Neues vom Event Horizon Telescope: Blick ins dunkle Herz einer Radiogalaxie

Mit seiner ersten Aufnahme eines Schwarzen Lochs in der Galaxie M87 hat die Event Horizon Telescope (EHT)-Kollaboration weltweit für Furore gesorgt. Jetzt hat das Forschungsteam zusammen mit Würzburger Forschern das Zentrum der Radiogalaxie Centaurus A in noch nie dagewesener Detailtreue abgebildet. Die beteiligten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler konnten die Position des zentralen supermassiven Schwarzen Lochs genau bestimmen und zeigen, wie ein gewaltiger Jet geboren wird.

Zu ihrer Überraschung stellten sie dabei fest, dass nur die äußeren Ränder des Jets Strahlung zu emittieren scheinen, was die gängigen theoretischen Modelle von Jets in Frage stellt. Geleitet wurde diese Arbeit von Michael Janssen vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn und der Radboud Universität Nijmegen; jetzt wurde die Studien in der neuesten Ausgabe der Fachzeitschrift Nature Astronomy veröffentlicht.

Massiv wie 55 Millionen Sonnen

Centaurus A ist eine der erdnächsten aktiven Galaxien. Im Bereich der Radiowellenlängen zählt sie zu den größten und hellsten Objekten am Himmel. Nach ihrer Entdeckung im Jahr 1949 wurde Centaurus A ausgiebig von einer Vielzahl von Observatorien über das gesamte elektromagnetische Spektrum hinweg untersucht – angefangen im Bereich von Radio-, Infrarot- und optischen Wellenlängen bis hin zu Röntgen- und Gammastrahlen. Inzwischen ist bekannt: Im Zentrum von Centaurus A befindet sich ein Schwarzes Loch mit der Masse von 55 Millionen Sonnen. Damit bewegt es sich zwischen den Massen des Schwarzen Lochs M87 (6,5 Milliarden Sonnen) und dessen, das im Zentrum unserer eigenen Galaxie liegt (ungefähr vier Millionen Sonnen).

Für die jetzt in Nature Astronomy veröffentlichte Studie hat das Forschungsteam die Daten der EHT-Beobachtungen von 2017 analysiert. Damit war es möglich, Centaurus A in einer noch nie dagewesenen Detailtiefe abzubilden. „Dies erlaubt uns zum ersten Mal, einen extragalaktischen Radiojet auf Skalen zu sehen und zu studieren, die kleiner sind als die Entfernung, die Licht an einem Tag zurücklegt. Wir sehen hautnah und persönlich, wie ein monströs gigantischer Jet, der von einem supermassiven Schwarzen Loch ausgestoßen wird, geboren wird“, sagt Astronom Michael Janssen.

Frühere Studien an der Universität Würzburg

Der jetzt veröffentlichte Durchbruch basiert auf früheren Studien, die am Lehrstuhl für Astronomie der Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU) durchgeführt wurden. Bereits 2011 wurde ein spektakuläres Bild der Jets in Centaurus A von Cornelia Müller veröffentlicht, die damals Doktorandin und später Postdoc in der Arbeitsgruppe von Matthias Kadler war. Kadler ist Professor am Lehrstuhl für Astrophysik an der JMU und Leiter des TANAMI-Projekts. TANAMI steht für "Tracking Active Galactic Nuclei with Austral Milliarcsecond Interferometry". Es beobachtet aktive Galaxien am Südhimmel über viele Wellenlängen hinweg.

Im Vergleich zu früheren hochauflösenden Beobachtungen wird der Jet in Centaurus A jetzt mit einer zehnfach höheren Frequenz und sechzehnfach schärferen Auflösung abgebildet. Mit dem Auflösungsvermögen des EHT können die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler nun die gigantischen Ausmaße der Quelle, die so groß sind wie der 16-fache Durchmesser des Mondes am Himmel, mit ihrem Ursprung in einer Region in Verbindung bringen, die, auf den Himmel projiziert, gerade einmal so groß ist wie ein Apfel auf dem Mond. Das entspricht einem Vergrößerungsfaktor von einer Milliarde.

Jets verstehen

Supermassive schwarze Löcher, die sich im Zentrum von Galaxien wie Centaurus A befinden, ernähren sich von Gas und Staub, der von ihrer enormen Anziehungskraft angezogen wird, was gewaltige Mengen an Energie freisetzt. Die meiste Materie, die sich in der Nähe des Ereignishorizonts des Schwarzen Lochs befindet, fällt hinein. Einige der umgebenden Teilchen entkommen jedoch kurz vor dem Einfangen und werden weit hinaus ins All geblasen: Jets entstehen – eine der geheimnisvollsten und energiereichsten Erscheinungen von Galaxien.

Um diesen Prozess besser zu verstehen, haben sich Astronominnen und Astronomen auf verschiedene Modelle gestützt, wie sich Materie in der Nähe des Schwarzen Lochs verhält. Aber sie wissen immer noch nicht genau, wie Jets in der zentralen Region um das Schwarze Loch gestartet werden und wie sie sich über Skalen ausbreiten können, die größer sind als ihre Wirtsgalaxien, ohne sich zu zerstreuen. Dieses Rätsel zu lösen, ist Ziel der Arbeit am EHT.

