Quelle: ESON 27. August 2024.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

[2] Als Test für ihre Beobachtungen richtete die EHT-Kollaboration die Antennen auf sehr weit entfernte „aktive“ Galaxien, die von supermassiven Schwarzen Löchern in ihren Kernen angetrieben werden und sehr hell sind. Diese Arten von Quellen helfen bei der Kalibrierung der Beobachtungen, bevor das EHT schwächere Quellen wie nahegelegene Schwarze Löcher anvisiert.

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

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

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

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

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

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

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

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

Diskutieren Sie mit im Raumcon-Forum:

• Event Horizon Telescope „EHT“

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

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

Diskutieren Sie mit im Raumcon-Forum:

• Radioastronomie

Der Beitrag MPIfR: Beginn der Radioastronomie mit Very Long Baseline Interferometrie in Thailand 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

Diskutieren Sie mit im Raumcon-Forum:

• Schwarze Löcher
• Event Horizon Telescope „EHT“

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

Quelle: Max-Planck-Institut für Radioastronomie 26. Oktober 2023.

26. Oktober 2023 – Mit Hilfe eines Verbunds von Radioteleskopen auf der Erde und im Weltraum haben Astronomen das bisher detaillierteste Bild eines Plasma-Jets aufgenommen, der aus der direkten Umgebung eines supermassereichen Schwarzen Lochs im Herzen einer weit entfernten Galaxie herausschießt. Der Teilchenstrahl aus dem Zentrum eines fernen Blazars mit der Bezeichnung 3C 279 bewegt sich nahezu mit Lichtgeschwindigkeit und zeigt in der Nähe seines Ursprungs komplexe, in sich verdrehte Muster. Diese Muster stellen die seit 40 Jahren etablierte Theorie in Frage, die verwendet wird, um zu erklären, wie diese Jets entstehen und wie sie sich mit der Zeit verändern. Ein wesentlicher Beitrag zu den Beobachtungen kommt vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn, wo die Daten aller beteiligten Teleskope zu einem virtuellen Teleskop mit einem effektiven Durchmesser von etwa 100.000 Kilometern kombiniert wurden.

Die Ergebnisse werden in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift „Nature Astronomy“ veröffentlicht.

Blazare gehören zu den hellsten und stärksten Quellen elektromagnetischer Strahlung im Kosmos. Sie sind eine Unterklasse aktiver galaktischer Kerne, zu denen Galaxien mit einem zentralen supermassereichen Schwarzen Loch gehören, das Materie aus einer umgebenden Scheibe akkretiert: den Quasaren. Etwa 10 % der aktiven galaktischen Kerne, die als Quasare klassifiziert werden, erzeugen relativistische Plasmajets. Blazare gehören zu einem kleinen Teil der Quasare, bei denen wir diese Jets fast direkt auf den Beobachter gerichtet sehen können. Kürzlich hat ein Forscherteam unter Beteiligung des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie (MPIfR) in Bonn den innersten Bereich des Jets im Blazar 3C 279 mit einer noch nie dagewesenen Winkelauflösung abgebildet und dabei bemerkenswert regelmäßige Filamente entdeckt, die eine Korrektur der bisher verwendeten theoretischen Modelle erforderlich machen könnten, die erklären, durch welche Prozesse die Jets in aktiven Galaxien erzeugt werden.

„Dank der Weltraummission RadioAstron, bei der das Radioteleskop in der Erdumlaufbahn Entfernungen bis zum Mond erreichte, in Verbindung mit einem Netzwerk von dreiundzwanzig über die Erde verteilten Radioteleskopen haben wir das bisher höchstaufgelöste Bild vom Inneren eines Blazars erhalten, das es uns ermöglicht, die innere Struktur des Jets zum ersten Mal so detailliert zu beobachten“, erklärt Antonio Fuentes, ein Forscher am Institut für Astrophysik von Andalusien (IAA-CSIC) in Granada, Spanien, der die Arbeit leitete.

Das neue Fenster zum Universum, das die RadioAstron-Mission geöffnet hat, hat neue Details im Plasmajet von 3C 279 enthüllt, einem Blazar mit einem supermassereichen Schwarzen Loch in seinem Kern. Der Jet besteht aus mindestens zwei miteinander verdrillten Plasmasträngen, die sich über mehr als 570 Lichtjahre vom zentralen Schwarzen Loch aus ins All erstrecken. „Das ist das erste Mal, dass wir solche Filamente so nahe am Ursprung des Jets gesehen haben, und sie verraten uns mehr darüber, wie das Schwarze Loch das Plasma formt. Der innere Jet wurde auch von zwei anderen Teleskopnetzwerken, dem Global mm-VLBI Array und dem Event-Horizon-Teleskop, bei viel kürzeren Wellenlängen (3,5 mm bzw. 1,3 mm) beobachtet, aber sie waren nicht in der Lage, die filamentartigen Formen zu erkennen, weil sie zu schwach in der Strahlung und zu ausgedehnt für diese Auflösung waren“, sagt Eduardo Ros, Mitglied des Forschungsteams und europäischer Planer für das GMVA. „Dies zeigt, wie verschiedene Teleskope unterschiedliche Merkmale desselben Objekts aufdecken können“, fügt er hinzu.

Die Plasmastrahlen, die von Blazaren ausgehen, sind nicht wirklich geradlinig und gleichmäßig. Sie weisen Drehungen und Wendungen auf, die zeigen, wie das Plasma durch die Kräfte um das Schwarze Loch herum beeinflusst wird. Die Astronomen, die diese Drehungen in 3C 279 untersuchten, fanden heraus, dass sie durch Instabilitäten verursacht werden, die sich im Plasma-Jet entwickeln. Dabei stellten sie auch fest, dass die bisherige Theorie, um zu erklären, wie sich die Jets im Laufe der Zeit verändern, nicht mehr funktioniert. Daher werden neue theoretische Modelle benötigt, die zeigen, wie sich helixförmige Filamente so nahe am Ursprung des Jets bilden und entwickeln können. Dies ist eine große Herausforderung, aber auch eine große Chance, mehr über diese erstaunlichen kosmischen Phänomene zu erfahren.

„Ein besonders faszinierender Aspekt unserer Ergebnisse ist, dass sie auf das Vorhandensein eines spiralförmigen Magnetfeldes hindeuten, das den Jet einschließt“, sagt Guang-Yao Zhao, derzeit am MPIfR tätig und Mitglied des Wissenschaftlerteams. „Es könnte also das Magnetfeld sein, das sich im Uhrzeigersinn um den Jet in 3C 279 dreht, mit dem das Plasma des Jets, das sich mit 0,997-facher Lichtgeschwindigkeit bewegt, gelenkt und geleitet wird.“

„Ähnliche spiralförmige Filamente wurden schon früher in extragalaktischen Jets beobachtet, allerdings auf viel größerer Skala, wo man annimmt, dass sie aus verschiedenen Teilen der Strömung resultieren, die sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten bewegen und gegeneinander scheren“, fügt Andrei Lobanov, ein weiterer MPIfR-Wissenschaftler im Team, hinzu. „Mit dieser Studie betreten wir ein völlig neues Terrain, in dem diese Filamente tatsächlich mit den kompliziertesten Prozessen in der unmittelbaren Umgebung des Schwarzen Lochs, das den Jet erzeugt, in Verbindung gebracht werden können.“

Die Untersuchung des zentralen Jets in 3C 279, die jetzt in der aktuellen Ausgabe von „Nature Astronomy“ vorgestellt wird, erweitert die laufenden Bemühungen um ein besseres Verständnis der Rolle von Magnetfeldern bei der ursprünglichen Bildung relativistischer Ausströmungen aus aktiven galaktischen Kernen. Sie unterstreicht die zahlreichen verbleibenden Herausforderungen für die theoretische Modellierung dieser Prozesse und zeigt die Notwendigkeit einer weiteren Verbesserung der radioastronomischen Instrumente und Techniken, die die einzigartige Möglichkeit bieten, entfernte kosmische Objekte mit einer Rekord-Winkelauflösung abzubilden

Mit Hilfe einer speziellen Technik, der so genannten Very Long Baseline Interferometry (VLBI), wird ein virtuelles Teleskop mit einem effektiven Durchmesser, der dem maximalen Abstand zwischen den an einer Beobachtung beteiligten Antennen entspricht, durch die Kombination und Korrelation von Daten aus verschiedenen Radioobservatorien erstellt. Der Projektwissenschaftler von RadioAstron, Yuri Kovalev, der jetzt am MPIfR arbeitet, betont, wie wichtig eine gute internationale Zusammenarbeit ist, um solche Ergebnisse zu erzielen: „Observatorien aus zwölf Ländern wurden mit Hilfe von Atomuhren mit der Weltraumantenne synchronisiert und bilden so ein virtuelles Teleskop in der Größe des Abstands zum Mond.“

Anton Zensus, Direktor am MPIfR und eine der treibenden Kräfte hinter der RadioAstron-Mission während der letzten zwei Jahrzehnte, sagt dazu: „Die Experimente mit RADIOASTRON, die zu Bildern wie diesen vom Quasar 3C 279 geführt haben, sind außergewöhnliche Leistungen, die durch die internationale wissenschaftliche Zusammenarbeit von Observatorien und Wissenschaftlern in vielen Ländern möglich wurden. Die Mission wurde jahrzehntelang gemeinsam geplant, bevor der Satellit gestartet wurde. Die eigentlichen Bilder wurden durch die Verbindung von Großteleskopen am Boden wie Effelsberg und durch eine sorgfältige Analyse der Daten in unserem VLBI-Korrelationszentrum in Bonn möglich.“

Weitere Informationen
Die Weltraum-Interferometer-Mission RadioAstron, die von Juli 2011 bis Mai 2019 aktiv war, bestand aus einem 10-Meter-Radioteleskop in einer Umlaufbahn um die Erde (Spektr-R), ergänzt durch etwa zwei Dutzend der weltweit größten bodengebundenen Radioteleskope, darunter das 100-Meter-Radioteleskop Effelsberg. Wenn die Signale der einzelnen Teleskope durch die Interferenz von Radiowellen kombiniert werden, bietet eine solche Anordnung von Teleskopen eine maximale Winkelauflösung, die der eines Radioteleskops mit einem Durchmesser von 350.000 km entspricht – fast die Entfernung zwischen Erde und Mond. Damit war RadioAstron das Instrument mit der höchsten Winkelauflösung in der Geschichte der Astronomie. Das RadioAstron-Projekt wurde vom Astro Space Center des Physikalischen Instituts Lebedew der Russischen Akademie der Wissenschaften und der Lavochkin Scientific and Production Association im Rahmen eines Vertrags mit der staatlichen Raumfahrtgesellschaft ROSCOSMOS in Zusammenarbeit mit Partnerorganisationen in Russland und anderen Ländern durchgeführt. Die astronomischen Daten dieser Mission werden von einzelnen Wissenschaftlern auf der ganzen Welt ausgewertet und führen zu Ergebnissen wie den hier vorgestellten.

Folgende Mitarbeiter des Forscherteams sind mit dem MPIfR affiliiert, in der Reihenfolge ihres Erscheinens auf der Autorenliste: Guang-Yao Zhao, Andrei P. Lobanov, Yuri Y. Kovalev, Efthalia (Thalia) Traianou, Jae-Young Kim, Eduardo Ros, und Tuomas Savolainen. Rocco Lico und Gabriele Bruni waren während der RadioAstron-Mission ebenfalls mit dem MPIfR affiliiert.

Yuri Y. Kovalev dankt für den Friedrich Wilhelm Bessel-Forschungspreis der Alexander von Humboldt-Stiftung.

