Scharfer Blick in den Kern eines Quasars

Internationales Team beobachtet die innerste Struktur des Jets von 3C 273

Im Kern fast jeder Galaxie befindet sich ein supermassereiches schwarzes Loch. Doch es gibt viele verschiedene Typen. Quasare etwa sind eine der hellsten und aktivsten Spielarten von Galaxienzentren. Eine internationale Gruppe, der auch Forschende aus dem Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn angehören, präsentiert neue Beobachtungen des ersten jemals identifizierten Quasars. Dieses „quasi-stellare Objekt“ mit dem Namen 3C 273 befindet sich in einer Entfernung von etwa 1,9 Milliarden Lichtjahren in Richtung des Sternbilds Virgo. Die Radiobilder verfolgen den Jet bis hinunter zu seinem Ursprung und zeigen, wie die Breite des Jets mit zunehmender Entfernung vom zentralen schwarzen Loch variiert.

Aktive supermassereiche schwarze Löcher stoßen schmale, unglaublich energiereiche Plasmastrahlen aus. Diese schießen mit nahezu Lichtgeschwindigkeit aus den Zentren von Galaxien. „Radiojets in Quasaren werden schon seit langem untersucht, aber die Details der Jetbildung sind immer noch nicht gut verstanden und ein aktuelles Thema der laufenden Forschung“, sagt Thomas Krichbaum vom Bonner Max-Planck-Institut für Radioastronomie. Ungelöst sei etwa die Frage, wie und wo genau die Jets zu einem engen Strahl gebündelt werden, sodass sie sich bis weit über die Grenzen ihrer Wirtsgalaxie ausbreiten können. Dabei können diese Jets sogar die Entwicklung von Galaxien beeinflussen. Die neuen Radiobeobachtungen dringen bis zu einem halben Lichtjahr tief in das Herz von 3C 273 vor - bis in die Region nahe dem schwarzen Loch. „Dort wird der Jet-Plasmastrom zu einem schmalen Strahl gebündelt“, so Krichbaum.

Tatsächlich konnten die Forschenden gleichsam in den Maschinenraum des Quasars blicken. Dabei fanden sie heraus, dass sich der Öffnungswinkel des Plasmastroms, der vom schwarzen Loch wegfließt, langsam verengt. Dieser sich verengende Teil des Strahls setzt sich weit über den Bereich hinaus fort, in dem die Schwerkraft des schwarzen Lochs dominiert. „Es ist erstaunlich zu sehen, wie sich die Form des mächtigen Plasmastroms in einem extrem aktiven Quasar langsam und über eine große Entfernung ändert. Dies wurde auch in der Nähe von viel schwächeren und weniger aktiven supermassereichen Schwarzen Löchern beobachtet“, sagt Kazunori Akiyama, Forscher am MIT-Haystack-Observatorium und Projektleiter.

Nach den Worten von Hiroki Okino, Doktorand an der Universität von Tokio und dem National Astronomical Observatory of Japan, werfen die Ergebnisse eine neue Frage auf: „Wie kommt es, dass die Bündelung derJets in derart unterschiedlichen Systemen schwarzer Löcher so gleichmäßig verläuft?“ 3C 273 wird seit Jahrzehnten als ideales, nahe gelegenes Labor für die Untersuchung von Quasar-Jets betrachtet. Doch obwohl der Quasar relativ nah ist, gab es bisher keine Instrumente, die weit genug ins Zentrum vordrangen - und das mit hoher Detailauflösung.

Ermöglicht hat die Beobachtungen nun ein Netz von Radioteleskopen rund um den Globus, die Kombination aus dem „Global Millimeter VLBI Array“ (GMVA) und dem „Atacama Large Millimeter/submillimeter Array“ (ALMA) in Chile. Das GMVA und ALMA wurden über Kontinente hinweg mit einer Technik namens „Very Long Baseline Interferometry“ (VLBI) verbunden. Beteiligt an den Messungen war zudem das „High Sensitivity Array“ (HSA) mit dem Ziel, Expansion und Form des Jets auch bei größeren Entfernungen vom Quasarkern zu bestimmen. Die Daten wurden im Frühjahr 2017 aufgezeichnet. Das Max-Planck-Institut für Radioastronomie ist federführend für den Betrieb des GMVA. So werden in Bonn die Beobachtungen koordiniert und die Daten verarbeitet.

„Der Beitritt von ALMA zu den globalen VLBI-Netzwerken markiert einen Wendepunkt in der Erforschung schwarzer Löcher“, sagt Anton Zensus, Direktor am Max-Planck-Institut für Radioastronomie und Mitautor der Studie. Damit sei es zum ersten Mal möglich, Bilder von supermassereichen schwarzen Löchern erhalten. Zudem helfe die Technik, Objekte wie 3C 273 im Detail zu erforschen und selbt bei weit entfernten Galaxien zu beobachten, wie schwarze Löcher ihre Jets antreiben.

NJ / HOR

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