RADIOASTRONOMIE
Beobachtung der aktiven Galaxie OJ 287 mit Rekordwinkelauflösung
Redaktion / Pressemitteilung des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie
astronews.com
20. Januar 2022

Durch die Verbindung von zwölf über die ganze Erde verteilten Radioobservatorien und der 10-Meter-Antenne an Bord des russischen Satelliten Spektr-R wurde ein virtuelles Radioteleskop mit einem Durchmesser von 193.000 Kilometern realisiert und damit die aktive Galaxie OJ 287 beobachtet. Das Ergebnis: eine Rekordwinkelauflösung von zwölf Mikrobogensekunden.

Darstellung des gekrümmten Jets in der aktiven Galaxie OJ 287 in drei Radiobildern unterschiedlicher Wellenlänge und Auflösung (1,3 cm – Radioastron; 3,5 mm – GMVA; 2 cm – VLBA). Das Bild oben links hat eine Rekordauflösung von ca. 12 µas. Bild: Eduardo Ros/MPIfR (Kollage), Gómez et al., The Astrophysical Journal, 2022 (Bilder) [Großansicht]

Ein internationales Team unter Beteiligung von Forschenden vom Bonner Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR) hat die aktive Galaxie OJ 287 mit einer Rekordwinkelauflösung von zwölf Mikrobogensekunden im Radiobereich kartiert. Gelungen ist dies mithilfe der VLBI-Technik, bei der Signale von mehreren Radioteleskopen miteinander kombiniert werden. Durch die Verbindung von zwölf über die ganze Erde verteilten Radioobservatorien und der 10-Meter-Antenne an Bord des russischen Satelliten Spektr-R im Weltraum haben die Forscherinnen und Forscher ein virtuelles Radioteleskop mit einem Durchmesser von 193.000 Kilometern realisiert. Damit erfolgte ein Blick in das Herz der Galaxie OJ 287, in dem ein Paar von supermassereichen Schwarzen Löchern vermutet wird.

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 Zentimetern durchgeführt, während zusätzliche VLBI-Beobachtungen bei Wellenlängen von 2, 0,7 und 0,3 Zentimetern nur mit erdgebundenen Teleskopen durchgeführt wurden. Die resultierenden Bilder bei 1,3 Zentimeter Wellenlänge erreichen eine rekordverdächtige Auflösung von etwa zwölf Mikrobogensekunden; das entspricht der Größe einer 20-Cent-Münze auf der Oberfläche des Mondes.

Die Galaxie OJ 287 befindet sich in einer Entfernung von fünf 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, sogenannte Jets. 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 MPIfR.

Das erwartete binäre System supermassereicher Schwarzer Löcher in OJ 287 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 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 und Mitglied des Internationalen Wissenschaftsrats von RadioAstron.

Die Beobachtungen wurden jetzt in der Fachzeitschrift The Astrophysical Journal veröffentlicht.