Originalveröffentlichung
The filamentary internal structure of the 3C 279 blazar jet
Antonio Fuentes et al., in: Nature Astronomy (26. Oktober 2023).
DOI: 10.1038/s41550-023-02105-7
https://www.nature.com/articles/s41550-023-02105-7

Diskutieren Sie mit im Raumcon-Forum:

• Schwarze Löcher

Der Beitrag Astronomen beobachten die Entstehung eines starken kosmischen Jets erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: Max-Planck-Institut für Radioastronomie 31. August 2023.

31. August 2023 – Ein internationales Team von Forscherinnen und Forschern unter der Leitung von Silke Britzen vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn hat Blazare untersucht, dabei handelt es sich um akkretierende supermassereiche schwarze Löcher in den Zentren von Galaxien. Blazare sind Objekte, bei denen einer der von dem aktiven galaktischen Kern emittierten Jets direkt auf die Erde gerichtet ist. Die Forscher können nachweisen, dass die beobachtete Variabilität der Blazare auf die Präzession der Jet-Quelle zurückzuführen ist, die entweder durch die Anwesenheit eines zweiten massereichen Schwarzen Lochs in der Nähe des primären Schwarzen Lochs oder durch eine verkrümmte Akkretionsscheibe um ein einzelnes Schwarzes Loch verursacht wird.

Mit dem Begriff „Blazar“ bezeichnen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler eines der dramatischsten Beispiele im Zoo von aktiven galaktischen Kernen (AGN), also akkretierenden supermassereichen Schwarzen Löchern in den Zentren von Galaxien. Blazare heißen die Schwarzen Löcher, deren Jet direkt auf die Erde gerichtet ist.

Die Ergebnisse der jahrzehntelangen Untersuchungen von Blazaren wurden stets so interpretiert, dass die häufige und deutliche Aufhellung dieser Quellen, die so genannte Flare-Aktivität, mit dem Ausstoß von Jet-Komponenten aus dem Kern in den Jet verbunden ist, was zu einer plötzlich verstärkten Emission führt.

Jets von Blazaren sind oft gekrümmt und nicht so linear ausgerichtet, wie man es erwarten könnte. Man nimmt an, dass gewundene Jetstrukturen mit dem Ausstoß von Komponenten aus dem Kern zusammenhängen. Es wurde vermutet, dass sowohl die gewundenen Jets als auch die Aufhellung der Zentralquelle einen zufälligen Ursprung haben – abhängig von der Fütterung des Schwarzen Lochs. Im Laufe der Jahre haben jedoch immer detailliertere Beobachtungsergebnisse Zweifel an diesem möglicherweise zu einfach angesetzten Zusammenhang aufkommen lassen.

Eine neue Veröffentlichung im „Astrophysical Journal“ stellt die angenommene Beziehung zwischen Ausstoß und Aufflackern für die hellen und stark veränderlichen Blazare in Frage. „Wir präsentieren Beweise und diskutieren die Möglichkeit, dass die tatsächliche Ursache eine Präzession der Jet-Quelle ist, die entweder durch ein supermassereiches binäres Schwarzes Loch am Fußpunkt des Jets oder – weniger wahrscheinlich – durch eine gekrümmte Akkretionsscheibe um ein einzelnes Schwarzes Loch verursacht wird, die für die beobachtete Variabilität verantwortlich ist“, sagt Silke Britzen vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn, die Erstautorin der Untersuchung.

Wenn Jets aufgrund der Präzession herumwirbeln, führt diese Bewegung aufgrund des Doppler-Effekts zu periodischen Änderungen der Intensität (siehe Abb. 1 oben für eine vereinfachte Darstellung des Effekts). Dieser Effekt wurde bei einer Reihe von Jets in aktiven Galaxienkernen über viele Jahre hinweg festgestellt.

Für OJ 287 – den besten Kandidaten für ein binäres supermassereiches Schwarzes Loch – konnten Silke Britzen und ihr Team in ihrer „Rosetta“-Veröffentlichung die Präzession als Ursache für die starken Helligkeitsschwankungen und die Jet-Biegung nachweisen. Erst kürzlich wurden Vorhersagen aus ihrer Veröffentlichung von Komossa et al. bestätigt (siehe MPIfR-Pressemitteilung vom 23. Februar 2023).

Die Autoren haben das gleiche Modell nun auch auf andere Blazare angewendet. Für eine Stichprobe von 12 prominenten AGN zeigen ihre Ergebnisse, dass die Variabilität in der Helligkeit und in der Jet-Krümmung tatsächlich durch den Einfluss der Präzession erklärt werden kann.

Die Autoren bezweifeln nicht, dass die zugrundeliegende und schwer zu erforschende Jet-Physik auch durch interne Wechselwirkungen im Jet verursacht werden kann, die durch das so genannte Schock-in-Jet-Modell, durch Instabilitäten im Jet-Strahl oder durch energetische magnetische Rekonnexionen erklärt werden können. Allerdings wird das Aussehen der Jets durch die Präzession stark moduliert und verändert. Jets würden nicht so gekrümmt und so hell erscheinen, wäre die Präzession nicht am Werk.

Mit dem Wissen um die Auswirkungen der Präzession kann nun das Zusammenspiel eines kinematischen Systems erforscht werden, das im Wesentlichen vorhersagbar ist, da es geometrisch verstanden und modelliert werden kann (siehe Abb. 2 rechts und Video / Animation unten).

„Die Blazar-Variabilität in vielen Galaxien dürfte überwiegend nicht stochastischer, sondern eher deterministischer Natur sein“, ergänzt Silke Britzen. „Es ist faszinierend, das Innenleben der Maschinerie aktiver Galaxienkerne mit Hilfe von Variabilitätsstudien zu entschlüsseln.“

Eine der wichtigsten Folgerungen aus dieser Studie ist, dass die Krümmung des Jets wahrscheinlich ein Hinweis auf die Existenz von binären Schwarzen Löchern im Zentrum dieser Galaxien ist. So wird der Jet durch den Gravitationseinfluss eines zweiten Schwarzen Lochs auf das den Jet erzeugende Schwarze Loch zu einer mäandernden Bewegung gezwungen. Es gelang dem Team auch, Spuren einer Nutationsbewegung kleinerer Amplitude in den Radio-Lichtkurven sowie in der Kinematik der Jet-Komponenten nachzuweisen – das ist ein Effekt zweiter Ordnung und ein weiterer Beweis für die Präzession.

„Die Physik von Akkretionsscheiben und Jets ist ziemlich komplex, aber ihre Hauptkinematik kann mit einfachen Kreiseln verglichen werden – wenn man ein externes Drehmoment auf eine Akkretionsscheibe ausübt, zum Beispiel durch ein umlaufendes sekundäres Schwarzes Loch, wird sie eine Präzessions- und ebenso eine Nutationsbewegung ausführen, und mit ihr auch der Jet. Das ist ähnlich wie bei der Rotationsachse der Erde, die von Mond und Sonne beeinflusst wird“, fügt Michal Zajaček von der Masaryk-Universität (Brünn, Tschechische Republik), ein Mitautor der Studie, hinzu.

Radiobeobachtungen erreichen die höchste Auflösung bei astronomischen Beobachtungen, indem Radioteleskope über sehr große Entfernungen mit der „Very Long Baseline Radio Interferometry“ (VLBI) verbunden werden. Dies ist die gleiche Technik, die es dem Event-Horizon-Teleskop (EHT) ermöglichte, zum ersten Mal den Schatten eines Schwarzen Lochs abzubilden und das 6,5 Milliarden Sonnenmassen umfassende Schwarze Loch im Zentrum der Galaxie M87 zu beobachten.

Die Suche nach engen Paaren supermassereicher Schwarzer Löcher läuft seit Jahrzehnten und gleicht der Suche nach einer Stecknadel im Heuhaufen.

„Noch fehlt uns die ausreichende Auflösung, um die Existenz von supermassereichen binären Schwarzen Löchern direkt nachzuweisen. Aber die Präzession ihrer Jets scheint die beste Signatur solcher Objekte zu sein, deren Existenz nicht nur von Forschergruppen im Bereich Schwarze Löcher und AGNs erwartet wird, sondern auch im Bereich der Gravitationswellen, wo erst vor kurzem Beweise für die Existenz eines kosmischen Gravitationshintergrunds veröffentlicht wurden, der auf die Gravitationswellen zurückzuführen ist, die bei der Verschmelzungen massereicher Schwarzer Löcher im Laufe der kosmischen Geschichte ausgesandt werden“, schließt Silke Britzen.

Weitere Informationen:
Supermassereiche Schwarze Löcher befinden sich in der Regel in den Zentren von Galaxien. In aktiven Galaxien wird davon ausgegangen, dass die Akkretion von Materie auf das zentrale Schwarze Loch die enormen Energiemengen erzeugt, die die gesamte Galaxie überstrahlen können – das macht solche zentralen Regionen, die als Aktive Galaktische Kerne (AGN) bezeichnet werden, zu den leuchtkräftigsten, beständigen Quellen im Universum.

Ausgedehnte, bipolare Plasmastrahlen, die sich mit relativistischer Geschwindigkeit bewegen, so genannte Jets, werden durch ein starkes Magnetfeld aus der Zentralregion eines supermassereichen Schwarzen Lochs ausgestoßen.

Es wird beobachtet, dass sich helle Flecken im Jet, so genannte Jet-Komponenten, in den Jets mitbewegen. Diese Komponenten scheinen sich oft mit Überlichtgeschwindigkeit zu bewegen. Das steht jedoch nicht im Widerspruch zu Einsteins Spezieller Relativitätstheorie, da es sich leicht durch einen bekannten relativistischen Projektionseffekt erklären lässt. Da sich das Strahlmaterial mit Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit bewegt und auf den Beobachter gerichtet ist, erscheint die beobachtete Geschwindigkeit erhöht, da sich die beobachtete Ankunftszeit des Lichts verkürzt, wenn sich die Komponente auf den Beobachter zubewegt. Gleichzeitig wird die Intensität durch so genanntes relativistisches Beaming verstärkt, was auf verschiedene Weise überprüft werden kann, z. B. durch die Untersuchung der Helligkeitsänderung in den Jets. Die physikalischen Prozesse, die erklären, wie diese Komponenten entstehen, sind noch unbekannt.

Das Forscherteam umfasst Silke Britzen, Michal Zajaček, Gopal-Krishna, Christian Fendt, Emma Kun, Frédéric Jaron, Aimo Sillanpää, und Andreas Eckart. Silke Britzen und Andreas Eckart haben beide eine MPIfR-Zugehörigkeit.

Originalveröffentlichung:
Precession-induced Variability in AGN Jets and OJ 287
S. Britzen et al., in The Astrophysical Journal, 951, 106. DOI: 0.3847/1538-4357/accbbc,
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/accbbc,
pdf: https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/accbbc/pdf.

Diskutieren Sie mit im Raumcon-Forum:

• Schwarze Löcher

Der Beitrag Überzeugende Spur zu supermassereichen binären Schwarzen Löchern in aktiven galaktischen Kernen erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: Max-Planck-Institut für Radioastronomie 22. November 2022.

22. November 2022 – Im Kern fast jeder Galaxie befindet sich ein supermassereiches Schwarzes Loch. Aber nicht alle dieser supermassereichen Schwarzen Löcher sind gleich: Es gibt viele verschiedene Typen. Quasare (oder auch quasi-stellare Objekte) sind eine der hellsten und aktivsten Spielarten von Galaxienzentren, die supermassereiche schwarze Löcher beherbergen.

