EVENT HORIZON TELESCOPE
Die Magnetfelder am Rand des Schwarzen Lochs der Milchstraße
Redaktion / Pressemitteilung des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie
astronews.com
28. März 2024

Ein neues Bild der Event-Horizon-Telescope-Kollaboration macht starke und organisierte Magnetfelder sichtbar, die sich spiralförmig vom Rand des supermassereichen Schwarzen Lochs der Milchstraße ausbreiten. Dieser neue, erstmals im polarisierten Radiolicht aufgenommene Blick zeigt eine Magnetfeldstruktur, die der im Zentrum der Galaxie M 87 verblüffend ähnlich ist.

Die EHT-Kollaboration hat eine neue Darstellung des massereichen Objekts im Zentrum unserer Galaxie vorgestellt - in polarisiertem Licht. Dies ist das erste Mal, dass die Polarisation, eine Signatur von Magnetfeldern, so nahe am Rand von Sagittarius A* gemessen werden konnte. Das Bild zeigt den polarisierten Blick auf das Schwarze Loch im Zentrum der Milchstraße. Die Linien markieren die Ausrichtung der Polarisation, die mit dem Magnetfeld um den Schatten des Schwarzen Lochs zusammenhängt. Bild: EHT Collaboration  [Großansicht]

Das erste Bild des supermassereichen Schwarzen Lochs Sagittarius A* (Sgr A*)  in etwa 27.000 Lichtjahren Entfernung von der Erde wurde im Jahr 2022 veröffentlicht. Dabei zeigte sich, dass das supermassereiche Schwarze Loch in der Milchstraße zwar mehr als tausend Mal kleiner und weniger massereich ist als das von M 87, aber dennoch bemerkenswert ähnlich aussieht. Das stellte sich für die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler nattürlich die Frage, ob die beiden Objekte über ihr Aussehen hinaus gemeinsame Merkmale aufweisen.

Um das herauszufinden, beschloss das Team, Sgr A* in polarisiertem Licht zu untersuchen. Frühere Studien des Lichts in der Umgebung von M 87* zeigten, dass die Magnetfelder um dieses gewaltige Schwarze Loch es ihm ermöglichen, starke Materialstrahlen bzw. Jets in die Umgebung zu schleudern. Darauf aufbauend haben die neuen Bilder gezeigt, dass dasselbe auch für Sgr A* gelten könnte. "Was wir jetzt sehen, ist, dass es starke, verdrehte und organisierte Magnetfelder in der Nähe des Schwarzen Lochs im Zentrum der Milchstraßengalaxie gibt", sagt Sara Issaoun vom Harvard Center for Astrophysics. "Zusammen mit der Tatsache, dass Sgr A* eine auffallend ähnliche Polarisationsstruktur aufweist wie das viel größere und massereichere Schwarze Loch M 87*, haben wir gelernt, dass starke und geordnete Magnetfelder entscheidend dafür sind, wie Schwarze Löcher mit dem Gas und der Materie um sie herum wechselwirken."

Licht ist eine schwingende oder sich bewegende elektromagnetische Welle, die es uns ermöglicht, Objekte wahrzunehmen. Manchmal schwingt das Licht in einer bevorzugten Ausrichtung, man bezeichnet es dann als "polarisiert". Obwohl uns polarisiertes Licht umgibt, ist es für das menschliche Auge nicht von "normalem" Licht zu unterscheiden. Im Plasma um die Schwarzen Löcher wirbeln die Teilchen um die Magnetfeldlinien und erzeugen ein Polarisationsmuster, das senkrecht zum Feld steht. Dies ermöglicht es der Astronomie, die Vorgänge in den Regionen der Schwarzen Löcher immer genauer zu beobachten und deren Magnetfeldlinien zu kartieren.

Neben der Gesamtintensität verrät die Polarisationsinformation des Lichts viel mehr über die Astrophysik, die Eigenschaften des Gases und die Mechanismen, die bei der Fütterung eines Schwarzen Lochs ablaufen. Durch die Abbildung des polarisierten Lichts von heißem, glühendem Gas in der Nähe von Schwarzen Löchern lässt sich direkt auf die Struktur und Stärke der Magnetfelder schließen, die den Fluss von Gas und Materie steuern, den das Schwarze Loch aufnimmt und ausstößt.

"Schwarze Löcher in polarisiertem Licht zu visualisieren ist nicht so einfach, wie eine polarisierte Sonnenbrille aufzusetzen", betont Maciek Wielgus vom Max-Planck-Instituts für Radioastronomie (MPIfRI) in Bonn. "Dies gilt insbesondere für Sgr A*, das sich in rasantem Tempo dynamisch verändert, so dass es für die Bildgebung nicht ruhig bleibt. Es war eine große Herausforderung, durch diese Schwankungen des Signals zu navigieren, aber am Ende haben wir uns durchgesetzt."

