Im Strudel eines schwarzen Lochs

Astronomen dringen ins Herz des Quasars 3C 273 vor

Genaue Beobachtungen des Quasars 3C 273 zeigen die Struktur von Gas, das um das zentrale supermassereiche schwarze Loch wirbelt. Damit gelang es einem internationalen Forscherteam unter Beteiligung des Max-Planck-Instituts für extraterrestrische Physik zum ersten Mal, die sogenannte Broad Line Region darzustellen und die Masse der Schwerkraftfalle mit beispielloser Präzision zu messen. Als Instrument diente Gravity, das die Leistung aller vier Fernrohre des Very Large Telescope in Chile bündelt.

Kraftwerk im All: Der Quasar 3C 273 befindet sich in einer riesigen elliptischen Galaxie im Sternbild Jungfrau, etwa 2,5 Milliarden Lichtjahren von der Erde entfernt. Es war der erste Quasar, der jemals als solcher erkannt wurde.

Vor mehr als 50 Jahren identifizierte der Astronom Maarten Schmidt das erste quasi-stellare Objekt. Dieser Quasar mit der Katalogbezeichnung 3C 273 erwies sich als extrem heller, aber weit entfernter Himmelskörper. Die Energie, die ein solches Objekt abgibt, ist viel größer als die einer normalen Galaxie wie unserer Milchstraße und lässt sich nicht durch reguläre Fusionsprozesse in Sternen erklären. Vielmehr gehen die Astronomen davon aus, dass Gravitationsenergie in Hitze umgewandelt wird, wenn Materie in ein extrem massereiches schwarzes Loch strudelt.

Ein internationales Team hat nun mit dem Instrument Gravity tief ins Herz dieses Quasars 3C 273 geblickt und direkt die Struktur des sich schnell bewegenden Gases um das zentrale schwarze Loch beobachtet. Bisher waren solch detaillierte Einblicke aufgrund der geringen Winkelgröße dieser inneren Region nicht möglich, da diese nur etwa die Ausdehnung unseres Sonnensystems hat, dafür aber etwa 2,5 Milliarden Lichtjahren entfernt ist.

Gravity kombiniert alle vier VLT-Teleskope der Europäischen Südsternwarte (ESO) mit einer Technik namens Interferometrie. Dies ermöglicht eine sehr viel bessere Winkelauflösung, entsprechend einem Teleskop mit 130 Metern Spiegeldurchmesser. So können die Astronomen Strukturen bei gerade einmal zehn Mikrobogensekunden unterscheiden. In der Entfernung des Quasars entspricht dies etwa 0,1 Lichtjahren – oder der Größe einer Ein-Euro-Münze auf dem Mond.

 „Dank Gravity konnten wir zum ersten Mal die Broad Line Region auflösen und die Bewegung einzelner Gaswolken um das zentrale schwarze Loch des Quasars beobachten“, sagt Eckhard Sturm vom Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik und Erstautor des Aufsatzes in Nature. „Unsere Messungen zeigen, dass die Gaswolken tatsächlich um das zentrale schwarze Loch herumwirbeln.“

Die breiten Emissionslinien von Atomen sind charakteristisch für Quasare und ein eindeutiger Hinweis auf den extragalaktischen Ursprung ihrer Strahlung. Die Größe des dazugehörenden Bereichs ließ sich bisher aber nur mit der Methode des sogenannten Reverberation Mapping (wörtlich: Echo-Kartierung) bestimmen.

Helligkeitsschwankungen im Zentrum des Quasars verursachen ein Lichtecho, wenn die Strahlung weiter außen auf Materie trifft – je größer das System, desto später das Echo. Im besten Fall lässt sich zudem die Bewegung des Gases ermitteln, was oft auf eine rotierende Scheibe hindeutet. Dieses aus einer Laufzeitinformation abgeleitete Ergebnis haben die Wissenschaftler nun mit direkten Beobachtungen mittels Gravity überprüft.

„Unsere Ergebnisse unterstützen die grundlegenden Annahmen der Reverberation-Mapping-Methode“, sagt Jason Dexter vom Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik. Informationen über die Bewegung und Größe der Region unmittelbar um das schwarze Loch seien entscheidend für die Messung seiner Masse.

Erstmals wurde das herkömmliche Verfahren nun experimentell erfolgreich getestet und bestätigte bisherige Schätzungen von rund 300 Millionen Sonnenmassen für das schwarze Loch in 3C 273. Die neue Methode bietet einen verlässlichen Maßstab, um die Masse von schwarzen Löchern in Tausenden Galaxien zu messen.

Quasare spielen eine wichtige Rolle in der Geschichte des Universums, da ihre Entwicklung eng mit dem Wachstum von Galaxien verknüpft ist. Astronomen gehen inzwischen davon aus, dass grundsätzlich alle großen Galaxien in ihrem Zentrum ein massereiches schwarzes Loch aufweisen.

„Zum ersten Mal haben wir die unmittelbare Umgebung eines riesigen schwarzen Lochs außerhalb unserer Heimatgalaxie räumlich aufgelöst untersucht“, sagt Reinhard Genzel, Leiter der Infrarot-Forschungsgruppe am Garchinger Max-Planck-Institut. „Schwarze Löcher sind faszinierende Objekte, die es uns ermöglichen, die Physik unter extremen Bedingungen zu erforschen – und mit Gravity können wir sie jetzt sowohl in der Nähe als auch in der Ferne untersuchen.“

HAE / HOR

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