Der Ring um das schwarze Loch funkelt

Astronomen des Event Horizon Telescope schließen aus Archivdaten, wie sich die Umgebung des Massemonsters in der Galaxie M 87 entwickelt hat

Im Zentrum der Riesengalaxie Messier 87 steckt ein gigantisches schwarzes Loch. Das im vergangenen Jahr veröffentlichte und mit dem Event Horizon Telescope (EHT) gewonnene Bild dieses Massemonsters ging um die Welt. Jetzt hat das EHT-Team zum Teil noch unveröffentlichte Archivdaten von 2009 bis 2013 analysiert. Dabei fanden die Forschenden, dass der ringförmige Schatten um das schwarze Loch tatsächlich immer vorhanden ist, jedoch seine Ausrichtung und Helligkeitsverteilung ändert – der Ring scheint zu funkeln. Eine wichtige Rolle für dieses Ergebnis spielten die Beteiligung des europäischen APEX-Teleskops in Chile und des von der Max-Planck-Gesellschaft mitfinanzierten IRAM 30-Meter-Teleskops auf dem Pico Veleta in der spanischen Sierra Nevada.

Momentaufnahmen: Bilder des schwarzen Lochs in der Galaxie M 87, basierend auf Beobachtungen sowie geometrischer Modellierung. In der unteren Bildhälfte die geografische Verteilung der EHT-Teleskope von 2009 bis 2017. Während sich der Durchmesser aller Ringe ähnelt, variiert die Stelle mit der stärksten Strahlung. Der anfangs (geschätzt) schmale Ring um das schwarze Loch hängt wahrscheinlich mit der geringen Anzahl an Observatorien in der Anfangsphase der Experimente zusammen.

„Die im April 2019 präsentierte Aufnahme der Galaxie M 87 zeigt zwei wesentliche Elemente: einen Ring, der durch das um das schwarze Loch herumwirbelnde Plasma entstanden ist, und einen dunklen inneren Bereich, in dem wir den Ereignishorizont des schwarzen Lochs vermuten”, sagt Maciek Wielgus von der US-amerikanischen Harvard University und Erstautor der aktuellen Veröffentlichung.

Diese Ergebnisse basieren auf Beobachtungen über den Zeitraum von einer Woche im April 2017 – das ist jedoch zu kurz, um Veränderungen zu sehen. Auch nach sorgfältiger Analyse blieben daher einige Fragen bezüglich der zeitlichen Entwicklung des Ringes offen. Deshalb haben die Wissenschaftler nun im Archiv gestöbert. Die Beobachtungen von 2009 bis 2013 beinhalten allerdings deutlich weniger Daten als die von 2017. Das EHT-Team verwendete daher geometrisch-basierte, statistische Modellierungen der verfügbaren Archivdaten, um die Veränderungen im Erscheinungsbild des schwarzen Lochs zu untersuchen.

Die Beobachtungen zwischen 2009 und 2017 zeigen, dass das schwarze Loch der Galaxie M 87 (genannt M 87*) den Erwartungen entspricht. Der Durchmesser seines Schattens stimmt mit den Vorhersagen von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie für ein schwarzes Loch mit 6,5 Milliarden Sonnenmassen überein. Zudem hat sich die Morphologie des asymmetrischen Rings über mehrere Jahre hinweg nicht geändert. Das steht im Einklang mit den für das schwarze Loch angenommenen physikalischen Eigenschaften sowie dem Ursprung seines Schattens.

Auch wenn der Durchmesser des Schattens selbst unverändert blieb, hielten die Daten für das EHT-Team eine Überraschung bereit. „Die Orientierung und Feinstruktur des Rings ändert sich mit der Zeit. Dies gibt uns einen Einblick in die einfallende Materie nahe dem Ereignishorizont, also gewissermaßen der Grenze des schwarzen Lochs”, sagt Thomas Krichbaum, Astronom am Bonner Max-Planck-Institut und einer der führenden Autoren der Veröffentlichung. Die detaillierte Form des Schattens werde es Wissenschaftlern ermöglichen, neue Tests der allgemeinen Relativitätstheorie zu entwerfen.

Während das Gas auf das schwarze Loch fällt, heizt es sich bis zu mehrere Milliarden Grad auf und ionisiert, das heißt, die Atome verlieren Elektronen. Da der Materiestrom aufgrund von magnetischen Feldern turbulent wird, scheint der Ring im Laufe der Zeit zu funkeln, wodurch einige theoretische Modelle der Akkretion hinterfragt werden müssen.

„In den kommenden Jahren wollen wir untersuchen, wie sich die Struktur von M 87* mit der Zeit verändert. Daher analysieren wir gerade die EHT-Daten von 2018 und bereiten neue Beobachtungen für 2021 vor”, sagt Anton Zensus, Direktor am Max-Planck-Institut für Radioastronomie und Gründungsvorsitzender des EHT-Kollaborationsgremiums.

An dieser Kampagne werden laut Zensus drei weitere Teleskope teilnehmen: das ebenfalls von der Max-Planck-Gesellschaft mitfinanzierte NOEMA-Observatorium in Frankreich als leistungsstärkstes Radioteleskop der nördlichen Halbkugel, das Greenland Telescope und das Kitt Peak Telescope in Arizona/USA. „Unser virtuelles weltumspannendes Teleskop wird also größer, unsere bildgebenden Verfahren damit genauer. Ich gehe davon aus, dass wir viel Neues über den Schatten des schwarzen Lochs und den inneren Jet der Galaxie M 87 erfahren werden”, so Zensus.

EHT / HOR

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