Die Aufnahme von Bildern des supermassereichen Schwarzen Lochs erfordert modernste Instrumente, die über das hinausgehen, was für die Beobachtung der stabileren Quelle M 87* verwendet wurde. Angesichts der schwer fassbaren Natur von Sgr A* erschwert seine variable Beschaffenheit die Erstellung selbst eines unpolarisierten Bildes. Daher wurde das ursprüngliche Bild durch Zusammenfügen mehrerer Schnappschüsse erstellt, um der Bewegung von Sgr A* Rechnung zu tragen. "Bestimmte Modelle erwiesen sich als zu chaotisch und turbulent, um ein polarisiertes Bild zu entziffern, aber die Natur zeigte sich als weniger hart und ermöglichte uns so den Erfolg", so Wielgus weiter.

Ergänzende Beobachtungen mit dem Global mm-VLBI Array (GMVA), das bei einer Wellenlänge von 3,5 mm beobachtet (im Gegensatz zu 1,3 mm für das EHT), leisteten einen wichtigen Beitrag zu den jetzt vorgestellten Beobachtungen. "Der erste Schritt, um den Schleier über dem galaktischen Zentrum zu lüften, waren unsere GMVA-Beobachtungen zusammen mit ALMA, die im Januar 2019 vorgestellt wurden", so Eduardo Ros, MPIfR-Astronom, Mitglied der EHT-Kollaboration und europäischer GMVA-Planer. "Wir werden fortfahren, Stein für Stein das Gebäude unseres Verständnisses der Physik dieser Quellen um supermassereiche Schwarze Löcher herum zu errichten."

Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler sind begeistert, dass sie nun Bilder von beiden supermassereichen Schwarzen Löchern in polarisiertem Licht haben. Diese Bilder und die dazugehörigen Daten bieten neue Möglichkeiten, Schwarze Löcher unterschiedlicher Größe und Masse zu vergleichen und einander gegenüberzustellen. Mit der Verbesserung der Technologie werden die Bilder wahrscheinlich noch mehr Geheimnisse der Schwarzen Löcher und ihrer Ähnlichkeiten oder Unterschiede enthüllen.

"Die auffallende Ähnlichkeit zwischen der Magnetfeldstruktur von M 87* und der von Sgr A* ist bemerkenswert, weil sie die Möglichkeit aufwirft, dass trotz der Unterschiede in Masse, Größe und Umgebung die physikalischen Mechanismen, die die Fütterung und den Jetauswurf eines Schwarzen Lochs steuern, allen supermassereichen Schwarzen Löchern gemeinsam sind," betont Christian Fromm von der Universität Würzburg, der mehrere Arbeiten in der Theoriegruppe am EHT leitete, wo numerische Simulationen entwickelt wurden, um die Physik des Objekts zu verstehen. "Wir können dieses Ergebnis nun nutzen, um theoretische Modelle und Simulationen zu verbessern, was zu einem besseren Verständnis der Auswirkungen auf die Materie in der Nähe des Ereignishorizonts eines Schwarzen Lochs führt."

Das EHT hat seit 2017 mehrere Beobachtungen durchgeführt und wird Sgr A* voraussichtlich im April 2024 erneut beobachten. Jedes Jahr werden die Bilder besser, da das EHT neue Teleskope, größere Bandbreiten und neue Beobachtungsfrequenzen einsetzt. Die für das nächste Jahrzehnt geplanten Aufrüstungen werden hochauflösende Filme von Sgr A* ermöglichen, die möglicherweise einen verborgenen Jet enthüllen und es den Astronomen erlauben, ähnliche Polarisationsmerkmale in anderen Schwarzen Löchern zu beobachten.

In der Zwischenzeit wird die Erweiterung des EHT in den Weltraum schärfere Bilder von Schwarzen Löchern liefern als je zuvor. Um die physikalischen Prozesse hinter den Jets in aktiven Galaxienkernen und die Rolle der Magnetfelder in der Nähe der zentralen, treibenden Schwarzen Löcher besser zu verstehen, hat der Europäische Forschungsrat das M2FINDERS-Projekt an Prof. Anton Zensus, Direktor am MPIfR, vergeben. "Die Entdeckung dieser Magnetfelder öffnet ein Fenster in die innersten Regionen von Sgr A*, wo das Zusammenspiel von Gravitation, Magnetismus und Raumzeitkrümmung seinen Höhepunkt erreicht", so Zensus.

"Je tiefer wir in dieses kosmische Rätsel eindringen, desto mehr Durchbrüche erwarten wir, die die grundlegende Natur Schwarzer Löcher und ihren Einfluss auf galaktische Ökosysteme erhellen werden. Ein wichtiger Schritt zum Verständnis des Innenlebens dieser extremen kosmischen Objekte war das ikonische Bild der Silhouette der Schwarzen Löcher in Messier 87 und im Galaktischen Zentrum, das heute durch das Bild des polarisierten Lichts in Sgr A* ergänzt wird. Unser M2FINDERS-Projekt leistet seit November 2021 einen wichtigen Beitrag zu den Ergebnissen mit dem EHT", betont der Wissenschaftler.

Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift The Astrophysical Journal Letters  veröffentlicht.