Eine internationale Gruppe von Wissenschaftlern, darunter auch Astronomen des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie in Bonn, präsentiert neue Beobachtungen des ersten jemals identifizierten Quasars. Dieser Quasar mit dem Namen 3C 273 befindet sich in einer Entfernung von ca. 1,9 Milliarden Lichtjahren in Richtung des Sternbilds Virgo. Die neuen hochauflösenden Radiobilder verfolgen den Jet bis hinunter zu der Region, wo sich der Jet bildet. Sie zeigen, wie die Breite des Jets mit zunehmender Entfernung vom zentralen Schwarzen Loch selbst variiert.

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

Aktive supermassereiche schwarze Löcher stoßen schmale, unglaublich energiereiche Plasmastrahlen aus, die mit nahezu Lichtgeschwindigkeit entweichen. Thomas Krichbaum, Astronom am Bonner Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR) und einer der Hauptautoren der Arbeit, sagt: „Radiojets in Quasaren werden schon seit langem untersucht, aber die Details der Jetbildung sind immer noch nicht gut verstanden und ein aktuelles Thema der laufenden Forschung. Eine ungelöste Frage ist, wie und wo genau die Jets zu einem engen Strahl gebündelt werden, so dass sie sich bis weit über die Grenzen ihrer Wirtsgalaxie ausbreiten können. Die Astronomen wissen jetzt, dass Jets sogar die Entwicklung von Galaxien beeinflussen können. Die neuen Radiobeobachtungen dringen bis zu 0,5 Lichtjahre tief in das Herz von 3C 273 vor, in die Region nahe dem Schwarzen Loch, in der der Jet-Plasmastrom zu einem schmalen Strahl kollimiert wird.“

Die neue Studie, die heute in der Fachzeitschrift „The Astrophysical Journal“ veröffentlicht wurde, umfasst Beobachtungen des Jets von 3C 273 mit der bisher höchsten Winkelauflösung. Diese bahnbrechende Arbeit wurde durch den Einsatz eng miteinander koordinierter Radioteleskopen rund um den Globus ermöglicht, einer Kombination aus dem „Global Millimeter VLBI Array“ (GMVA) und dem „Atacama Large Millimeter/submillimeter Array“ (ALMA) in Chile. Darüber hinaus wurden ebenfalls koordinierte Beobachtungen mit dem „High Sensitivity Array“ (HSA) durchgeführt, um die Untersuchung von 3C 273 auf einen größeren Maßstab auszudehnen und die Expansion und Form des Jets auch bei größeren Entfernungen vom Quasarkern zu bestimmen. Die diesem Forschungsprojekt zu Grunde liegenden Messdaten wurden im Frühjahr 2017 aufgezeichnet, etwa zur gleichen Zeit wie die Beobachtungen des Event Horizon Telescope (EHT), die die ersten Bilder eines Schwarzen Lochs im Zentrum von M87 enthüllten, einer Radiogalaxie, die etwa 20 Mal näher ist als 3C 273.

Das MPIfR ist federführendes Institut für den Betrieb des GMVA. Die Daten werden im Korrelatorzentrum des Instituts verarbeitet, und die Beobachtungen werden vom Institut aus koordiniert.

„3C 273 wird seit Jahrzehnten als ideales, nahe gelegenes Labor für die Untersuchung von Quasar-Jets betrachtet“, sagt Hiroki Okino, Hauptautor dieser Arbeit und Doktorand an der Universität von Tokio und dem „National Astronomical Observatory of Japan“. „Doch obwohl der Quasar relativ nah ist, hatten wir bis vor kurzem kein Beobachtungsinstrument, das Bilder erzeugen konnte, die scharf genug waren, um zu sehen, wie sich dieser schmale und starke Plasmastrom bildet.“

Das Bild des Jets von 3C 273 ermöglicht den Wissenschaftlern einen allerersten Blick in den innersten Teil des Jets in einem Quasar, dort wo die Kollimation oder Bündelung des Plasmastrahls stattfindet. Das Team fand außerdem heraus, dass sich der Öffnungswinkel des Plasmastroms, der vom Schwarzen Loch wegfließt, langsam verengt. Dieser sich verengende Teil des Strahls setzt sich unglaublich weit fort, weit über den Bereich hinaus, in dem die Schwerkraft des Schwarzen Lochs dominiert.

„Es ist erstaunlich zu sehen, wie sich die Form des mächtigen Plasmastroms in einem extrem aktiven Quasar langsam und über eine große Entfernung ändert. Dies wurde auch in der Nähe von viel schwächeren und weniger aktiven supermassereichen Schwarzen Löchern beobachtet“, sagt Kazunori Akiyama, Forscher am MIT-Haystack-Observatorium und Leiter des Forschungsprojekts. „Die Ergebnisse werfen eine neue Frage auf: Wie kommt es, dass die Jet-Kollimation in derart unterschiedlichen Systemen Schwarzer Löcher so gleichmäßig verläuft?“

Die neuen, extrem scharfen Bilder des Jets 3C 273 wurden durch die Einbeziehung des ALMA-Interferometers ermöglicht, das bei diesen Messungen wie ein einziges großes Radioteleskop funktioniert. Das GMVA und ALMA wurden über Kontinente hinweg mit einer Technik namens „Very Long Baseline Interferometry“ (VLBI) verbunden, um sehr detaillierte Informationen auch von weit entfernten astronomischen Quellen zu erhalten. Die bemerkenswerte VLBI-Fähigkeit von ALMA wurde durch das „ALMA Phasing Project“ (APP) Team ermöglicht. Das internationale APP-Team unter der Leitung des MIT-Haystack-Observatoriums und des MPIfR entwickelte die Hard- und Software, um ALMA, ein Array von 66 Teleskopen, in die empfindlichste astronomische Interferometriestation der Welt zu verwandeln. Die Einbeziehung von ALMA in das Beobachtungsnetzwerk erhöht die Auflösung und Empfindlichkeit des VLBI-Arrays erheblich. Diese Fähigkeit war nicht nur für das GMVA von grundlegender Bedeutung, sondern auch für die Kartierung von Schwarzen Löchern mit dem Event Horizon Telescope.

Anton Zensus, Direktor am MPIfR und Mitautor der vorliegenden Arbeit, fasst zusammen: „Der Beitritt von ALMA zu den globalen VLBI-Netzwerken markiert einen Wendepunkt für die Erforschung Schwarzer Löcher. Damit ist es zum ersten Mal möglich, Bilder von supermassereichen Schwarzen Löchern erhalten, und jetzt hilft es uns in Beobachtungsobjekten wie 3C 273, zum ersten Mal im Detail zu erforschen, wie Schwarze Löcher ihre Jets antreiben, und das selbst bei weit entfernten Galaxien.“

Weitere Informationen:
GMVA: Das „Global Millimeter-VLBI Array“ (GMVA) beobachtet bei 3 mm Wellenlänge und nutzte für diese Forschung im April 2017 die folgenden Stationen: acht Antennen des „Very Long Baseline Array“ (VLBA), das 100-m-Radioteleskop Effelsberg des MPIfR, das 30m-IRAM-Teleskop, das 20-m-Teleskop des Onsala Space Observatory und das 40-m-Radioteleskop des Yebes Observatory. Die Daten wurden am DiFX VLBI-Korrelator am MPIfR in Bonn korreliert.

ALMA: Das „Atacama Large Millimeter/submillimeter Array“ (ALMA) basiert auf der Partnerschaft der Europäischen Südsternwarte (ESO, stellvertretend für ihre Mitgliedsstaaten), der NSF (USA) und NINS (Japan), zusammen mit NRC (Kanada), MOST und ASIAA (Taiwan) und KASI (Republik Korea), in Zusammenarbeit mit der Republik Chile. Das gemeinsame ALMA-Observatorium wird von ESO, AUI/NRAO und NAOJ betrieben. Für diese Arbeit wurden die folgenden ALMA-Daten verwendet: ADS/JAO.ALMA2016.1.01216.V.

APP: Zu den Partnerorganisationen des ALMA-Phasing-Projekts (APP) gehören: MIT Haystack Observatory, USA; Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR), Deutschland; Universität von Concepción, Chile; National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ), Japan; National Radio Astronomy Observatory (NRAO), USA; Institute of Astronomy & Astrophysics, Academia Sinica (ASIAA), Taiwan; Onsala Space Observatory, Schweden; Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA), USA; Universität Valencia, Spanien. Finanziert wurde das APP durch das Major Research Instrumentation Program der National Science Foundation, das ALMA North America Development Program und internationale Partner, die sich die Kosten teilen.

VLBA: Das “Very Long Baseline Array” (VLBA) ist ein Instrument des “National Radio Astronomy Observatory”.

NRAO: Das „National Radio Astronomy Observatory“ (NRAO) ist eine Einrichtung der „National Science Foundation“, die im Rahmen einer Kooperationsvereinbarung von „Associated Universities, Inc.“ betrieben wird.

Das Forscherteam besteht aus Hiroki Okino, Kazunori Akiyama, Keiichi Asada, José L. Gómez , Kazuhiro Hada, Mareki Honma , Thomas P. Krichbaum, Motoki Kino, Hiroshi Nagai, Uwe Bach, Lindy Blackburn, Katherine L. Bouman, Andrew Chael, Geoffrey B. Crew, Sheperd S. Doeleman, Vincent L. Fish, Ciriaco Goddi, Sara Issaoun, Michael D. Johnson, Svetlana Jorstad, Shoko Koyama, Colin J. Lonsdale, Ru-Sen Lu, Ivan Martí-Vidal, Lynn D. Matthews, Yosuke Mizuno, Kotaro Moriyama, Masanori Nakamura, Hung-Yi Pu, Eduardo Ros, Tuomas Savolainen, Fumie Tazaki, Jan Wagner, Maciek Wielgus und Anton Zensus. Thomas P. Krichbaum, Uwe Bach, Ru-Sen Lu, Eduardo Ros, Tuomas Savolainen, Jan Wagner, Maciek Wielgus, und J. Anton Zensus sind mit dem MPIfR affiliiert.

Originalveröffentlichung
Collimation of the Relativistic Jet in the Quasar 3C273
H. Okino et al., The Astrophysical Journal Vol. 940, Number 1, 22 Nov 2022, DOI:10.3847/1538-4357/ac97e5, https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ac97e5, pdf: https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ac97e5/pdf.

Diskutieren Sie mit im Raumcon-Forum:

• Aktive Galaktische Kerne – Quasare – supermassive Schwarze Löcher

Der Beitrag Schärfster Blick in den Kern von 3C 273 erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: Max-Planck-Institut für Astronomie 11. August 2022.

11. August 2022 – Ein internationales Team von Astronomen aus Italien und Deutschland hat unter maßgeblicher Beteiligung des MPIA-Forschers Henrik Beuther zum ersten Mal Gasströme, die von einer Akkretionsscheibe ausgehen, direkt hin zu einem Jet nachgezeichnet, der Material in den freien Weltraum schleudert. Die vom INAF geleitete Studie bestätigt das theoretisch durch die Magnetohydrodynamik erklärte Szenario von Scheibenwinden, die von Akkretionsscheiben um astrophysikalische Objekte wie schwarze Löcher oder neu entstehende Sterne ausgehen. In der neuen Studie, die heute in Nature Astronomy veröffentlicht wurde, werden die Gasströmungen von der Scheibe um einen sich bildenden Stern bis zum Jet durch die Beobachtung von Wassermaser-Emissionen sichtbar.

Viele astrophysikalische Objekte, wie supermassereiche schwarze Löcher, Sterne und riesige Gasplaneten, sind während ihrer Entstehung von Akkretionsscheiben umgeben und stoßen mächtige Jets aus. Diese Jets bestehen aus ionisiertem Gas, das entlang der Rotationsachse der Scheibe gebündelt wird. Die Verbindung zwischen Akkretion, dem Prozess, bei dem Gas auf Himmelsobjekte gelenkt wird, und dem Ausstoß ist für ihre Entstehung entscheidend. Sie kollabieren während des Prozesses der Gasakkumulation, was aufgrund der Drehimpulserhaltung zu sehr hohen Drehgeschwindigkeiten führt. Jets entziehen diesen Systemen Drehimpuls und sorgen so für eine anhaltende Akkretion auf das zentrale Objekt.

