M 87
Viele Teleskope und ein Schwarzes Loch
Redaktion / Pressemitteilung des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie
astronews.com
15. April 2021

Im April 2019 veröffentlichten Forscherinnen und Forscher das erste "Bild" des supermassereichen Schwarzen Lochs in M 87, das mithilfe des Event Horizon Telescope (EHT) entstanden war. Gestern wurden nun weitere Beobachtungen des Zentralbereichs der Galaxie mit zahlreichen anderen Teleskopen veröffentlicht. Sie bieten einen beispiellosen Blick auf dieses Schwarze Loch.

Zusammengesetztes Bild, das zeigt, wie das M-87-System über das gesamte elektromagnetische Spektrum hinweg während der EHT-Kampagne im April 2017 zur Aufnahme des ikonischen ersten Bildes eines Schwarzen Lochs aussah. Dieses Bild, erstellt aus Beobachtungen mit 19 verschiedenen Einrichtungen auf der Erde und im Weltraum, offenbart die enormen Ausmaße, die das Schwarze Loch und sein nach vorne gerichteter Jet haben, der gerade außerhalb des Ereignishorizonts startet und in seiner Ausdehnung die gesamte Galaxie umfasst. Bild: EHT Multi-Wavelength Science Working Group; EHT-Kollaboration; ALMA (ESO/NAOJ/NRAO); EVN; EAVN-Kollaboration; VLBA (NRAO); GMVA; Hubble Space Telescope, Neil-Gehrels-Swift-Observatorium; Chandra X-ray-Observatorium; Nuclear Spectroscopic Telescope Array; Fermi-LAT-Kollaboration; H.E.S.S.-Kollaboration; MAGIC-Kollaboration; VERITAS-Kollaboration; NASA und ESA. Bildzusammenstellung durch J.C. Algaba  [Großansicht]

Die gewaltige Gravitation eines supermassereichen Schwarzen Lochs akkretiert nicht nur Materie, sondern treibt auch einen energiereichen Materieausfluss oder Jet an, der Teilchen mit nahezu Lichtgeschwindigkeit über riesige Entfernungen bewegt. Der Jet von M 87 erzeugt Strahlung über das gesamte elektromagnetische Spektrum, von Radiowellen bis hin zu Gammastrahlen. Das Muster dieser Strahlung ist bei jedem Schwarzen Loch anders und gibt entscheidende Einblicke in die Eigenschaften eines Schwarzen Lochs.

Es ist aber auch eine Herausforderung für die Forscher, weil sich dieses Muster mit der Zeit verändert. Während der Beobachtungen von M 87 mit dem Event Horizon Telescope (EHT) kompensierten die Wissenschaftler solche Schwankungen, indem sie die Beobachtungen mit vielen der weltweit leistungsstärksten Teleskope am Boden und im Weltraum koordinierten und Strahlung über das gesamte elektromagnetische Spektrum erfassten. Es ist die umfangreichste simultane Beobachtungskampagne, die jemals für ein supermassereiches Schwarzes Loch mit Jets durchgeführt wurde.

"Dieser einzigartige Datensatz ist entscheidend für unser Verständnis der physikalischen Bedingungen in der unmittelbaren Umgebung eines der massereichsten Schwarzen Löcher in unserer kosmischen Nachbarschaft“, sagt Stefanie Komossa, Astronomin am Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR) in Bonn, Teammitglied bei den unterstützenden Multi-Wellenlängen-Beobachtungen des EHT. Mit der Veröffentlichung geben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler diesen riesigen Datensatz im Rahmen der neuen Untersuchung frei. Damit kann jeder Interessierte die Daten selbst analysieren und für seine eigenen Studien nutzen.

Jedes Teleskop liefert entscheidende Informationen über das Verhalten und die Auswirkungen des Schwarzen Lochs im Zentrum von M 87 mit einer Masse von 6,5 Milliarden-Sonnenmassen, das etwa 55 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt liegt. "Wir wussten, dass das erste direkte Bild eines Schwarzen Lochs bahnbrechend sein würde", sagt Teammitglied Kazuhiro Hada vom National Astronomical Observatory of Japan. "Aber um das Beste aus diesem bemerkenswerten Bild herauszuholen, müssen wir alles über das Verhalten des Schwarzen Lochs zu dieser Zeit wissen, indem wir Beobachtungen über das gesamte elektromagnetische Spektrum durchführen."

