Blick auf den Ursprung des Materie-Strahls der Galaxie M87

Daten des Event Horizon Telescopes ermöglichen Zugang zum Ursprung des Materie-Ausflusses, angetrieben durch das supermassereiche schwarze Loch M87*

Auf den Punkt gebracht

• Umgebung eines supermassereichen schwarzen Lochs: Kürzlich veröffentlichte Daten des Event Horizon Telescope (EHT) der Galaxie Messier 87 ermöglichen neue Einblicke in die unmittelbare Umgebung des zentralen extrem massereichen schwarzen Lochs.
• Suche nach der Ursprung des Jets: Das Radioteleskopnetzwerk des EHT formt ein virtuelles Teleskop mit einem Durchmesser, so groß wie die Erde. Damit lässt sich eine Region beobachten, die direkt an das schwarze Loch anschließt und als Ursprung eines Jets gilt, der Teilchen beinahe mit Lichtgeschwindigkeit ins All beschleunigt.
• Zukünftige Forschung: Weitere Beobachtungen sind notwendig, um die genaue Form des Jets zu bestimmen und neue Theorien über die Physik schwarzer Löcher zu testen.

Einige Galaxien stoßen aus ihrem Zentrum mächtige Ströme geladener Teilchen – sogenannte Jets – in den Weltraum hinaus. Der markante Jet von Messier 87 (M87) im Sternbild Jungfrau ist über Entfernungen von 3000 Lichtjahren sichtbar und lässt sich über das gesamte elektromagnetische Spektrum beobachten. Er wird von der zentralen Maschine im Herzen der Galaxie angetrieben: dem extrem massereichen schwarzen Loch, das etwa sechs Milliarden Mal so massereich ist wie unsere Sonne. Der genaue Ort, an dem Jets um das schwarze Loch entstehen, ist noch unbekannt und damit auch der genaue Mechanismus, der diese Jets stabilisiert und durch den Teilchen auf beinahe Lichtgeschwindigkeit ins All beschleunigt werden.

Mit Daten des Event Horizon Telescope (EHT) aus dem Jahr 2021 hat ein internationales Forschungsteam unter der Leitung von Saurabh vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie, Hendrik Müller vom National Radio Astronomy Observatory und Sebastiano von Fellenberg, ehemals Teil des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie und derzeit des Canadian Institute for Theoretical Astrophysics, erste Hinweise auf die Basis des Jets in M87 gefunden. Die Ergebnisse sind in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift Astronomy & Astrophysics veröffentlicht.

Verschiedene Skalen beobachten

M87*, das extrem massereiche schwarze Loch im Zentrum der Galaxie M87, ist etwa 55 Millionen Lichtjahre (5 x 10²⁰ Kilometer) von der Erde entfernt. Im Jahr 2019 gingen die ersten Bilder seines Schattens und des leuchtenden Rings aus heißem Gas um ihn herum um die Welt. Um solche Strukturen aufzulösen, müssen Radioteleskope auf der ganzen Welt zu einem einzigen virtuellen Teleskop wie dem Event Horizon Telescope kombiniert werden. Diese Technik wird als Very Long Baseline Interferometry bezeichnet. Die auf diese Weise erzeugten Aufnahmen sind empfindlich für Strahlung, die von unterschiedlich weit ausgedehnten Strukturen entspricht, abhängig von den Abständen zwischen den Teleskopen (Basislinien): Mit langen Basislinien von mehreren tausend Kilometern lassen sich die kleinsten Strukturen – wie der leuchtende Ring – um M87* abbilden. Das lässt sich auch vereinfacht über einen Zusammenhang erklären, der für alle Teleskope gilt: Je größer der Durchmesser, desto besser die räumliche Auflösung. In diesem Fall bildet das Teleskopnetzwerk ein virtuelles Teleskop mit Lücken, was zu Bildartefakaten führt. Da es aber nicht um ein möglichst realitätsgetreues Bild der Umgebung des schwarzen Lochs geht, wie es im Film Interstellar ansatzweise dargestellt ist, genügt dieser Teleskop-Interferometer.