Mit der neuen Studie haben Astronomen aus Italien und Deutschland zum ersten Mal durch Beobachtungen Gaspakete entlang der Bahn des Gasflusses von der Akkretionsscheibe in den Jet verfolgt. Die rekonstruierten Stromlinien stimmen mit den Vorhersagen eines Prozesses überein, den Wissenschaftler vor 40 Jahren entwickelt haben: magnetohydrodynamische Scheibenwinde. Die Magnetohydrodynamik beschreibt die Bewegung von ionisiertem Gas, auch Plasma genannt, das durch ein Magnetfeld beeinflusst wird. Magnetohydrodynamische Scheibenwinde sind der vermutete Mechanismus, der einen Teil des Akkretionsstroms ablenkt und ihn entlang der Rotationsachse der Scheibe beschleunigt, während er einen doppelpoligen gebündelten Jet bildet.

Luca Moscadelli und Alberto Sanna, beide vom Nationalen Institut für Astrophysik (INAF) in Florenz und Cagliari, Italien, Henrik Beuther vom Max-Planck-Institut für Astronomie (MPIA), Heidelberg, André Oliva von der Universität Tübingen und Rolf Kuiper von der Universität Duisburg-Essen, alle drei in Deutschland, haben in das Herz eines neu entstehenden massereichen Sterns geschaut. Unter Astronomen trägt er die Bezeichnung IRAS 21078+5211. Mit Hilfe der Radiointerferometrie beobachteten sie eine bestimmte Emission von Radiowellen mit einer Frequenz von etwa 22 GHz oder einer Wellenlänge von 1,4 Zentimetern.

Diese Emission deutet auf die Existenz von geschocktem Wasserdampf hin, der in Sternentstehungsgebieten als heller natürlicher Maser – das Laseräquivalent im Mikrowellenbereich – zu beobachten ist. Wie Laser sind Maser intensive und stark gebündelte Strahlen im Radiofrequenzbereich. Die Wassermaser zeichnen die Gasbewegung nach, so dass das Team unmittelbar zwei Bewegungsmuster beobachten konnte, die für einen magnetohydrodynamischen Scheibenwind typisch sind: spiralförmige Bewegungen in der Nähe der Rotationsachse und ein mitrotierender Strom bei größeren Abständen.

Die Astronomen nutzten das globale Very Long Baseline Interferometry (VLBI) Array mit 26 Radioteleskopen, die über Europa, Asien und die USA verteilt sind. Diese Stationen haben 24 Stunden lang gleichzeitig die Wassermaseremission in Richtung des entstehenden Sterns beobachtet. Diese Technik ermöglicht es, ein Riesenteleskop mit einem Durchmesser zu simulieren, der mit dem der Erde vergleichbar ist. Dadurch wird eine hohe Winkelauflösung erreicht, die der Beobachtung eines metergroßen Objekts auf dem Mond von der Erde aus entspricht. Diese Eigenschaft war wichtig, um die räumliche Verteilung der Wassermaser in der Nähe des entstehenden Sterns zu studieren.

Luca Moscadelli, der Hauptautor der neuen Studie, sagt: „Unsere Arbeit zeigt, dass die Very Long Baseline Interferometrie von Wassermasern in der Nähe von sich bildenden Sternen ein effektives Werkzeug sein kann, um die Physik von Scheibenwinden mit noch nie dagewesenen Details zu untersuchen. Wir haben neuartige Beobachtungen der Wassermaseremission durchgeführt, indem wir alle im VLBI-Netzwerk verfügbaren Teleskope einbezogen haben, um die Radiointerferometer der nächsten Generation zu simulieren, die die derzeitigen Empfindlichkeiten um mehr als eine Größenordnung verbessern werden.“

Bisher war der beste empirische Nachweis für magnetohydrodynamische Scheibenwinde die Bestimmung dessen, was Astronomen einen Geschwindigkeitsgradienten senkrecht zur Jetachse nennen. Diese Methode ist jedoch der neu angewandten Technik unterlegen, da sie nicht zwischen einzelnen Gasbahnen unterscheiden kann. Stattdessen erscheinen alle Bewegungen überlagert. Daher liefert sie nur indirekte Hinweise und ist anfällig für Fehlinterpretationen und systematische Fehler. Die Verfolgung der für einen magnetohydrodynamischen Scheibenwind typischen Stromlinien über die räumlichen Positionen und Geschwindigkeiten von Masern, d. h. Gaspaketen entlang der Strombahnen, ist ein viel überzeugenderer Beleg.

„Obwohl Wissenschaftler die Jets in der Theorie schon lange gut beschrieben haben, können wir mit diesen Daten zum ersten Mal die Gasverteilung entlang des Magnetfeldes im Detail beobachten und analysieren“, sagt Henrik Beuther vom MPIA. „Es ist toll zu sehen, wie gut Modellierung und Beobachtung zusammenspielen.“

Originalpublikation:
Luca Moscadelli, Alberto Sanna, Henrik Beuther, André Oliva, Rolf Kuiper, „Snapshot of a magnetohydrodynamic disk wind traced by water maser observations“, Nature Astronomy (2022), DOI: 10.1038/s.41550-022-01754-4

Diskutieren Sie mit im Raumcon-Forum:

• Sternentstehung

Der Beitrag Schnappschuss eines Winds, der einen gebündelten Gas-Jet speist erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: Max-Planck-Institut für Radioastronomie 3. August 2022.

3. August 2022 – Das 100-m-Radioteleskop des Bonner Max-Planck-Instituts für Radioastronomie beging im Jahr 2021 seinen 50. Geburtstag. Der Aufbau des Teleskops in einem Eifeltal ca. 40 km südwestlich von Bonn erforderte eine dreieinhalbjährige Bauzeit von 1967 bis 1971, die mit der offiziellen Einweihung am 12. Mai 1971 abgeschlossen wurde. Es sollte dann noch etwas mehr als ein Jahr vergehen, bis zum 1. August 1972 die volle Inbetriebnahme des Teleskops und der Start des regulären Beobachtungsprogramms erfolgen konnten.

Das 100-m-Radioteleskop des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie (MPIfR) liegt in einem Bachtal unmittelbar an der Grenze zwischen den Bundesländern Nordrhein-Westfalen und Rheinland-Pfalz. Vom Besucherparkplatz bei den Eifeldörfern Effelsberg und Lethert, die beide zur Ortsgemeinde Bad Münstereifel gehören, sind es ungefähr 15 Minuten Fußweg bis zum Besucherpavillon des Radioteleskops mit direktem Blick auf das Teleskop selbst.

Als Rückblick auf 50 Jahre erfolgreiche Forschungsarbeit mit dem 100-m-Radioteleskop Effelsberg wurde im Mai 2021 ein vierter astronomischer Wanderweg, der „Zeitreiseweg“, in der Nachbarschaft des Radioteleskops Effelsberg eröffnet. Er beginnt am Besucherpavillon in unmittelbarer Nähe zum 100-m-Radioteleskop, führt auf einer Strecke von etwas mehr als 5 km rund um das Teleskop und endet am Aussichtspunkt direkt vor der riesigen Antenne. Von dort führt ein kurzer Zickzack-Weg direkt zurück zum Pavillon.

Während die erste Stationstafel des Zeitreisewegs der Fertigstellung des Radioteleskops im Jahr 1971 (feierliche Einweihung am 12. Mai 1971) gewidmet ist, erfolgten die volle Inbetriebnahme und der Start des regulären Messprogramms dann ein gutes Jahr später zum 1. August 1972.

Tafel 2 des Zeitreisewegs (Abb. 2) steht für die Ereignisse im Jahr 1972, neben der vollen Inbetriebnahme erfolgten auch erste Pulsarmessungen mit dem 100-m-Radioteleskop bei einer Wellenlänge von 2,8 cm. Bei dieser Wellenlänge (entsprechend einer Frequenz von 10,7 GHz) waren es die bis dato höchstfrequenten Messungen von Pulsaren, den erst fünf Jahre zuvor im Jahr 1967 von Jocelyn Bell-Burnell und Antony Hewish entdeckten schnell rotierenden Neutronensternen.

„Tatsächlich war die Veröffentlichung zu Pulsaren von Richard Wielebinski, Wolfgang Sieber, und Koautoren in der Zeitschrift „Nature“ bereits im Jahr 1972 die erste Fachveröffentlichung, die auf Beobachtungsdaten mit dem 100-m-Radioteleskop Effelsberg basierte“, sagt Prof. Michael Kramer, Direktor am Max-Planck-Institut für Radioastronomie und Leiter der Forschungsabteilung „Radioastronomische Fundamentalphysik“.

Der Zeitreiseweg beschreibt auf insgesamt 20 Stationen eine Reihe von Wegmarken aus fünf Jahrzehnten Geschichte des 100-m-Radioteleskops, von der offiziellen Eröffnung im Jahr 1971 bis zum 50-jährigen Jubiläum im Jahr 2021.

Dazu gehören sowohl wissenschaftliche als auch technische Meilensteine, von der ersten Entdeckung der Moleküle Wasser und Ammoniak außerhalb der Grenzen unserer Milchstraße 1977/79 bis hin zum Weltrekord in der Winkelauflösung von nur 11 Mikrobogensekunden (entspricht dem Durchmesser einer 1-Cent-Münze auf der Mondoberfläche) durch Space VLBI-Beobachtungen mit dem 100-m-Teleskop. Hinzu kommen technische Meilensteine wie die Installation eines neuen Subreflektors mit oberflächenaktiven Elementen im Jahr 2006 und die Inbetriebnahme eines zweiten Radioteleskops vor Ort, der Station Effelsberg des europäischen LOFAR-Teleskopnetzwerks.

Der Zeitreiseweg verläuft auf etwas mehr als 5 km Länge rund um das Gelände des Radio-Observatoriums, im Bereich von gleich zwei Bundesländern (Nordrhein-Westfalen und Rheinland-Pfalz).

Diskutieren Sie mit im Raumcon-Forum:

• Geschichte der Astronomie/ Historisches

Der Beitrag Volle Inbetriebnahme des Radioteleskops Effelsberg erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: Max-Planck-Institut für Radioastronomie.

23. Februar 2022 – Astronomen wurden überrascht von einer Quelle mysteriöser Radiostrahlungsausbrüche am Himmel, so genannter schneller Radiobursts, im bisher geringsten Abstand von der Erde. Präzisionsmessungen mit Radioteleskopen haben ergeben, dass die Ausbrüche in einem Kugelsternhaufen, einem System alter Sterne, entstanden sind, und zwar auf eine Weise, die niemand so erwartet hatte. Der Ursprung in der nahen Spiralgalaxie M 81 stellt die der Erde nächstgelegene Quelle von Radioblitzen dar.

Die Ergebnisse eines internationalen Teams von Wissenschaftlern, darunter Ramesh Karuppusamy und Uwe Bach vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn, werden diese Woche in zwei Veröffentlichungen in den Fachzeitschriften „Nature“ und „Nature Astronomy“ präsentiert.

Schnelle Radiostrahlungsausbrüche (Fast Radio Bursts oder FRBs) sind unvorhersehbare, extrem kurzzeitige Lichtblitze aus dem All. Seit ihrer Entdeckung im Jahr 2007 bemühen sich Astronomen, sie zu verstehen. Bislang wurden sie nur mit Radioteleskopen im Radiobereich des Spektrums gefunden.