"Die Kombination von VLBI-Daten aus dem Radio-Millimeter-Band mit zeitnah durchgeführten Messungen bei anderen Wellenlängen wie Nahinfrarot, Optik, Röntgen- und Gammastrahlung bietet ein großartiges Datenreservoir für ein detailliertes Bild der physikalischen Prozesse, die in der Nähe des Schwarzen Lochs und in der Startregion des Jets ablaufen", ergänzt Thomas P. Krichbaum, MPIfR-Astronom und Mitglied des EHT-Wissenschaftsrats. Die Daten wurden von einem Team von siebenhundertsechzig Personen aus fast zweihundert Institutionen und zweiunddreißig Ländern oder Regionen mit von Agenturen und Institutionen rund um den Globus finanzierten Teleskopen von 19 Observatorien, darunter auch die Effelsberg- und APEX-Teleskope des MPIfR, in einem Zeitraum von Ende März bis Mitte April 2017 aufgenommen.

"Es gibt mehrere Gruppen, die auf Hochtouren arbeiten, um zu sehen, ob ihre Modelle mit diesem reichhaltigen Beobachtungsschatz übereinstimmen, und wir sind begeistert, dass die gesamte Gemeinschaft die freigewordenen Daten nutzen kann, um uns zu helfen, die engen Verbindungen zwischen Schwarzen Löchern und ihren Jets besser zu verstehen", sagt Daryl Haggard von der McGill University. "An diesen phantastischen Beobachtungen sind viele der besten Teleskope der Welt beteiligt, die zusammen eine Betriebszeit von dreihundert Jahren eingebracht haben", unterstreicht auch Juan Carlos Algaba von der University of Malaya in Kuala Lumpur in Malaysia. "Dies ist ein wunderbares Beispiel für die Zusammenarbeit von Astronomen auf der ganzen Welt bei ihrer wissenschaftlichen Arbeit."

Die Ergebnisse zeigen, dass die Menge an elektromagnetischer Strahlung, die durch die Materie um das supermassereiche Schwarze Loch von M 87 erzeugt wurde, die geringste war, die jemals beobachtet wurde. Dadurch boten sich ideale Bedingungen für die Untersuchung des Schwarzen Lochs, von Regionen nahe dem Ereignishorizont bis hin zu Zehntausenden von Lichtjahren Abstand. Die Verbindung der bereits erhaltenen Teleskopdaten mit den aktuellen und zukünftigen EHT-Beobachtungen wird es den Wissenschaftlern ermöglichen, wichtige Untersuchungen in einigen der bedeutendsten und anspruchsvollsten Bereiche der Astrophysik durchzuführen.

Zum Beispiel planen die Forscher, diese Daten zu nutzen, um die Tests von Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie zu verbessern. Eine große Hürde bei der Anwendung solcher Tests auf M 87 liegen derzeit in Unsicherheiten über das Material, das um das Schwarze Loch rotiert und in Jets abgestrahlt wird und insbesondere in den Eigenschaften, die das emittierte Licht bestimmen. "Das Verständnis der Teilchenbeschleunigung ist zentral für unser Verständnis sowohl des EHT-Bildes als auch der Jets in all ihren Eigenschaften", so Sera Markoff von der Universität Amsterdam. "Diese Jets schaffen es, die vom Schwarzen Loch freigesetzte Energie auf Skalen zu transportieren, die größer sind als die Wirtsgalaxie, entsprechend einem riesigen Stromkabel. Die erhaltenen Ergebnisse werden uns helfen, die Menge der transportierten Energie zu berechnen und den Effekt, den die Jets des Schwarzen Lochs auf seine Umgebung ausüben."

Die Veröffentlichung der neuen Daten fällt mit dem aktuellen EHT-Beobachtungslauf im Jahr 2021 zusammen, bei dem wiederum ein weltweites Netzwerk von Teleskopen zum Einsatz kommt – es ist der erste seit dem Jahr 2018. Noch in dieser Woche nehmen die EHT-Astronomen sechs Nächte lang M 87 sowie Sgr A*, das supermassereiche Schwarze Loch im Zentrum unserer Milchstraße, und mehrere noch weiter entfernte Schwarze Löcher ins Visier. "Mit der Veröffentlichung der Daten, kombiniert mit der Wiederaufnahme der Beobachtungen mit einem verbesserten EHT, können wir davon ausgehen, dass noch viele aufregende neue Ergebnisse für uns am Horizont stehen", ist Mislav Baloković von der Yale University überzeugt.

Die Ergebnisse wurden jetzt in einem Fachartikel veröffentlicht, der in der Zeitschrift The Astrophysical Journal Letters erschienen ist.