Die kurzen Basislinien des Interferometers, also Radioteleskope, die nur einige hundert Metern voneinander entfernt stehen, fangen hingegen Strahlung von viel ausgedehnteren Strukturen in M87 ein, beispielsweise dem Jet. Dafür bleiben ihnen Details der direkten Umgebung des schwarzen Lochs verwehrt. Mittellange Basislinien mit einigen hundert bis einigen tausend Kilometern sind das wichtige Bindeglied. Mit ihnen lässt sich eine Verbindung zwischen dem Material um das Schwarze Loch und dem Jet herstellen. Genau diese mittellangen Basislinien ermöglichten es dem Forschungsteam, die wahrscheinliche Position der Jet-Basis zu bestimmen, also jenem Ort, an dem der Jet entsteht. „Diese Studie ist ein erster Schritt, um theoretische Ideen über den Ursprung von Jets mit direkten Beobachtungen zu verbinden. Das Identifizieren der möglichen Basis des Jets und seiner Verbindung zum Schatten des schwarzen Lochs fügt ein wichtiges Puzzleteil hinzu und ermöglicht es, die Funktionsweise der zentralen Maschine besser zu verstehen“, erklärt Saurabh.

Der entscheidende Unterschied

Die Forschenden finden Hinweise auf die Basis des Jets, indem sie die Intensität der Radiostrahlung auf verschiedenen räumlichen Skalen vergleichen: Auf kurzen bis mittellangen Basislinien ist die gemessene Intensität höher als auf langen Basislinien. Das bedeutet, dass das, was mit langen Basislinien beobachtet wird – der leuchtende Ring aus heißem Gas um das Schwarze Loch – nicht allein für die gemessene Radiostrahlung verantwortlich ist. Die aktuellen Daten zeigen nun, dass ein Teil der fehlenden Strahlung auf mittellange Basislinien entfällt. Eine mögliche Erklärung ist der Jet, der mit dem Event Horizon Telescope bei einer Radiofrequenz von 230 Gigahertz bisher noch nicht beobachtet wurde.

Bei den Beobachtungen aus den Jahren 2017 und 2018 fehlten diese mittellangen Basislinien, um den Jet zu erkennen. Mit den kürzlich veröffentlichten Daten konnte Saurabhs Team jedoch mit zahlreichen Modellrechnungen zeigen, dass sich ein Teil der fehlenden Strahlung am besten durch eine zusätzliche kompakte Region erklären lässt. Aus unserer Perspektive ist diese etwa 0,09 Lichtjahre von M87* entfernt und gehört zur Basis des Jets. Die Position der kompakten Region scheint mit dem südlichen Arm eines Radiojets übereinzustimmen, den Forschende im Jahr 2018 bei einer anderen Frequenz (86 GHz) entdeckten. „Wir haben den inneren Teil des Jets von M87 viele Jahre lang mit globalen Radioteleskopnetzwerken beobachtet, wobei die Auflösung immer weiter verbessert wurde, und schließlich gelang es uns 2019, den Schatten des schwarzen Lochs aufzulösen. Es ist erstaunlich zu sehen, dass wir diese Beobachtungen über mehrere Frequenzen hinweg allmählich kombinieren können und sich das Bild der Region, aus der der Jet startet, vervollständigt“, sagt Hendrik Müller.

Wie geht es weiter?

Die aktuelle Studie zeigt, dass diese interessanten Strukturen um M87* sichtbar werden, wenn man bei Radiofrequenzen von 230 GHz mittellange Basislinien verwendet. Allerdings sind weitere Beobachtungen mit dem Event Horizon Telescope erforderlich, um die Form des Jets genauer zu bestimmen. Mit diesen Daten werden sich dann Strukturen wie die Jet-Basis nicht nur ableiten, sondern direkt abbilden lassen. Das eröffnet wiederum neue Möglichkeiten, die unmittelbare Umgebung extrem massereicher schwarzer Löcher zu untersuchen und Theorien zur Physik schwarzer Löcher zu überprüfen. „Neue Beobachtungen, die derzeit mit Unterstützung des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie korreliert und kalibriert werden, werden bald durch das Large Millimetre Telescope in Mexiko ergänzt. Dadurch wird eine noch schärfere Sicht auf die Region möglich, aus der der Jet stammt“, sagt Sebastiano von Fellenberg.