Jeder dieser Radiostrahlungsausbrüche dauert nur rund ein Tausendstel einer Sekunde. Dennoch sendet jeder Blitz so viel Energie aus, wie die Sonne an einem ganzen Tag abstrahlt. Jeden Tag werden mehrere hundert dieser Radioblitze gezündet, und sie wurden bereits überall am Himmel beobachtet. Die meisten befinden sich in großer Entfernung von der Erde, in Galaxien, die Milliarden von Lichtjahren entfernt sind.

In zwei Artikeln, die diese Woche parallel in den Fachzeitschriften Nature und Nature Astronomy veröffentlicht werden, stellt ein internationales Team von Astronomen Beobachtungen vor, die die Wissenschaftler einen Schritt näher an die Lösung des Rätsels bringen – und gleichzeitig neue Rätsel aufwerfen. Das Team wird gemeinsam von Franz Kirsten (Chalmers-Universität, Schweden, und ASTRON, Niederlande) und Kenzie Nimmo (ASTRON und Universität Amsterdam) geleitet.

Die Wissenschaftler nahmen sich vor, hochpräzise Messungen einer Quelle von sich wiederholenden Blitzen durchzuführen, die im Januar 2020 im Sternbild Ursa Major, dem Großen Bären, entdeckt wurde.

„Wir wollten nach Hinweisen auf die Ursprünge der Ausbrüche suchen. Wenn wir viele Radioteleskope im Verbund benutzen, können wir den Ort der Quelle am Himmel mit äußerster Präzision bestimmen. Das gibt uns die Möglichkeit festzustellen, wie die lokale Umgebung eines schnellen Radiostrahlungsausbruchs aussieht“, sagt Franz Kirsten.

Nahe, aber überraschende Position
Bei der Analyse ihrer Messungen entdeckten die Astronomen, dass die wiederholten Radioblitze von einer Stelle ausgingen, die niemand so erwartet hatte.

Sie verfolgten die Ausbrüche bis in die Außenbezirke der nahe gelegenen Spiralgalaxie Messier 81 (M 81), die etwa 12 Millionen Lichtjahre entfernt ist. Damit stellt diese Entdeckung die bisher nächstgelegene Quelle für schnelle Radiostrahlungsausbrüche dar.

Es gab noch eine weitere Überraschung. Die Position stimmte genau mit einem Kugelsternhaufen überein, einer dichten Ansammlung von sehr alten Sternen.

„Es ist erstaunlich, schnelle Radiostrahlungsausbrüche in einem Kugelsternhaufen zu finden. Dies ist ein Ort im Weltraum, an dem man nur alte Sterne findet. Weiter draußen im Universum hat man solche Ausbrüche an Orten gefunden, an denen die Sterne viel jünger sind“, sagt Kenzie Nimmo.

„Die Ähnlichkeit des Ausbruchs mit der Emission einiger Pulsare in unserer Galaxie bringt uns zwar auf vertrautes Terrain, macht aber auch deutlich, dass die Vorläufer des Strahlungsausbruchs sehr unterschiedlich sein können. Dies ist sicherlich ein Anreiz für die Lokalisierung und Charakterisierung weiterer solcher Radiobursts“, fügt Ramesh Karuppusamy (Max-Planck-Institut für Radioastronomie, MPIfR), ein Mitautor der Studie, hinzu.

Viele schnelle Radiostrahlungsausbrüche wurden in der Umgebung von jungen, massereichen Sternen gefunden, die viel größer als die Sonne sind. An diesen Orten kommt es häufig zu Sternexplosionen, die stark magnetisierte Überreste hinterlassen.

Eine Reihe von Wissenschaftlern sind zu der Überzeugung gelangt, dass schnelle Radiobursts in Objekten entstehen können, die als Magnetare bekannt sind. Magnetare sind extrem dichte Überreste explodierter Sterne, die die stärksten bekannten Magnete im Universum darstellen.

„Wir erwarten, dass Magnetare strahlende und junge Objekte sind und definitiv nicht aus einer Umgebung von alten Sternen kommen. Wenn das, was wir hier sehen, also wirklich ein Magnetar ist, dann kann er nicht durch die Explosion eines jungen Sterns entstanden sein. Es muss einen anderen Weg geben“, sagt Jason Hessels (Universität Amsterdam und ASTRON), ein weiteres Mitglied des Forscherteams.

Die Wissenschaftler glauben, dass es sich bei der Quelle der Radioblitze um etwas handelt, das zwar vorhergesagt, aber bisher noch nie gesehen wurde: ein Magnetar, der sich bildete, als ein Weißer Zwerg genügend Masse angesammelt hatte, um unter seinem eigenen Gewicht zu kollabieren.

„Im Laufe des mehrere Milliarden Jahre dauernden Lebens eines engen Sternhaufens geschehen seltsame Dinge. Wir glauben, dass wir hier einen Stern mit einer ungewöhnlichen Geschichte sehen“, sagt Franz Kirsten.

Gewöhnliche Sterne wie die Sonne werden mit der Zeit alt und verwandeln sich in kleine, dichte, helle Objekte, die man Weiße Zwerge nennt. Viele Sterne im Sternhaufen leben in Doppelsternsystemen zusammen. Von den Zehntausenden von Sternen im Haufen kommen sich einige wenige so nahe, dass ein Stern Material vom anderen aufsammelt.

„Das kann zu einem Szenario führen, das mit dem Fachbegriff „akkretionsinduzierter Kollaps“ bezeichnet wird“, erklärt Kirsten.

„Wenn einer der Weißen Zwerge genug zusätzliche Masse von seinem Begleiter aufnimmt, kann er sich in einen noch dichteren Stern, einen so genannten Neutronenstern, verwandeln. Das ist ein seltenes Ereignis, aber in einem Haufen alter Sterne wäre es der einfachste Weg, um schnelle Radiostrahlungsausbrüche zu erzeugen“, sagt Teammitglied Mohit Bhardwaj von der McGill-Universität in Kanada.

Der schnellste aller Zeiten
Auf der Suche nach weiteren Hinweisen, indem sie ihr Datenvolumen vergrößerten, fanden die Astronomen eine weitere Überraschung: einige der Blitze waren sogar kürzer, als sie erwartet hatten.

„Die Radioblitze veränderten ihre Helligkeit innerhalb von nur ein paar Dutzend Nanosekunden. Das sagt uns, dass sie aus einem winzigen Volumen im Weltraum kommen müssen, kleiner als ein Fußballfeld und vielleicht nur einige Dutzend Meter groß“, sagt Kenzie Nimmo.

Ähnlich ultrakurze Signale wurden auch von einem der berühmtesten Objekte am Himmel, dem Pulsar im Krebsnebel, beobachtet. Dabei handelt es sich um einen winzigen, dichten Überrest einer Supernova-Explosion, die 1054 n. Chr. von der Erde aus im Sternbild Stier (Taurus) beobachtet wurde. Sowohl Magnetare als auch Pulsare sind verschiedene Arten von Neutronensternen und damit extrem dichte Objekte mit der Masse der Sonne in einem Volumen von der Größe einer Stadt, die starke Magnetfelder aufweisen.

„Einige der Signale, die wir gemessen haben, sind kurz und extrem stark, genau wie einige Signale des Krebs-Pulsars. Das deutet darauf hin, dass wir tatsächlich einen Magnetar sehen, allerdings an einem Ort, an dem bisher noch keine Magnetare gefunden wurden“, sagt Kenzie Nimmo.

Künftige Beobachtungen dieses und anderer Systeme werden dabei helfen, herauszufinden, ob es sich bei der Quelle tatsächlich um einen ungewöhnlichen Magnetar handelt oder um etwas anderes, wie einen Pulsar mit ungewöhnlichen Eigenschaften oder ein schwarzes Loch und einen dichten Stern in einer engen Umlaufbahn.

„Diese schnellen Radiostrahlungsausbrüche scheinen uns neue und unerwartete Einblicke in das Leben und Sterben von Sternen zu geben. Wenn das stimmt, könnten sie uns, ähnlich wie Supernovae, etwas über Sterne und ihr Leben sagen, das für das gesamten Universum gilt“, sagt Franz Kirsten.

Weitere Informationen
Um die Quelle mit der höchstmöglichen Auflösung und Empfindlichkeit zu untersuchen, verbanden die Wissenschaftler Teleskopmessungen im Rahmen des Europäischen VLBI-Netzwerks (EVN). Durch die Kombination der Daten von 12 Parabolantennen, die über die halbe Welt verteilt sind (Schweden, Lettland, Niederlande, Russland, Deutschland, Polen, Italien und China), konnten sie genau lokalisieren, wo am Himmel der Radiostrahlungsausbruch seinen Ursprung hat.

Das 100-m-Radioteleskop des MPIfR, das empfindlichste Einzelteleskop in Europa, wurde in zweifacher Hinsicht genutzt: zum einen im Rahmen des EVN-Netzwerks, zum anderen lieferte es mit dem PSRIX-Datenaufzeichnungssystem Pulsardaten mit hoher Zeitauflösung.

„Ich freue mich immer, wenn Daten aus Effelsberg zu einem so tollen Ergebnis beitragen können. Gerade bei VLBI-Beobachtungen von schwachen Signalen kann die Beteiligung unseres 100-m-Teleskops entscheidend sein“, sagt Uwe Bach vom MPIfR, Mitautor und zuständiger VLBI-Experte am Radio-Observatorium Effelsberg.

Die EVN-Messungen wurden durch Daten von mehreren anderen Radioteleskopen ergänzt, darunter das Karl G. Jansky Very Large Array (VLA) in New Mexico, USA.

Publikationen
A repeating fast radio burst source in a globular cluster
F. Kirsten et al., Nature, 2022.
DOI: 10.1038/s41586-021-04354-w
Burst timescales and luminosities link young pulsars and fast radio bursts
K. Nimmo et al., Nature Astronomy, 2022.
DOI: 10.1038/s41550-021-01569-9

Diskutieren Sie mit im Raumcon-Forum:

• Radioastronomie

Der Beitrag Kosmische Radioblitze an einem überraschenden Ort im Weltraum erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: Max-Planck-Institut für Radioastronomie.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Diskutieren Sie mit im Raumcon-Forum:

• Radioastronomie

Der Beitrag Bilder mit der höchsten Winkelauflösung in der Astronomie erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: Max-Planck-Institut für Radioastronomie.

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

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

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

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

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

Zum Verständnis von Jets

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

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

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

Zukünftige Beobachtungen

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Detaillierte Beschreibung von Abb. 1:

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

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

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

Diskutieren Sie mit im Raumcon-Forum:

• Aktive Galaktische Kerne – Quasare – supermassive Schwarze Löcher

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

Quelle: Max-Planck-Institut für Radioastronomie.

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

Diskutieren Sie mit im Raumcon-Forum:

• 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.

Das 100-m-Radioteleskop Effelsberg ist an einer Beobachtungskampagne zur Untersuchung eines sich wiederholenden schnellen Radiostrahlungsausbruchs (ein Beispiel für die mysteriösen Fast Radio Bursts oder FRBs) beteiligt, mit der es möglich wurde, den Ursprung des Ausbruchs in einer Spiralgalaxie ähnlich unserer Milchstraße zu lokalisieren.

Entscheidend für dieses Projekt waren sowohl die Empfindlichkeit des 100-m-Teleskops als auch sein flexibles Pulsar-Analyseinstrument, mit dem eine schnelle Lokalisierung der Radioposition möglich wurde. Dieser FRB hat von allen bisher identifizierten den geringsten Abstand zur Erde und wurde in einer Umgebung aufgespürt, die sich deutlich von denen für vorhergehende FRBs gefundenen unterscheidet. Das aktuelle Resultat führt wiederum dazu, dass die Forscher ihre Annahmen über den Ursprung dieser rätselhaften extragalaktischen Ereignisse überprüfen müssen.

