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EVENT-HORIZON-TELESKOP
Blick ins Zentrum unserer Galaxie
Redaktion / Pressemitteilung des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie
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25. Mai 2018

Mit der Zusammenschaltung von Radioteleskopen auf der ganzen Welt wollen Astronomen den Schatten des Schwarzen Lochs der Milchstraße aufspüren. Inzwischen gehört auch das Radioteleskop APEX in Chile zu dem Verbund und ermöglicht eine deutlich höhere Auflösung. Die Beobachtungen zeigen Details in unmittelbarer Nähe zum Ereignishorizont.

Sgr A*

Schematisches Diagramm der im Jahr 2013 durchgeführten 1,3-mm-VLBI-Beobachtungen von Sagittarius A*. Die Inlays zeigen zwei mögliche Modelle für dessen Erscheinungsbild, die mit den Messergebnissen vereinbar sind. Der weiße Ring mit einem Durchmesser von 50 millionstel Bogensekunden veranschaulicht die Größenverhältnisse. Bild: Eduardo Ros, Thomas Krichbaum (MPIfR)   [Großansicht]

Das 12-Meter-Radioteleskop APEX in Chile wurde mit speziellen Zusatzgeräten technisch aufgerüstet, um gemeinsam mit anderen Radioteleskopen interferometrische Beobachtungen bei einer Wellenlänge von nur 1,3 Millimeter durchzuführen. Dies beinhaltet die Ausrüstung für die Signalaufzeichnung mit noch größerer Bandbreite und eine hochpräzise Wasserstoffmaseruhr. Damit machen die Forscher einen weiteren Schritt in Richtung der direkten Kartierung des Schattens um das Schwarze Loch im Zentrum der Milchstraße.

Die Teilnahme von APEX am sogenannten Event-Horizon-Teleskop (EHT), das sich bis vor Kurzem nur aus Teleskopen auf der Nordhalbkugel der Erde zusammensetzte, enthüllt nun neue und bisher nicht sichtbare Details in der Struktur der Radioquelle SgrA*, die mit dem Schwarzen Loches im Zentrum der Milchstraße identifiziert wird. Die Einbeziehung des APEX-Teleskops im EHT-Verbund verdoppelt die Winkelauflösung. Damit zeigt die Struktur der Quelle eine asymmetrische und nicht punktförmige Helligkeitsverteilung mit Details von nur noch 36 Millionen Kilometern Größe. Das entspricht dem Dreifachen der hypothetischen Größe des Schwarzen Lochs im Zentrum der Milchstraße, also drei Schwarzschildradien.

Astronomen sind auf der Jagd nach harten Beweisen für die Gültigkeit der Einsteinschen Allgemeine Relativitätstheorie. Dazu gehört die direkte Abbildung (Kartierung) des Schattens eines Schwarzen Lochs. Die Zusammenschaltung von Radioteleskopen, die über den ganzen Erdball verteilt sind, macht dies möglich. Die einzelnen Teleskope befinden sich auf Bergen und in großer Höhe, um so den Einfluss der Erdatmosphäre auf die hochfrequente Radiostrahlung zu minimieren, und auch um menschengemachten Radiostörsignalen zu entgehen. Die kompakte Radioquelle Sagittarius A* (Sgr A*), die sich im Zentrum der Milchstraße befindet, wurde nun von derart zusammengeschalteten Teleskopen bei kurzen Millimeterwellenlängen und mit Mikrobogensekunden Auflösung beobachtet.

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Das Forscherteam hat Sgr A* im Jahr 2013 mit Teleskopen des VLBI-Netzwerks (VLBI steht dabei für "Very Long Baseline Interferometry", also "Radiointerferometrie mit langen Basislinien) an vier verschiedenen Standorten beobachtet. Bei den Teleskopen handelt es sich um APEX in Chile, das CARMA-Array in Kalifornien, das James-Clerk-Maxwell-Teleskop (JCMT) und das Submillimeter-Array (SMA), beide in Hawaii, sowie das Submillimeter-Teleskop (SMT, das frühere Heinrich-Hertz-Teleskop) in Arizona.

Die Detektionen der Quelle Sgr A* auf Teleskop-Basislinien von bis zu 10.000 Kilometern Länge zeigen eine ultrakompakte, asymmetrische und nicht punktförmige Helligkeitsverteilung. "Die Einbeziehung des APEX-Teleskops hat die längste Basislinie im Vergleich zu früheren Beobachtungen fast verdoppelt und führt nun zu einer spektakulären Auflösung von nur noch drei Schwarzschildradien", sagt Ru-Sen Lu vom Bonner Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR). "Die Daten zeigen Details, die kleiner sind als die erwartete Ausdehnung des Materiestrudels rund um das zentrale Schwarze Loch", fügt MPIfR-Kollege Thomas Krichbaum hinzu, der Initiator der Millimeter-VLBI-Beobachtungen mit APEX.

Der Standort von APEX auf der Südhalbkugel der Erde ermöglicht eine deutliche Verbesserung der Bildqualität für eine Quelle, die so weit südlich am Himmel steht wie Sagittarius A*. APEX ist auch der Wegbereiter für die Teilnahme des großen und extrem empfindlichen ALMA-Teleskopes an den nun jährlich stattfindenden EHT-Beobachtungen. "Wir haben in einer Höhe von über 5000 Metern hart daran gearbeitet, die Ausrüstung zu installieren, die eine Beteiligung des APEX-Teleskops an den 1,3mm-VLBI-Beobachtungen erst ermöglicht hat", sagt Alan Roy, ebenfalls MPIfR, der technische Leiter des VLBI-Teams am APEX-Teleskop. "Wir sind wirklich stolz darauf, wie gut APEX bei diesem Experiment funktioniert hat."

Das Team hat ein Modell-Anpassungsverfahren auf die Beobachtungsresultate angewandt, um die Struktur von Sgr A* auf Skalen bis zu 25 millionstel Bogensekunden zu analysieren. Das Ergebnis: Es könnte sich um eine ringförmige Struktur handeln, obwohl auch andere Modelle, wie z.B. eine Doppelstruktur möglich sind. Zukünftige Beobachtungen mit dem sich weiter im Aufbau befindlichen EHT werden diese Mehrdeutigkeiten beseitigen. Im galaktischen Zentrum sind das Schwarze Loch und seine Umgebung von dichter interstellarer Materie umgeben, welche die Wellenausbreitung der elektromagnetischen Strahlung entlang der Sichtlinie beeinflusst. Dies führt zur sogenannten interstellaren Szintillation, die die Schärfe der Kartierung beeinträchtigen kann.

"Wir konnten jedoch zeigen, dass dieser Effekt bei den kurzen Millimeterwellenlängen keine wesentliche Rolle spielt," sagt Dimitrios Psaltis von der Universität von Arizona, wissenschaftlicher Leiter beim EHT. "Die Ergebnisse stellen einen wichtigen Schritt im weiteren Aufbau des Event-Horizon-Teleskops dar", schließt Sheperd Doeleman vom Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, dem Direktor des EHT-Projektes. "Die Analyse neuer Beobachtungen, die seit 2017 sowohl APEX als auch ALMA einschließen, werden uns unserem Ziel näher bringen, das Schwarze Loch im Zentrums unserer Milchstraße direkt abzubilden."

Über die Beobachtungen berichten die Astronomen in einem Fachartikel, der in The Astrophysical Journal erschienen ist.

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Milchstraße: Der Durchmesser des zentralen Schwarzen Lochs - 5. April 2004
Links im WWW
Fachartikel in The Astrophysical Journal
Max-Planck-Institut für Radioastronomie
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