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Das Innere von Messier 87
Redaktion
/ idw / Pressemitteilung des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie
astronews.com
21. April 2017
Im Zentrum der Galaxie M87 befindet sich ein gewaltiges
Schwarzes Loch mit einer Masse von sechs Milliarden Sonnenmassen. Vom Zentralbereich geht auch ein eindrucksvoller gebündelter Partikelstrahl aus, ein
sogenannter Jet. Die Analyse von Radiobeobachtungen lieferte nun neue Hinweise
für die Verbindung von Akkretionsscheibe und Jet von M87 durch turbulente
Prozesse.
Beobachtung des Jets von M87 mit dem
Weltraumteleskop Hubble. Der Ausschnitt zeigt die
Zentralregion, wo der Jet in einem turbulenten
Prozess entsteht und durch ein großskaliges
Magnetfeld gebündelt abgestrahlt wird.
Bild: J. A. Biretta et al., Hubble Heritage
Team (STScI /AURA), NASA; Axel. M. Quetz/MPIA, S.
Britzen/MPIfR [Großansicht] |
Supermassereiche Schwarze Löcher in den Zentren von Galaxien sind eines der
rätselhaftesten Phänomene in der modernen Astrophysik. Ihr gewaltiger
Energieausstoß wird im Allgemeinen auf die Umwandlung von Gravitationsenergie in
Strahlung zurückgeführt. Aktive Schwarze Löcher produzieren Strahlung über das
Ansammeln (die "Akkretion") von Materie. Es entsteht eine sogenannten
Akkretionsscheibe, die die Zentralquelle umgibt.
Ein deutliches Anzeichen für den Akkretionsvorgang im Zentralbereich von
Galaxien stellen Jets von enormer Ausdehnung dar, die sich über etliche
Millionen Lichtjahre Entfernung vom Galaxienzentrum aus erstrecken und damit
weit über den sichtbaren Bereich der Galaxie hinausragen. M87, die
Zentralgalaxie des Virgo-Galaxienhaufens in Richtung des Sternbilds Jungfrau
liegt in einer Entfernung von ungefähr 50 Millionen Lichtjahren. Sie stellt die
zweitnächste Galaxie mit einem aktiven Galaxienkern dar und enthält in ihrem
Zentrum ein aktives Schwarzes Loch mit einer Masse von rund sechs Milliarden
Sonnenmassen.
M87 war die erste Galaxie, bei der ein Jet gefunden werden konnte, und zwar
bereits in optischen Beobachtungen am Lick-Observatorium vor rund 100 Jahren:
"ein bemerkenswerter geradliniger Materiestrahl, der mit dem Galaxienkern
verbunden scheint", so schrieb der Astronom Heber Curtis im Jahr 1918. Der Jet
von M87 ist einer der am sorgfältigsten untersuchten astrophysikalischen Jets.
Er ist über das gesamte elektromagnetische Spektrum - von Radiowellen bis zu
Röntgenwellen - sichtbar.
M87 stellt ebenfalls die erste Galaxie dar, für die Signale selbst bei den
höchsten Gammastrahlungsenergien im Teraelektonenvolt-Bereich nachgewiesen
werden konnten. Trotz einer Fülle von Beobachtungsmaterial ist die genaue Art
und Weise, wie der leuchtkräftige Jet an das akkretierende Schwarze Loch
koppelt, unbekannt.
Die Forscher sind dieses Problem dadurch angegangen, dass sie interferometrische
Radiobeobachtungen von M87 mit dem Very Long Baseline Array (VLBA)
analysiert haben. Das VLBA verbindet Radioteleskope von Hawaii bis zu den Virgin
Islands miteinander. Dadurch kann bei einer Frequenz von 15 GHz (bzw. zwei
Zentimeter Wellenlänge) eine Winkelauflösung von nur 0,6 Millibogensekunden am
Himmel erreicht werden - das entspricht gerade mal 0,16 Lichtjahren oder 84
sogenannte Schwarzschildradien für M87.
