RADIOASTRONOMIE
Gammastrahlenausbruch des Jets von Messier 87 beobachtet
Redaktion / Pressemitteilung des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie
astronews.com
16. Dezember 2024

Das supermassereiche Schwarze Loch im Zentrum von M 87 wurde im Rahmen einer internationalen Beobachtungskampagne von über 25 boden- und weltraumgestützten Teleskopen anvisiert. Dabei registrierte man einen spektakulären Strahlungsausbruch bei mehreren Wellenlängen, der von dem energiereichen relativistischen Jet aus dem Zentrum dieser Galaxie ausging.

Lichtkurve des Gamma-flares (unten) und Bilder des M-87-Jets (oben) in verschiedener Auflösung von der Kampagne 2018 im Radio- und im Röntgenbereich. Die Teleskope, der Wellenlängenbereich und der Maßstab sind oben rechts für jedes Teilbild angegeben. Bild: EHT-, Fermi-LAT-, H.E.S.S.-, MAGIC-, VERITAS- und EAVN-Kollaborationen [Großansicht]

Millimeter-VLBI-Netzwerke wie das Event Horizon Telescope (EHT) und das Global mm-VLBI Array (GMVA) - letzteres koordiniert vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR) - sind weltumspannende Zusammenschaltungen von Radioteleskopen. Sie werden regelmäßig kombiniert, um die innersten Strukturen von Galaxienkernen zu beobachten und um die unmittelbare Umgebung supermassereicher Schwarzer Löcher zu untersuchen und abzubilden. "Wir hatten das Glück, während der Multi-Wellenlängen-Kampagne des EHT einen Gammastrahlenausbruch von M 87 zu entdecken - das erste derartige Ereignis seit über einem Jahrzehnt", freut sich Giacomo Principe von der Universität Triest. "Dieses seltene Ereignis ermöglichte es uns, die Region zu lokalisieren, aus der die Gammastrahlenemission kommt. Bereits erfolgte und künftige Beobachtungen mit einem noch empfindlicheren EHT-Array werden entscheidende Einblicke in die Physik um das supermassereiche Schwarze Loch von M 87 liefern und die Verbindung zwischen Scheibe und Jet sowie den Ursprung der Gammastrahlenphotonen erforschen."

Messier 87, auch bekannt unter den Bezeichnungen Virgo A oder NGC 4486, ist das hellste Objekt im Virgo-Galaxienhaufen, einer der größten gravitativ gebundenen Strukturen im Universum. Der von den Forschern untersuchte relativistische Jet ist von überraschender Größe: seine Länge übersteigt den Ereignishorizont des Schwarzen Lochs um das Zehnmillionenfache (sieben Größenordnungen) - das entspricht dem Unterschied zwischen der Größe eines Bakteriums und dem größten bekannten Blauwal. Der Helligkeitsausbruch im Gammabereich dauerte etwa drei Tage. Das Emissionsgebiet hat eine Größe von weniger als drei Lichttagen (ca. 170 Astronomische Einheiten (AE), wobei 1 AE die Entfernung von der Sonne zur Erde angibt). Dabei handelt es sich um einen der leuchtstärksten Ausbrüche hochenergetischer Photonen - weit oberhalb der Energien, die von Radioteleskopen aus der Region des Schwarzen Lochs üblicherweise nachgewiesen werden.

"Durch die Zusammenarbeit von drei abbildenden Hochenergie-Teleskopnetzwerken konnten Gammastrahlungsbeobachtungen bei sehr hohen Energien in dichter zeitlicher Abfolge sowohl während eines stationären Zustands als auch während eines seltenen kurzzeitigen Flares - dem ersten seit über einem Jahrzehnt - durchgeführt werden2, erklärt Alexander Hahn vom Max-Planck-Institut für Physik, ein Mitautor der Studie. "Kombiniert mit gleichzeitigen Multi-Wellenlängen-Daten bei niedrigeren Energien, bieten diese Beobachtungen entscheidende Einblicke in die extremen Prozesse, die diese kosmischen Ereignisse antreiben."