Ein internationales Forscherteam, zu dem auch Ramesh Karuppusamy vom Bonner Max-Planck-Institut für Radioastronomie gehört, veröffentlicht die Ergebnisse in der aktuellen Ausgabe der Wissenschaftszeitschrift „Nature”.

Eines der größten Rätsel in der aktuellen astronomischen Forschung ist der Ursprung von extrem kurzen heftigen Radiostrahlungsausbrüchen, die als „Fast Radio Bursts” oder FRBs bezeichnet werden. Obwohl sie nur für Millisekunden sichtbar werden, hat man inzwischen Hunderte von Beobachtungen dieser rätselhaften Quellen. Aber lediglich für vier bisher gefundene FRBs ist auch eine genauere Position am Himmel bekannt und deren wahrscheinlicher Ursprung lokalisiert.

Im Jahr 2016 wurde bei einer dieser vier Quellen beobachtet, dass sich die Radiostrahlungsausbrüche wiederholen; sie kommen in nicht vorhersagbarer Weise aus der gleichen Region am Himmel. Im folgenden unterschieden die Forscher zwischen FRBs mit lediglich einem beobachteten Radiostrahlungsausbruch („non-repeating”) und solchen, für die gleich mehrere dieser Ausbrüche beobachtet werden konnten („repeating”).

„Die wiederholten Ausbrüche, die wir beim ersten identifizierten Repeater beobachten konnten, kommen aus sehr speziellen und extremen Bedingungen im Inneren einer  massearmen Zwerggalaxie”, sagt Benito Marcote vom „Joint Institute for VLBI ERIC”, der Erstautor der vorliegenden Untersuchung. „Diese Entdeckung markierte das erste Fundstück in einem Puzzle, aber sie warf auch neue Fragen auf wie zum Beispiel nach dem fundamentalen Unterschied zwischen „Repeatern” und „Non-Repeatern”. Jetzt haben wir eine zweite Quelle dieser wiederholten Radiostrahlungsausbrüche lokalisiert und können unsere vorherigen Annahmen über den Ursprung dieser Ausbrüche überprüfen.”

Am 19. Juni 2019 haben acht Radioteleskope im Rahmen des Europäischen VLBI-Netzwerks (EVN) gleichzeitig eine Radioquelle beobachtet, die unter der Bezeichnung FRB 180916.J0158+65 bekannt ist. Die Quelle war ursprünglich bereits im Jahr 2018 mit dem CHIME-Radioteleskop in Kanada entdeckt worden. Mit dem EVN konnten die Wissenschaftler eine Messung mit sehr hoher Winkelauflösung in Richtung von FRB 180916.J0158+65 durchführen. Während der fünf Stunden dauernden Beobachtung entdeckten die Forscher vier Strahlungsausbrüche, die jeweils weniger als zwei Millisekunden lang dauerten. Die erreichte Auflösung mit der Verbindung von Radioteleskopen über die ganze Erde hinweg und einer Beobachtungsmethode, die unter dem Namen „Very Long Baseline Interferometry” (VLBI) bekannt ist, bedeutete, dass die Position des Strahlungsausbruchs in der Galaxie auf eine Region von lediglich sieben Lichtjahren Ausdehnung festgelegt werden konnte. Das ist eine Genauigkeit, die der Lokalisierung eines einzelnen Menschen auf dem Mond von der Erde aus entspricht.

Das 100-m-Radioteleskop Effelsberg des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie (MPIfR) spielte gleich in zweierlei Hinsicht eine entscheidende Rolle bei der Durchführung dieser Beobachtungen. Zum einen wurde mit den flexiblen (Pulsar-) Instrumenten am Teleskop Daten für eine sehr schnelle Identifikation der Radiostrahlungsausbrüche gewonnen, die als Input für die hochaufgelösten Radiobeobachtungen wichtig waren. Zum anderen war die große Sammelfläche und damit Empfindlichkeit dieses Teleskops unverzichtbar für die koordinierten Interferometriebeobachtungen sehr schwacher Quellen wie diesem FRB.

Mit der präzisen Position der Radioquelle wurde es nun möglich, optische Beobachtungen dieses Bereichs am Himmel bei hoher Auflösung mit einem der größten optischen Teleskope der Erde, dem 8-m-Gemini-Nord-Teleskop auf dem Mauna Kea in Hawaii durchzuführen.

Die genaue Radioposition zeigt, dass die Strahlungsausbrüche aus einer Spiralgalaxie mit der Bezeichnung SDSS J015800.28+654253.0 kommen, die ungefähr eine halbe Milliarde Lichtjahre von der Erde entfernt liegt. Genauer gesagt, kommen die Ausbrüche aus einer Region innerhalb dieser Galaxie, in der starke Sternentstehungsaktivität stattfindet.

„Die ermittelte Position in der Galaxie ist deutlich anders als bei dem vorher bereits identifizierten „Repeater”, sie unterscheidet sich aber auch von allen anderen bisher untersuchten FRBs”, erklärt Kenzie Nimmo, eine Doktorandin an der Universität Amsterdam und Ko-autorin der Untersuchung. „Die Unterschiede zwischen „Repeatern” und „Non-Repeatern” werden damit weniger eindeutig und wir nehmen an, dass diese Ereignisse nicht an einen bestimmten Typ von Galaxie oder Umgebung innerhalb einer Galaxie gebunden sind. Es mag durchaus sein, dass FRBs in einer großen Vielfalt von Umgebungen im Universum auftreten und dass es spezielle Bedingungen braucht, um sie nachweisbar zu machen.”

„Mit den vorliegenden Ergebnissen wird es zunehmend unwahrscheinlich, dass die sich wiederholenden FRBs auf sehr starke Signale von Radiopulsaren zurückzuführen sind”, sagt Ramesh Karuppusamy vom MPIfR, ebenfalls Ko-autor der vorliegenden Untersuchung. „Wir sind an der Schwelle, mit neuen noch empfindlicheren Radioteleskopen weitere FRBs zu lokalisieren und damit schließlich die wahre Natur dieser Quellen herauszufinden.”

Während die aktuelle Untersuchung Zweifel an vorherigen Annahmen über FRBs weckt, ist es auf jeden Fall der FRB mit dem geringsten Abstand zur Erde, der bisher lokalisiert werden konnte. Dadurch wird eine sehr detaillierte Untersuchung dieses Phänomens möglich.  

„Wir hoffen, dass die Fortsetzung unserer Untersuchungen schließlich die Bedingungen für die Entstehung solch rätselhafter Radioastrahlungsausbrüche aufzeigt. Unser Ziel ist es, weitere FRBs genau zu lokalisieren und letztendlich auch ihren Ursprung verstehen zu können”, schließt Jason Hessels, vom Niederländischen Institut für Radioastronomie (ASTRON) und der Universität Amsterdam.

Warum die Lokalisierung von „Fast Radio Bursts” (FRBs) wichtig ist

Während „Fast Radio Bursts” (FRBs) nach wie vor ein Rätsel darstellen, kann ihre Untersuchung zu einem tieferen Verständnis des Universums selbst führen. In der modernen Kosmologie ist es eine entscheidende Frage, wie sich Strukturen auf allen Größenskalen gebildet haben. Es bedarf aufwändiger Computersimulationen, um Antworten auf diese Fragen zu finden, wobei die Ergebnisse stark von den angenommenen Anfangsbedingungen abhängen. Die Resultate der Simulationen müssen mit tatsächlichen Beobachtungen verglichen werden, um sicherzustellen, dass sie auch genaue Antworten liefern. Das Ganze ist problematisch, weil der überwiegende Teil der in Galaxien verteilten Materie unsichtbar bleibt.

Hier könnten nun FRBs in Zukunft eine elegante Lösung für dieses Problem liefern. Die beobachteten extrem kurzdauernden Pulse von FRBs sind „dispergiert”, d.h., die Ankunftszeit der Pulse bei längeren Wellenlängen ist geringfügig später als bei kürzeren Wellenlängen. Diese Zeitverzögerung kann extrem genau vermessen werden und sie liefert eine indirekte Abschätzung über die Gesamtmenge von Materie zwischen Quelle und Erde. Wenn nun Tausende von FRBs in allen Richtungen gefunden werden, wird es möglich, darüber die Verteilung von Materie im Universum zu kartieren. Um allerdings auch die tatsächliche dreidimensionale Verteilung der Materie im Kosmos zu erfassen, müssen die Astronomen die Entfernung der jeweiligen FRBs von der Erde bestimmen.

Wie lokalisiert man einen „Fast Radio Burst” (FRB)?

Die meisten bisher entdeckten FRBs sind mit Einzelteleskopen in Radiowellen aufgespürt worden, die nur eine ungefähre Richtung für den Ursprung des FRBs am Himmel liefern können. Mit der Anwendung der „Very Long Baseline Interferometry” (VLBI) ist nun ein neuartiger Ansatz dafür möglich.

Zur Zeit ist das Europäische VLBI-Netzwerk (EVN) das einzige Netzwerk weltweit, das genügend Empfindlichkeit bereitstellt, um FRBs zu untersuchen. Dadurch können die Astronomen sowohl die Ursprungsgalaxie für den Strahlungsausbruch identifizieren als auch die direkte lokale Umgebung innerhalb der Galaxie selbst. Zusätzliche Beobachtungen der Galaxie in optischen Wellenlängen ermöglichen die Bestimmung des Abstands von der Erde. Die Untersuchung der direkten Umgebung des Strahlungsausbruchs innerhalb der Galaxie ist entscheidend, um herauszufinden, wie die FRBs entstehen und welche extragalaktischen Objekte damit in Verbindung gebracht werden können.  

„Für die weitere Enthüllung der Rätsel der FRBs müssen wir diese Quellen unglaublich detailliert untersuchen. Die kombinierte Empfindlichkeit unserer Radioteleskope im Rahmen des EVN-Netzwerks gibt uns eine im Moment einzigartige Möglichkeit, diese Phänomene zu beobachten und wir hoffen, dass die zukünftigen Beobachtungen zum Verständnis dieser rätselhaften Quellen beitragen”, sagt Francisco Colomer, Direktor des Joint Institute for VLBI ERIC.

Beteiligte Institute und Teleskope

Hochaufgelöste Radiobeobachtungen wurden im Rahmen des Europäischen Very Long Baseline Interferometry Network (EVN) durchgeführt. Das EVN ist das weltweit empfindlichste VLBI-Netzwerk für detaillierte Beobachtungen kosmischer Radioquellen. Die gewonnenen Daten werden am „Joint Institute for VLBI ERIC” (JIVE) in den Niederlanden analysiert.

Insgesamt acht Radioteleskope wurden im Rahmen des EVN-Netzwerks eingesetzt: das 25×38-m Jodrell Bank Mark2 der Universität Manchester (Gr0ßbritannien), eine 25-m Antenne des Westerbork-Teleskops von ASTRON in den Niederlanden, das 100-m-Radioteleskop Effelsberg des Bonner Max-Planck-Instituts für Radioastronomie, das 32-m-Radioteleskop Medicina des National Institute for Astrophysics in Italien, das 25-m-Radioteleskop Onsala des Onsala Space Observatory in Schweden, das 32-m-Radioteleskop  Toruń der Nicolaus Copernicus University in Polen, das 32-m-Radioteleskop Irbene, des Ventspils International Radio Astronomy Centre in Lettland, sowie das 65-m-Radioteleskop Tianma, Chinese Academy of Sciences nahe Shanghai in China.

