Neuer Blick zum Schwarzen Loch

Die Event Horizon Telescope (EHT) Kooperation, an der auch Wissenschaftler der Julius-Maximilians-Universität (JMU) Würzburg beteiligt sind, hat ein neues Bild von M87* veröffentlicht, dem supermassereichen Schwarzen Loch im Herzen der Galaxie Messier 87. Diese jüngste Enthüllung knüpft an die historische Veröffentlichung aus dem Jahr 2019 an, die das allererste Bild eines Schwarzen Lochs überhaupt präsentierte. Die jüngste Beobachtungskampagne zeigt einen Schatten des Schwarzen Lochs mit einem stabilen Durchmesser, der den Forschenden entscheidende Einblicke in die Natur des Schwarzen Lochs bietet.

Das neue Bild wurde mit einer verbesserten Teleskop-Anordnung und einer breiteren Frequenzabdeckung aufgenommen. Es zeigt einen Ring, der südlich heller aufscheint – ähnlich wie das frühere Bild, jedoch mit einem subtilen Unterschied: Es wurde eine markante Verschiebung der Helligkeitsasymmetrie um etwa dreißig Grad festgestellt.

Die Studie ist in der aktuellen Ausgabe der Zeitschrift Astronomy & Astrophysics veröffentlicht.

Entscheidender Beitrag aus Würzburg

Um die rätselhafte Natur supermassereicher Schwarzer Löcher zu entschlüsseln, hat die Arbeitsgruppe Computational Astrophysics an der Julius-Maximilians-Universität (JMU) Würzburg unter der Leitung von Christian M. Fromm schon einige bahnbrechende Forschungen an M87* geleistet.

„Wir entwickeln hochmoderne numerische Simulationen und nutzen unsere eigene Supercomputer-Infrastruktur, um die EHT-Beobachtungen von M87* zu modellieren und zu interpretieren. Nur durch die Kombination von Simulationen und Beobachtungen von M87* erhalten wir neue, tiefe Einblicke in die Physik von Schwarzen Löchern und Akkretionsscheiben“, sagt Fromm. Unterstützt werden diese Aktivitäten durch die DFG-Forschungsgruppe „Relativistische Jets in aktiven Galaxien“, die vom JMU-Lehrstuhl für Astronomie koordiniert wird.

„Eine grundlegende Anforderung an die Wissenschaft ist es, Ergebnisse reproduzieren zu können“, sagt Keiichi Asada, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Academia Sinica Institute for Astronomy and Astrophysics in Taiwan. „Die Bestätigung des Rings in einem völlig neuen Datensatz ist ein großer Meilenstein für unsere Zusammenarbeit und ein starker Hinweis darauf, dass wir einen Schatten des Schwarzen Lochs und das Material betrachten, das es umkreist.“

Das schlagende Herz einer riesigen Galaxie

Im Jahr 2017 produzierte das EHT das erste Bild eines Schwarzen Lochs, das M87* als das schlagende Herz einer riesigen elliptischen Galaxie enthüllte, die 55 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt ist. Dieses erste Bild, das 2019 veröffentlicht wurde, zeigt einen hellen kreisförmigen Ring, der in seinem südlichen Teil noch heller ist. Eine weitere Analyse der Daten zeigte auch die Struktur von M87* in polarisiertem Licht, was einen besseren Einblick in die Geometrie des Magnetfelds und die Beschaffenheit des Plasmas um das Schwarze Loch ermöglicht.

Um die Beobachtungsmöglichkeiten zu verbessern, wurde das Grönland-Teleskop 2018, nur fünf Monate nach seiner Fertigstellung, in das EHT aufgenommen. Das Grönland-Teleskop befindet sich weit oberhalb des Polarkreises und bietet eine verbesserte Bildqualität und eine höhere Winkelauflösung in Nord-Süd-Richtung. Das Large Millimeter Telescope in Mexiko war ebenfalls zum ersten Mal mit seiner vollen 50-Meter-Fläche dabei, was die Empfindlichkeit der Beobachtungen deutlich verbesserte.

Im Jahr 2018 wurde das EHT-Array zudem aufgerüstet, um in vier Frequenzbändern um 230 GHz zu beobachten, verglichen mit nur zwei Bändern im Jahr 2017. Trotz der Herausforderungen durch die Wetterbedingungen während der Beobachtungen 2018 sorgten Fortschritte bei der Datenerfassung und Kalibrierung für qualitativ hochwertige Ergebnisse.

Die Analyse der Daten aus dem Jahr 2018, bei der acht unabhängige Bildgebungs- und Modellierungstechniken zum Einsatz kamen, bestätigt die Stabilität des Durchmessers des Schattens des Schwarzen Lochs, die mit den allgemeinen relativistischen Vorhersagen übereinstimmt. Eine signifikante Veränderung der Lage der hellsten Region um den Ring zeigt jedoch, dass Turbulenzen die Symmetrie brechen, kombiniert mit einem dynamischen Wechselspiel zwischen der Spinachse des Schwarzen Lochs und dem großräumigen Jet.

Führende Gruppen in Bonn, Frankfurt und Würzburg

„Deutschland ist ein wichtiger Akteur im internationalen EHT-Projekt“, sagt JMU-Astrophysikprofessor Matthias Kadler, der Mitglied der EHT-Kollaboration ist, aber nicht direkt an der M87*-Studie beteiligt war. „Über die Max-Planck-Gesellschaft betreibt Deutschland das 12-Meter-Teleskop APEX in Chile und ist ein wichtiger Partner beim Betrieb des 30-Meter-Teleskops auf Pico Veleta – zwei Einrichtungen, die für den Erfolg des EHT von zentraler Bedeutung sind. Deutsche Gruppen in Bonn, Frankfurt und Würzburg leiten verschiedene EHT-Projekte und sind spezialisiert auf das Design von Beobachtungen, die Abbildung und Kalibrierung der Daten sowie deren Modellierung und Interpretation.“ Mitglieder der EHT-Kollaboration in Würzburg sind Matthias Kadler, Christian Fromm und Postdoktorand Luca Ricci.

Publikation

Event Horizon Telescope Collaboration, The persistent shadow of the supermassive black hole of M 87. I. Observations, calibration, imaging, and analysis, Astronomy & Astrophysics, 18. Januar 2024, doi: 10.1051/0004-6361/202347932. Open Access https://doi.org/10.1051/0004-6361/202347932

Weblinks

Event Horizon Telescope (EHT) https://eventhorizontelescope.org/

DFG-Forschungsgruppe „Relativistic Jets in Active Galaxies“ https://www.for5195.uni-wuerzburg.de/

ERC-Projekt Black Hole Cam (BHT) https://blackholecam.org/

Kontakt an der JMU

Dr. Christian M. Fromm, Forschungsgruppenleiter Computational Astrophysics, Institut für Theoretische Physik und Astrophysik, T +49 931 31-81981, christian.fromm@uni-wuerzburg.de