Während der Kampagne entdeckte das LAT-Instrument an Bord des Fermi-Weltraumobservatoriums einen Anstieg des hochenergetischen Gammastrahlenflusses bei Energien, die bis zu Milliarden Mal höher sind als das sichtbare Licht. Die Chandra- und NuSTAR-Satelliten sammelten daraufhin hochwertige Daten im Röntgenbereich. Radiobeobachtungen mit VLBI-Netzwerken wie dem GMVA, dem Very Long Baseline Array (VLBA) und dem East Asian VLBI Network (EAVN) zeigen einen relativistischen Jet und eine scheinbare jährliche Änderung des Positionswinkels des Jets innerhalb weniger Millibogensekunden vom Kern der Galaxie. "Die Radiobildgebung erlaubt es den Astronomen, die strukturelle und zeitliche Entwicklung des Jets mit einer noch nie dagewesenen Winkelauflösung zu verfolgen", sagt Thomas Krichbaum vom MPIfR. "In dieser Kampagne haben die Radiodaten nicht nur die Geometrie des Jets bestimmt, sondern dienten auch als wichtige Referenz für die Korrelation der Gammastrahlenemission mit der relativistischen Jetdynamik."

Die VLBI-Beobachtungen zeigen Veränderungen in der Position der Asymmetrie des Rings (Ereignishorizont des Schwarzen Lochs) und der Position des Jets. Dies deutet auf einen physikalischen Zusammenhang zwischen diesen Strukturen auf sehr unterschiedlichen Skalen hin. "Das erste Bild aus der Beobachtungskampagne von 2017 zeigte, dass die Emission des Rings ungleichmäßig war, mit helleren Bereichen, die Asymmetrien anzeigen. Nachfolgende Beobachtungen aus dem Jahr 2018 bestätigten diese Ergebnisse und zeigten, dass sich der Positionswinkel der Asymmetrie verschoben hatte", sagt Daryl Haggard, Professor an der McGill University und Ko-Koordinator der EHT-Arbeitsgruppe für die ergänzenden Multiwellenlängen-Beobachtungen. Dies ist ein hervorragendes Beispiel dafür, wie sich Radio- und Hochenergiebeobachtungen der gewaltigsten Objekte im Universum gegenseitig ergänzen.

Das MPIfR beteiligt sich an diesem Projekt mit Messungen, die sowohl mit dem GMVA als auch dem EHT durchgeführt wurden. Die entsprechenden Radiodaten wurden unter anderem im Korrelatorrechner des MPIfR in Bonn analysiert. Die an den Teleskopnetzwerken beteiligten Radioteleskope des MPIfR sind das 100-Meter-Teleskop in Effelsberg und das 12-Meter-Teleskop APEX in Chile. Das IRAM/30-Meter-Teleskop auf dem Pico Veleta, Spanien, das in den letzten Kampagnen durch das IRAM/NOEMA-Teleskop-Array in den französischen Alpen ergänzt wurde, verbessert die Empfindlichkeit der durchgeführten Beobachtungen spürbar.

"Diese VLBI-Beobachtungskampagne hat das erste Bild hervorgebracht, das sowohl den Schatten des Schwarzen Lochs als auch den Jet in M87 zeigt. Es wurde bereits im April 2023 vorgestellt, und jetzt können wir sehen, dass die koordinierten Beobachtungen, die im Rahmen der zweiten globalen EHT-Kampagne durchgeführt werden, eine Reihe von neuen, aufregenden Ergebnissen liefert", sagt Eduardo Ros, Astronom am MPIfR und europäischer Planer für die GMVA-Beobachtungen. "Der Beitrag von Spitzentechnologie in der Radioastronomie, in Koordination mit verschiedenen Beobachtungseinrichtungen auf der Erde und darüber hinaus, zeigt hier in besonderer Weise, wie Multifrequenz-Studien von Objekten wie Messier 87 den Weg für die Förderung zukünftiger Forschung und potenzielle Durchbrüche im Verständnis des Universums ebnen", unterstreicht auch J. Anton Zensus, Direktor am MPIfR und Gründungsvorsitzender der EHT-Kollaboration. 

Über die Beobachtungen berichtet das Team in einem Fachartikel, der in der Zeitschrift Astronomy & Astrophysics erschienen ist.