Die nachfolgenden optischen Beobachtungen wurden mit dem 8,1-m-Teleskop Gemini North des National Science Foundation’s National Optical-Infrared Astronomy Research Laboratory und der Association of Universities for Research in Astronomy auf dem Mauna Kea in Hawaii durchgeführt.

Die Autoren der aktuellen Untersuchung umfasnen B. Marcote, K. Nimmo, J. W. T. Hessels, S. P. Tendulkar, C. G. Bassa, Z. Paragi, A. Keimpema, M. Bhardwaj, R. Karuppusamy, V. M. Kaspi, C. J. Law, D. Michilli, K. Aggarwal, B. Andersen, A. M. Archibald, K. Bandura, G. C. Bower, P. J. Boyle, C. Brar, S. Burke-Spolaor, B. J. Butler, T. Cassanelli, P. Chawla, P. Demorest, M. Dobbs, E. Fonseca, U. Giri, D. C. Good, K. Gourdji, A. Josephy, A. Yu. Kirichenko, F. Kirsten, T. L. Landecker, D. Lang, T. J. W. Lazio, D. Z. Li, H.-H. Lin, J. D. Linford, K. Masui, J. Mena-Parra, A. Naidu, C. Ng, C. Patel, U.-L. Pen, Z. Pleunis, M. Rafiei-Ravandi, M. Rahman, A. Renard, P. Scholz, S. R. Siegel, K. M. Smith, I. H. Stairs, K. Vanderlinde and A. V. Zwaniga mit Ramesh Karuppusamy als Ko-autor vom MPIfR.

Originalveröffentlichung

A repeating fast radio burst source localized to a nearby spiral galaxy

B. Marcote et al., Nature, Online-Veröffentlichung am 6. Januar 2020

Diskutieren Sie mit im Raumcon-Forum:

• Zusammenschaltung von Radioteleskopen

Der Beitrag Radiostrahlungsausbruch wiederholt sich erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: Max-Planck-Institut für Radioastronomie.

Das Neutrino-Ereignis IceCube 170922A, entdeckt mit dem IceCube-Neutrinoobservatorium am Südpol, kann mit hoher Wahrscheinlichkeit mit der aktiven Galaxie TXS 0506+056 in Verbindung gebracht werden, die in einer Entfernung von 3,8 Milliarden Lichtjahren liegt. TXS 0506+056 ist nur eine von zahlreichen aktiven Galaxien und es war zunächst rätselhaft, warum bis jetzt nur diese Galaxie ein von der Erde aus nachweisbares Neutrino erzeugt hat.

Ein internationales Forscherteam unter der Leitung von Silke Britzen vom Bonner Max-Planck-Institut für Radioastronomie hat hochaufgelöste Radiobeobachtungen von TXS 0506+56 aus den Jahren 2009 bis 2018, also bevor und nach dem Neutrino-Ereignis, untersucht. Das Team erklärt die verstärkte Neutrinoaktivität während eines früheren Neutrinoausbruchs und das mit IceCube nachgewiesene Neutrino durch einen kosmischen Zusammenstoß innerhalb der Galaxie. Das Aufeinandertreffen von Materie im Wechselwirkungsbereich des Jets in der Umgebung eines supermassereichen Schwarzen Lochs könnte zur Erzeugung der Neutrinos geführt haben.

Die Ergebnisse wurden am 2. Oktober 2019 in der Fachzeitschrift „Astronomy & Astrophysics“ veröffentlicht.

Am 12. Juli 2018 hat die IceCube-Kollaboration die Entdeckung des ersten hochenergetischen Neutrinos, IceCube-170922A, bekanntgegeben, das auf einen Ursprung in großer kosmischer Entfernung zurückgeführt werden konnte. Während der Ursprung in größerer Entfernung im Kosmos für Neutrinos schon lange Zeit vermutet wurde, ist dies das erste Mal, das die Herkunft eines Neutrinos aus einer fernen Galaxie bestätigt werden konnte. Die „Heimat“ des Neutrinos ist ein sogenannter aktiver galaktischer Kern („Active Galactic Nucleus“, AGN), eine Galaxie mit einem supermassereichen Schwarzen Loch als Zentralquelle. Ein internationales Forscherteam konnte nun den Entstehungsprozess für dieses Neutrino aufklären und fand den entsprechenden Vorgang zu einem Teilchenbeschleuniger auf der Erde: ein kosmischer Zusammenstoß von Materie aus Teilchenstrahlen oder Jets.

Aktive galaktische Kerne sind die energiereichsten Objekte in unserem Universum. Angetrieben durch supermassereiche Schwarze Löcher wird Materie auf die Zentralquelle akkretiert und Teilchenstrahlen bzw. Plasmaströme (sogenannte Jets) werden in den intergalaktischen Raum hinausgeschleudert. BL-Lac-Objekte (benannt nach dem Prototyp BL Lacertae im Sternbild Eidechse) bilden eine spezielle Klasse solcher AGN, bei denen der Jet zufällig in Richtung Erde ausgerichtet ist und die beobachtete Strahlung dominiert. Das Neutrino-Ereignis IceCube-170922A hat allem Anschein nach seinen Ursprung in dem BL-Lac-Objekt TXS 0506+056, einer Galaxie mit einer Rotverschiebung von z=0,34. Das entspricht einer Lichtlaufzeitentfernung von 3,8 Milliarden Lichtjahren. Untersuchungen der IceCube Collaboration von Archivdaten hatten zuvor Hinweise auf erhöhte Neutrino-Aktivität aus derselben Galaxie für die Zeit zwischen September 2014 und März 2015 ergeben.

Andere BL-Lac-Objekte zeigen Eigenschaften ganz ähnlich zu denen von TXS 0506+056. „Es war schon etwas rätselhaft, warum gerade diese Galaxie als Quelle für ein Neutrino-Ereignis identifiziert werden konnte“, erklärt Silke Britzen vom Bonner Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR), die Erstautorin der Veröffentlichung. „Wir wollten herausfinden, was TXS 0506+056 so speziell macht, um den Entstehungsprozess für Neutrinos zu verstehen und den Ort der Entstehung genauer zu lokalisieren. Dazu haben wir hochaufgelöste Radiobilder des Jets in dieser Quelle untersucht.“

Zu ihrer großen Überraschung fanden die Forscher eine nicht erwartete Wechselwirkung im Jet-Material von TXS 0506+056. Während das Plasma im Jet normalerweise gleichförmig in einer Art Strömungskanal fließt, scheint die Situation in dieser Galaxie anders zu sein. Das Team geht davon aus, dass sowohl die verstärkte Neutrinoaktivität während eines Neutrinoausbruchs in den Jahren 2014 und 2015 sowie das Einzelneutrino IceCube-170922A durch einen kosmischen Zusammenstoß innerhalb der Galaxie TXS 0506+056 erklärt werden können.

Diese kosmische Kollision kann zurückgeführt werden auf neu erzeugtes Jetmaterial, das auf einen älteren Jet auftrifft. Die stark gekrümmte Struktur des Jets in den Beobachtungen ist ein Beleg für eine solche Annahme. Eine weitere mögliche Erklärung ist die Kollision zweier Jets in der gleichen Quelle. In beiden Szenarien ist es die Kollision von Jetmaterial, die das Neutrino erzeugt.

Markus Böttcher von der North-West-Universität in Potchefstroom (Südafrika), ist Ko-autor der Veröffentlichung und hat die Modellrechnungen bzgl. Strahlung und Teilchenemission durchgeführt. „Die Kollision von Jetmaterial ist im Moment der einzige verfügbare Mechanismus, der die Entdeckung eines Neutrinos aus dieser Quelle erklären kann. Sie gibt uns auch wichtige Einsichten bzgl. des Jetmaterials und löst die lange bestehende Frage, ob die Jets eher aus leptonischem Material, also Elektronen und Positronen, oder aus hadronischem Material, also Elektronen und Protonen, oder aus einer Kombination von beidem bestehen. Zumindest ein Teil des Materials muss hadronisch sein, sonst hätten wir das Neutrino nicht entdeckt.“

Im Lauf der kosmischen Evolution unseres Universums scheinen Kollisionen von Galaxien recht häufig aufzutreten. Unter der Annahme, dass zwei miteinander kollidierende Galaxien beide ein supermassereiches Schwarzes Loch im Zentrum aufweisen, erzeugt die Kollision dieser Galaxien ein Paar von Schwarzen Löchern im Zentrum, das sich in immer geringer werdendem Abstand umkreist und schließlich miteinander fusioniert. Bei dieser Verschmelzung werden Gravitationswellen ausgesandt. Dieser Vorgang ist bei supermassereichen Schwarzen Löchern äquivalent zur Fusion wesentlich masseärmerer stellarer Schwarzer Löcher, deren Gravitationswellen mit den LIGO/VIRGO-Detektoren nachgewiesen werden konnten.

Aktive galaktische Kerne mit binären Schwarzen Löchern in einem geringen Abstand von nur wenigen Lichtjahren werden bereits seit langer Zeit gesucht. Sie dürften jedoch sehr selten und auch schwer zu identifizieren sein. Zusätzlich zum Nachweis der Kollision von Jetmaterie haben die Forscher auch Anzeichen für eine Präzession des zentralen Jets in TXS 0506+056 gefunden.

Dazu Michal Zajaček vom Zentrum für Theoretische Physik in Warschau, ein weiterer Ko-autor der Veröffentlichung: „Diese Präzession kann entweder durch ein binäres supermassereiches Schwarzes Loch erklärt werden oder aber durch den Lense-Thirring-Präzessionseffekt, wie von Einstein in der Allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagt. Letzterer könnte wiederum durch ein zweites supermassereiches Schwarzes Loch in etwas größerem Abstand im Zentrum der Galaxie ausgelöst worden sein. Beide Szenarien führen zu einer Änderung in der Ausrichtung des Jets, wie wir sie auch beobachten.“

Christian Fendt vom Heidelberger Max-Planck-Institut für Astronomie ist erstaunt: „Je näher wir an den Ursprung der Jets herankommen, desto komplizierter werden innere Struktur und Dynamik dieser Jets. Die binären Schwarzen Löcher erzeugen eine komplexe Struktur in dem ausgeworfenen Material, welches von den kosmologischen Modellen der Galaxienentstehung bei der Verschmelzung von Galaxien erwartet wird.“

Silke Britzen betont das wissenschaftliche Potential des Forschungsergebnisses: „Es ist phantastisch, dass wir die Erzeugung von Neutrinos durch detaillierte Analyse von Jets in Galaxien untersuchen können. Und es wäre wirklich ein Durchbruch, wenn mit unserer Veröffentlichung ein weiterer Kandidat für ein binäres Schwarzes Loch mit zwei Jets bestätigt werden könnte.“

Es scheint zum ersten Mal gelungen zu sein, die Kollision zweier Jets im Zentrum einer Galaxie auf Skalen von nur wenigen Lichtjahren zu bestätigen und die Entdeckung eines kosmischen Neutrinos auf eine Jetkollision zurückführen zu können.

Während TXS 0506+056 vielleicht nicht repräsentativ für die Klasse von BL-Lac-Objekten ist, könnte diese Quelle aber doch maßgeblich sein für die wiederholte Wechselwirkung des Materials zweier Jets und die dadurch hervorgerufene Erzeugung von Neutrinos.

Hintergrundinformation:
Das IceCube Neutrino-Observatorium wurde zur Erforschung des Kosmos tief im Eis der Antarktis errichtet. Mit Detektoren eines Volumens von einem Kubikkilometer Eis sucht IceCube nach nahezu masselosen Elementarteilchen, die als Neutrinos bezeichnet werden. Diese hochenergetischen Botschafter aus den Tiefen des Universums enthalten Informationen über einige der heftigsten astrophysikalischen Phänomene im Universum wie explodierende Sterne, Gammastrahlungsausbrüche, Schwarze Löcher und Neutronensterne.

