Zum ersten Mal haben Astronomen den Schatten des schwarzen Lochs im Zentrum der Galaxie Messier 87 (M87) und den mächtigen Jet, der von ihm ausgestoßen wird, auf demselben Bild beobachtet. Die Beobachtungen wurden 2018 mit Teleskopen des Global Millimeter VLBI Array (GMVA), des Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), an dem die ESO beteiligt ist, und des Greenland Telescope (GLT) durchgeführt. Dank dieses neuen Bildes können Astronomen besser verstehen, wie schwarze Löcher solch energiereiche Jets ausstoßen können.

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

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

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

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

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

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

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


Den Artikel finden Sie unter:

https://www.eso.org/public/news/eso2305/

Quelle: Max-Planck-Institut für Astronomie (04/2023)


Publikation
Ru-Sen Lu et al., "A ring-like accretion structure in M87 connecting its black Loch and jet", Nature (2023). doi: 10.1038/s41586-023-05843-w
https://www.eso.org/public/archives/releases/sciencepapers/eso2305/eso2305a.pdf