Ränder sind heller als das Zentrum

Das neue Bild zeigt, dass der von Centaurus A gestartete Jet an den Rändern heller ist als im Zentrum. Dieses Phänomen ist von anderen Jets bekannt, wurde aber noch nie so ausgeprägt gesehen. „Jetzt können wir theoretische Jet-Modelle ausschließen, die diese Randaufhellung nicht reproduzieren können. Es ist ein auffälliges Merkmal, das uns helfen wird, Jets, die in der Nähe Schwarzer Löcher erzeugt werden, besser zu verstehen“, sagt Matthias Kadler.

An solchen Modellen wird auch an der Universität Würzburg gearbeitet: „In den kommenden Jahren werden wir uns mit neuartigen numerischen Simulationen der Jet-Entstehung und Emissionsberechnungen beschäftigen“, sagt Dr. Christian Fromm (Harvard University), der im Oktober 2021 als Nachwuchsgruppenleiter an der JMU beginnen wird.

Weitere EHT-Daten von Centaurus A und anderen, vom EHT beobachteten Quellen werden auch im Rahmen der neuen DFG Forschungsgruppe „Relativistische Jets in Aktiven Galaxien“ studiert, die jüngst über eine Laufzeit von mindestens vier Jahren eingerichtet wurde. Der Sprecher dieser Forschungsgruppe ist Matthias Kadler an der JMU Würzburg.

Zukünftige Beobachtungen

Mit den neuen EHT-Beobachtungen des Centaurus A-Jets konnte der wahrscheinliche Ort des Schwarzen Lochs am Startpunkt des Jets identifiziert werden. Basierend auf dieser Position sagen die Forschenden voraus, dass zukünftige Beobachtungen bei noch kürzerer Wellenlänge und höherer Auflösung in der Lage wären, das zentrale Schwarze Loch von Centaurus A zu fotografieren. Dies wird allerdings den Einsatz weltraumgestützter Satellitenobservatorien erfordern.

„Diese Daten stammen aus der gleichen Beobachtungskampagne, die das berühmte Bild des Schwarzen Lochs in M87 geliefert hat. Die neuen Ergebnisse zeigen, dass das EHT eine Fundgrube an Daten über die reiche Vielfalt Schwarzer Löcher liefert und es noch mehr zu entdecken gibt ", sagt Heino Falcke, EHT-Vorstandsmitglied und Professor für Astrophysik an der Radboud Universität.

Hintergrund

Um die Galaxie Centaurus A mit dieser beispiellos scharfen Auflösung bei einer Wellenlänge von 1,3 Millimeter zu beobachten, verwendete die EHT-Kollaboration die sogenannte Very Long Baseline Interferometry (VLBI), die gleiche Technik, mit der das berühmte Bild des Schwarzen Lochs in M87 gemacht wurde. Eine Allianz von acht Teleskopen auf der ganzen Welt schloss sich zusammen, um das virtuelle Event Horizon Telescope in Erdgröße zu schaffen. An der EHT-Kollaboration sind mehr als 300 Forscher aus Afrika, Asien, Europa, Nord- und Südamerika beteiligt.

Das EHT-Konsortium besteht aus 13 beteiligten Instituten: Das Academia Sinica Institute of Astronomy and Astrophysics, die University of Arizona, die University of Chicago, das East Asian Observatory, die Goethe-Universität Frankfurt, das Institut de Radioastronomie Millimétrique (MPG/CNRS/IGN), das Large Millimeter Telescope, das Max-Planck-Institut für Radioastronomie, das MIT Haystack Observatory, das National Astronomical Observatory of Japan, das Perimeter Institute for Theoretical Physics, die Radboud University und das Smithsonian Astrophysical Observatory.

TANAMI (Tracking Active Galactic Nuclei with Austral Milliarcsecond Interferometry) ist ein Multi-Wellenlängen-Programm zur Überwachung relativistischer Jets in aktiven galaktischen Kernen des Südhimmels. Dieses Programm hat Centaurus A seit Mitte der 2000er-Jahre mit VLBI bei Zentimeter-Wellenlängen beobachtet. Das TANAMI-Array besteht aus neun Radioteleskopen auf vier Kontinenten, die bei Wellenlängen von 4 und 1,3 Zentimetern beobachten.

Publication

Event Horizon Telescope observations of the jet launching and collimation zone in Centaurus A, by M. Janssen, H. Falcke, M. Kadler, E. Ros, M. Wielgus et al. (EHT Collaboration), Nature Astronomy, https://doi.org/10.1038/s41550-021-01404-7

Links

EHT Collaboration

TANAMI Project

Pressemitteilung der JMU „Scharfer Blick auf ein Schwarzes Loch“ (2011)

Pressemitteilung der JMU zur neuen DFG-Forschungsgruppe

Kontakt

Prof. Dr. Matthias Kadler, Lehrstuhl für Astronomie, Julius-Maximilians-Universität Würzburg,
T +49 931 31-85138, matthias.kadler@astro.uni-wuerzburg.de