MOJAVE (Monitoring Of Jets in Active galactic nuclei with VLBA Experiments) ist ein Langzeitprogramm zur systematischen Erfassung von Äderungen in der Gesamthelligkeit und Polarisation von Jets in Verbindung mit aktiven galaktischen Kernen (AGN) am Nordhimmel. Das Very Long Baseline Array (VLBA) umfasst ein Netzwerk von zehn Radioteleskopen, die von Socorro/New Mexico aus gesteuert werden und in einem interferometrischen Modus (Very Long Baseline Interferometrie, VLBI) miteinander verbunden sind.

BL-Lac-Objekte stellen eine besondere Unterklasse von aktiven galaktischen Kernen (AGN) dar. Als AGN wird ein kompakter Bereich im Zentrum bestimmter Galaxien bezeichnet, der eine wesentlich erhöhte Leuchtkraft in einem maßgeblichen Teil des elektromagnetischen Spektrums aufweist. Diese Leuchtkraft ist nichtthermischen Ursprungs und wird durch die Akkretion von Materie in der unmittelbaren Umgebung des zentralen supermassereichen Schwarzen Lochs erzeugt. Der Jet eines BL-Lac-Objekts ist geometrisch direkt auf den Beobachter gerichtet und zeigt demzufolge ein einzigartiges Radioemissionsspektrum.

Die Autoren der Originalveröffentlichung in “Astronomy & Astrophysics” sind Silke Britzen, Christian Fendt, Markus Böttcher, Michal Zajaček, Frederic Jaron, Ilya Pashchenko, Anabella Araudo, Vladimir Karas, und Omar Kurtanidze. Silke Britzen, die Erstautorin, und ebenso Michal Zajaček und Frederic Jaron haben eine MPIfR-Affiliation.

Neben dem MPIfR umfassen die Affiliationen der Ko-autoren das Max-Planck-Institut für Astronomie (Heidelberg), das Centre for Space Research (North-West University, Potchefstroom, Südafrika), das I. Physikalisches Institut der Universität Köln, das Zentrum für Theoretische Physik der polnischen Akademie der Wissenschaften in Warschau, das Institut für Geodäsie und Geoinformation der Universität Bonn, das Astro Space Center des Physikalischen Instituts Lebedev in Russland, das Astronomische Institut und das Institut für Physik der Tschechischen Akademie der Wissenschaften in Prag sowie das Abastumani-Observatorium in Georgien.

Der Beitrag Kosmische Kollision erzeugt Neutrino erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: Max-Planck-Gesellschaft.

Schwarze Löcher verschlucken alles Licht und sind daher unsichtbar. Was plausibel klingt, ist in der Praxis zum Glück für die Astronomen doch ein wenig anders. Denn schwarze Löcher sind von leuchtenden Gasscheiben umgeben und heben sich daher vom dunklen Hintergrund ab, ähnlich wie eine schwarze Katze auf einem weißen Sofa. Und so ist es mit dem Event Horizon Telescope jetzt erstmals gelungen, ein schwarzes Loch zu fotografieren. Dabei nahm dieses weltweite Netzwerk von acht bodengebundenen Radioteleskopen die rund 55 Millionen Lichtjahre entfernte Galaxie Messier 87 ins Visier. An der Beobachtung beteiligt sind auch Forschende des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie und des Instituts für Radioastronomie im Millimeterbereich (IRAM).

Im April 2017 verlinkten die Wissenschaftler zum ersten Mal acht Teleskope rund um den Globus und bildeten auf diese Weise ein virtuelles Teleskop, dessen Öffnung nahezu dem Durchmesser der Erde entsprach. Very-Long-Baseline-Interferometrie (VLBI) heißt diese Technik, in der die Signale der Einzelantennen gleichsam überlagert werden. Diese Synchronisation geschieht mithilfe von hochpräzisen Atomuhren auf die Nanosekunde genau. Dabei lässt sich eine extreme Winkelauflösung von weniger als 20 Mikro-Bogensekunden erreichen; hätten unsere Augen ein derartiges Leistungsvermögen, könnten wir die einzelnen Moleküle in unserer Hand sehen.

Zum Verbund dieses sogenannten Event Horizon Telescope (EHT) gehörten unter anderem der 30-Meter-Spiegel von IRAM in Spanien sowie das APEX-Teleskop in Chile, an dem das Max-Planck-Institut für Radioastronomie beteiligt ist. Insgesamt haben die Teleskope allein bei den Beobachtungen im Jahr 2017 etwa vier Petabytes an Daten aufgenommen – eine solch große Menge, dass der Transport auf dem Postweg tatsächlich schneller und effektiver ist, als das Senden der Daten per Internet. Die Messdaten wurden am Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn mittels eines Supercomputers, dem Korrelator, kalibriert und ausgewertet.

„Die Ergebnisse geben uns zum ersten Mal einen klaren Blick auf ein supermassives schwarzes Loch und sie markieren einen wichtigen Meilenstein für unser Verständnis der fundamentalen Prozesse, welche die Bildung und die Entwicklung von Galaxien im Universum bestimmen“, sagt Anton Zensus, Direktor am Bonner Max-Planck-Institut und Vorsitzender des EHT-Kollaborationsrats. Es sei bemerkenswert, dass in diesem Projekt astronomische Beobachtungen und theoretische Interpretation schneller als erwartet zum erhofften Resultat geführt hätten.

Nach den Worten von IRAM-Direktor Karl Schuster basiert der Erfolg auf einer „jahrzehntelangen europäischen Fachkompetenz“ in der Millimeterastronomie: „Schon in den 1990er-Jahren haben das Max-Planck-Institut in Bonn und unser Institut mit seinen beiden Observatorien technisch und wissenschaftlich gezeigt, dass wir mit hochauflösenden Radiobeobachtungen eine einzigartige Methode besitzen, die unmittelbare Umgebung von supermassiven schwarzen Löchern zu analysieren.” IRAM als eine von der Max-Planck-Gesellschaft mitfinanzierte Einrichtung nahm mit dem 30-Meter-Teleskop an der Kampagne aktiv teil. Dieses Teleskop spielte mit seinem in Europa gelegenen Standort und seiner außerordentlichen Empfindlichkeit eine entscheidende Rolle für den Erfolg der EHT-Beobachtung.

Das Herz der supermassiven Galaxie M 87 besitzt zwei spezielle Eigenschaften, die es zu einem geeigneten Kandidaten für das Projekt machen: Es ist zum einen dank seiner ungewöhnlichen Größe und zum anderen wegen seiner relativen Nähe zur Erde gut zu sehen und damit ein perfektes Studienobjekt für Wissenschaftler, die mit dem weltumspannenden Teleskopverbund nun endlich ein Instrument besitzen, um ein solch exotisches Objekt direkt zu beobachten.

Die Regionen um supermassive schwarze Löcher sind den extremsten Bedingungen ausgesetzt, die wir im Weltall kennen. Schwarze Löcher sind faszinierende kosmische Objekte, die eine unglaubliche Gesamtmasse innerhalb eines winzigen Raumbereichs umfassen. Ihre Masse und damit ihre Anziehungskraft sind so groß, dass selbst Licht ihnen nicht entkommen kann. Daher bleiben sie schwarz – und es ist unmöglich, sie direkt wahrzunehmen.

Die einzige Chance, schwarze Löcher zu sehen, besteht darin, ihren „Schatten“ abzubilden. Dieser entsteht durch die extrem starke Beugung des Lichts – und zwar kurz bevor es unwiderruflich im schwarzen Loch verschwindet. Hochauflösende Radiobeobachtungen im Bereich von Millimeterwellen erlauben es den Astronomen, ungestört von dichten Staub- und Gaswolken bis an die Ränder von schwarzen Löchern vorzudringen.

Das jetzt veröffentlichte Bild wurde bei 1,3 Millimeter Wellenlänge gewonnen und zeigt klar eine ringförmige Struktur mit einer dunklen Zentralregion – eben den Schatten des schwarzen Lochs. Um dieses sehr massereiche und kompakte Objekt bewegt sich mit hohen Geschwindigkeiten ein heißes Gasplasma. Die ringförmige Struktur auf dem Bild ist nichts anderes als die stark erhitzte Materie um das Massemonster, dessen Licht von ihm selbst wie durch eine Linse umgelenkt und verstärkt wird. Nach einer rund 55 Millionen Lichtjahre langen Reise trifft es auf die Teleskope des EHT-Verbundes.

Der Ursprungsort, M 87, ist eine elliptische Riesengalaxie nahe dem Zentrum des Virgo-Galaxienhaufens. Charles Messier trug im Jahr 1781 das Objekt unter der Nummer 87 in seinen Katalog ein. Die Galaxie ist auch als starke Radioquelle namens Virgo A bekannt und sehr aktiv. Aus ihrem Kern schießt ein mindestens 5000 Lichtjahre langer Jet – Materie, die in der Akkretionsscheibe des schwarzen Lochs im Zentrum beschleunigt wird und in Form eines stark gebündelten Strahls senkrecht zu dieser Scheibe mit hoher Geschwindigkeit ausströmt.

Der Schatten verrät den Forschenden eine Menge über die Natur der zentralen Maschinerie und ermöglicht es ihnen, die enorme Gesamtmasse des schwarzen Lochs von M 87 präzise zu bestimmen. Sie liegt bei 6,5 Milliarden Sonnenmassen. Dieser Wert deckt sich gut mit dem aus anderen Beobachtungen gewonnen.

„Über viele Jahrzehnte konnten wir schwarze Löcher nur indirekt nachweisen“, sagt Michael Kramer, Direktor am Max-Planck-Institut für Radioastronomie. Dann haben Detektoren vor ein paar Jahren zum ersten Mal Gravitationswellen gemessen und die Auswirkungen von schwarzen Löchern auf die Raumzeit bei deren Verschmelzung gleichsam hörbar gemacht. „Nun können wir sie endlich auch sehen und haben die Möglichkeit, diese exotischen Objekte und deren extreme Raumzeitkrümmung mit all ihrer Faszination auf einzigartige Weise zu untersuchen“, sagt der Wissenschaftler, einer der Hauptverantwortlichen von BlackHoleCam. Dieses Projekt ist Teil des EHT, dem rund 200 Forschende angehören.

Die Beobachtungen gehen weiter. Seit Ende 2018 ist auch NOEMA, das zweite IRAM-Observatorium in den französischen Alpen, Teil des weltweiten Verbundes. Mit seinen zwölf hochempfindlichen Antennen wird dieses Observatorium das leistungsfähigste des EHT auf der nördlichen Hemisphäre sein. „Dank NOEMA werden wir in einen neuen Empfindlichkeitsbereich vorstoßen und damit noch mehr faszinierende Erkenntnisse gewinnen“, sagt Karl Schuster.

Für Anton Zensus bedeutet der Erfolg eine Zäsur in der Astronomie. „In Zukunft werden sich Forscher weit über unser Arbeitsgebiet hinaus klar an eine Zeit vor und nach dieser Entdeckung erinnern”, sagt der Max-Planck-Direktor. Seiner Meinung nach werden die Astronomen die galaktischen Zentren besser verstehen und ein vollständiges Bild von Entstehung und Entwicklung aktiver Galaxien gewinnen. Zudem werde man die allgemeine Relativitätstheorie auf Herz und Nieren testen können. „Denn schwarze Löcher sind ein ideales Labor für Messungen unter starker Schwerkraft.“

Diskutieren Sie mit im Raumcon-Forum:

• Event Horizon Telescope „EHT“

Der Beitrag Das erste Bild eines schwarzen Lochs erschien zuerst auf Raumfahrer.net.