Obwohl bereits mehr als hundert Jets von aktiven Schwarzen Löchern detailliert
untersucht werden konnten, bietet nur M87 die Möglichkeit, die unmittelbarste
Nachbarschaft des zentralen Schwarzen Lochs zu erforschen. Die
Radiobeobachtungen wurden im Rahmen des MOJAVE-Projekts (MOJAVE steht für
Monitoring of Jets in Active galactic nuclei with VLBA Experiments)
durchgeführt.
"Wir haben diese Daten erneut analysiert, um so einen Einblick in die komplexen
Prozesse zu gewinnen, die den Jet und die Akkretionsscheibe von M87 miteinander
verbinden", sagt Silke Britzen vom Bonner Max-Planck-Institut für
Radioastronomie (MPIfR). "Soweit wir wissen, ist dies das erste Mal, dass die
Vorgänge im Zusammenhang mit dem Fußpunkt des Jets, also seiner Entstehung, und
dem Aufladen des Jets mit Material untersucht werden konnten."
Schnelle turbulente Prozesse bei denen magnetische Rekonnektion ein wichtige
Rolle spielt, wie man sie im kleineren Maßstab von Vorgängen auf der
Sonnenoberfläche her kennt, bieten die beste Möglichkeit zur Erklärung der
Beobachtungsergebnisse. "Es gibt gute Gründe anzunehmen, dass die Oberfläche der
Akkretionsscheiben sich ähnlich verhält wie die Sonnenoberfläche – blubberndes
heißes Gas mit ständiger magnetischer Aktivität wie Rekonnektion und
Strahlungsausbrüchen", fügt Christian Fendt vom Heidelberger Max-Planck-Institut
für Astronomie (MPIA) hinzu, der auch zum Wissenschaftlerteam gehörte und ein
Experte für die die theoretische Modellierung von Jets ist.
Während nahe der Oberfläche der Akkretionsscheibe eher kleinskalige magnetische
Strukturen die Massenübertragung in die Jets dominieren, bleibt über größere
Distanzen hin nur das globale spiralförmige Magnetfeld bestehen und dirigiert
die Bewegung des Jets. In Zukunft werden Beobachtungen bei noch höheren
Frequenzen und somit besserer Winkelauflösung im Rahmen des Event-Horizon-Teleskops
es ermöglichen, sich den supermassereichen Schwarzen Löchern in den Zentren von
aktiven Galaxien noch weiter zu nähern.
"Es gibt nur zwei Zielobjekte, die es uns erlauben, den Ereignishorizont selbst
als Schatten in den Radiobeobachtungen abzubilden", stelle Andreas Eckart von
der Universität zu Köln fest. "Das zentrale Schwarze Loch in der Galaxie M87 und
dasjenige im Zentrum unserer Milchstraße. Beide sind sehr unterschiedlich,
sowohl in der Aktivität als auch in ihrer Masse. Aber auch in ihrer Entfernung
von uns sind sie verschieden. Dadurch erscheint in beiden Objekten das Schwarze
Loch in vergleichbarer Winkelauflösung am Himmel und es sollte auch bei beiden
ein dunkler Schatten von ähnlicher Größe sichtbar werden."
Vladimir Karas vom Astronomical Institute of the Czech Academy of Sciences
betont, dass die Beobachtungsergebnisse für M87 als Grundlage für weitere
Untersuchungen sowohl von Beobachtungen als auch von der Theorie her dienen
könnten. Die direkte Umgebung eines Schwarzen Lochs umfasst einen sehr
interessanten als Ergosphäre bezeichneten Bereich, der aber noch jenseits der
Auflösung der derzeitigen Generation von Teleskopen liegt. Die Beobachtungen im
Rahmen des Event-Horizon-Teleskop-Projekts mit der höchsten derzeit
verfügbaren Winkelauflösung haben in den ersten beiden Aprilwochen 2017
stattgefunden. Die Ergebnisse dieser Beobachtungen könnten dazu beitragen, das
in der jetzt vorgestellten Arbeit präsentierte Modell weiter zu verfeinern und
die Verbindung zwischen Jets und supermassereichen Schwarzen Löchern in den
Zentren von Galaxien besser zu verstehen.
Über ihre Untersuchung berichten die Forscher in einem Fachartikel, der in der
Zeitschrift Astronomie & Astrophysics erschienen ist.
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