Sterne auf engen Umlaufbahnen um das supermassereiche Schwarze Loch zu verfolgen. Die neuesten Ergebnisse seines Teams, die die drei Jahrzehnte andauernde Studie von Sternen in Umlaufbahnen um Sagittarius A* fortführen, werden heute in der Fachzeitschrift Astronomy & Astrophysics veröffentlicht.

Auf der Suche nach weiteren Sternen in der Nähe des Schwarzen Lochs hat das Team eine neue Analysetechnik entwickelt, um die bisher tiefsten Bilder unseres galaktischen Zentrums zu erhalten. „Das VLTI gibt uns eine unglaubliche räumliche Auflösung und mit den neuen Bildern sehen wir tiefer als je zuvor. Wir sind verblüfft von dem Detailreichtum und wie viel Aktivität und wie viele Sterne wir in der Nähe des Schwarzen Lochs sehen“, erklärt Julia Stadler, Wissenschaftlerin am Max-Planck-Institut für Astrophysik, die während ihrer Zeit am MPE die Analyse der Daten leitete, um Bilder vom galaktischen Zentrum zu erzeugen. Bemerkenswerterweise fand das Team den Stern S300, der zuvor noch nie gesehen worden war. Dies macht deutlich, wie leistungsfähig diese Methode ist, um sehr schwache Objekte in der Nähe von Sagittarius A* zu entdecken.

Bei der jüngsten Beobachtungsreihe, die zwischen März und Juli 2021 durchgeführt wurde, konzentrierte sich das Team auf eine genaue Vermessung der Umlaufbahnen der Sterne nahe dem Schwarzen Loch. Dazu gehört auch der Rekordstern S29, der sich dem Schwarzen Loch Ende Mai 2021 mit der atemberaubenden Geschwindigkeit von 8740 km/s näherte und es in einer Entfernung von 13 Milliarden Kilometern passierte, gerade einmal dem 90-fachen Abstand zwischen Sonne und Erde. Bisher wurde kein anderer Stern beobachtet, der so nahe oder so schnell am Schwarzen Loch vorbeifliegt.

„Wir haben jetzt die Möglichkeit, im galaktischen Zentrum Präzisionsmessungen durchzuführen, und es als Labor zu nutzen, um die Vorhersagen von Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie zu testen“, erklärt Stephan Gillessen, der das Herz unserer Milchstraße seit den 1990er Jahren mit verschiedenen Techniken beobachtet. „Es gibt etwa 50 Sterne mit bekannten Umlaufbahnen in der Nähe von Sagittarius A*, und wir haben bereits die gravitative Rotverschiebung und die Schwarzschild-Präzession gesehen, als der Stern S2 im Jahr 2018 sehr nahe an dem supermassereichen Schwarzen Loch vorbeizog. Aber es gibt noch weitere offene Fragen wie zum Beispiel: Wie massereich ist es genau? Rotiert es?“

In Kombination mit den früheren Daten des Teams bestätigen die neuen Beobachtungen, dass die Sterne genau den Bahnen folgen, die die Allgemeine Relativitätstheorie für Objekte vorhersagt, die sich um ein Schwarzes Loch bewegen, das 4,3 Millionen Mal die Masse der Sonne hat. Dies ist die bisher genaueste Bestimmung der Masse des zentralen Schwarzen Lochs in der Milchstraße mit einer Genauigkeit von etwa 0,25 %. Den Forschern gelang es außerdem, die Entfernung zu Sagittarius A* so genau wie nie zuvor zu messen: es ist 27 000 Lichtjahre weit weg.

Die Messungen und Bilder des Teams wurden durch GRAVITY ermöglicht, ein einzigartiges Instrument, das die Forscher für das VLTI der ESO entwickelt haben. GRAVITY kombiniert das Licht aller vier 8,2-Meter-Teleskope des Very Large Telescope (VLT) der ESO mit Hilfe der sogenannten Interferometrie. Die Technik ist komplex, „aber am Ende erhält man Bilder, die 20-mal schärfer sind als die der einzelnen VLT-Teleskope und die die Geheimnisse des galaktischen Zentrums enthüllen“, sagt Frank Eisenhauer vom MPE, der leitende Forscher bei GRAVITY.

Um die neuen detaillierten Bilder zu erhalten, verwendeten die Astronomen zudem eine moderne Methode des maschinellen Lernens, die sogenannte Informationsfeldtheorie. Sie erstellten ein Modell, wie die realen Quellen aussehen könnten, simulierten, wie GRAVITY sie sehen würde, und verglichen diese Simulation mit den tatsächlichen GRAVITY-Beobachtungen. Auf diese Weise konnten sie die Sterne in der Umgebung von Sagittarius A* mit einer beispiellosen Tiefe und Genauigkeit finden und verfolgen. Zusätzlich zu den GRAVITY-Beobachtungen verwendete das Team auch Daten von NACO und SINFONI, zwei früheren VLT-Instrumenten, sowie Messungen des Keck-Observatoriums und des Gemini-Teleskops von NOIRLab.

GRAVITY wird derzeit weiterentwickelt, um die Empfindlichkeit weiter zu erhöhen und schwächere Sterne noch näher am Schwarzen Loch zu entdecken. Das Ziel des Teams ist es, mit GRAVITY+ Sterne so nahe am Schwarzen Loch zu finden, dass deren Umlaufbahnen die Gravitationswirkung von der Rotation des Schwarzen Lochs spüren würden. Das Extremely Large Telescope (ELT) der ESO, das derzeit in der chilenischen Atacama-Wüste gebaut wird, wird es dem Team außerdem ermöglichen, die Geschwindigkeit dieser Sterne in Blickrichtung zum galaktischen Zentrum mit sehr hoher Präzision zu messen. „GRAVITY+ und ELT zusammen werden uns in die Lage versetzen, herauszufinden, wie schnell sich das Schwarze Loch dreht“, stellt Eisenhauer fest. „Das hat bisher noch niemand geschafft.“

Originalveröffentlichungen
Die hier vorgestellten Studien wurden von der GRAVITY-Collaboration in der Fachzeitschrift Astronomy & Astrophysics veröffentlicht.

„The mass distribution in the Galactic Centre from interferometric astrometry of multiple stellar orbits“
GRAVITY collaboration
doi:10.1051/0004-6361/202142465

„Deep images of the Galactic Center with GRAVITY“
GRAVITY collaboration
doi:10.1051/0004-6361/202142459

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• Sagittarius A / Milchstrassen-Zentrum

Der Beitrag MPE: GRAVITY zoomt auf Sterne rund um SgrA* erschien zuerst auf Raumfahrer.net.