Futter für das schwarze Loch

Erste Untersuchungen mit dem Very Large Telescope Interferometer zeigen den Staubtorus um das Massemonster im Zentrum einer Galaxie

16. Mai 2012

Schwarze Löcher verschlingen alles, was ihnen zu nahe kommt. Als Nahrung dient ihnen Gas und Staub aus der Umgebung. Jetzt hat ein internationales Forscherteam unter der Leitung von Gerd Weigelt vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn diese Vorratskammer unter die Lupe genommen. Mittels der Nahinfrarot-Interferometrie beobachteten die Wissenschaftler die innere Region der Galaxie NGC 3783. Dort sitzt ein schwarzes Loch, umgeben von einem sogenannten Staubtorus. Dieser bildet offenbar das Reservoir von Gas und Staub, das die heiße Gasscheibe (Akkretionsscheibe) und das supermassive schwarze Loch füttert. Die Messungen gelangen mit dem Very Large Telescope Interferometer (VLTI) der Europäischen Südsternwarte.

Kosmische Vorratskammer: Ein Staubtorus in der Umgebung der Akkretionsscheibe eines schwarzen Lochs in künstlerischer Darstellung.

Im Herzen von Galaxien laufen extreme physikalische Prozesse ab. In vielen dieser galaktischen Zentren haben die Astronomen schwarze Löcher entdeckt, deren Massen oft millionenfach größer sind als die Masse unserer Sonne. Diese Schwerkraftfallen sind von einer heißen, hellen Gasscheibe umgeben. Die Strahlung einer solchen Akkretionsscheibe wird wahrscheinlich durch einströmendes Material verursacht. Um ihre hohe Leuchtkraft aufrecht zu halten, muss ständig frisches Futter nachgeliefert werden. Der Staubtorus in der Umgebung der Scheibe dient wahrscheinlich als Reservoir, aus dem sich das wachsende schwarze Loch ernährt.

Da der Staubtorus sehr kompakt ist, stellt seine Untersuchung eine große Herausforderung dar. So etwa erscheint jener in der Galaxie NGC 3783 unter einem Winkelradius von nur 0,74 Milli-Bogensekunden; bezogen auf die Entfernung der Galaxie von etwa 150 Millionen Lichtjahren entspricht das einer Region von der Größe eines halben Lichtjahrs.

Ein Riesenfernrohr mit einem Spiegeldurchmesser von mehr als 100 Metern könnte die benötigte hohe Winkelauflösung liefern, aber Teleskope dieser Größe wird es in der nahen Zukunft leider nicht geben. Aber die Astronomen behelfen sich mit einem Trick: Dazu richten sie mehrere Teleskope auf ein Objekt und überlagen deren Licht. Derartige Interferogramme enthalten dann hochaufgelöste Informationen.

Mächtige Messapparatur: Das Very Large Telescope Interferometer der Europäischen Südsternwarte in Chile.

Für die Messungen an der Galaxie NGC 3783 nutzten die Forscher ein Instrument namens Amber, um das infrarote Licht von zwei oder drei Teleskopen des Very Large Telescope Interferometers zu überlagern. Diese Methode liefert eine extrem hohe Detailauflösung, die proportional zum Abstand der Teleskope ist. Da der größte Abstand zwischen den vier Teleskopen des VLTI 130 Meter beträgt, entspricht die Winkelauflösung theoretisch jener eines einzigen Riesenspiegels mit 130 Metern Durchmesser – 15-fach besser als die Auflösung eines einzelnen VLTI-Teleskops mit acht Metern Spiegeldurchmesser.

„Das Instrument der Europäischen Südsternwarte eröffnet eine einmalige Gelegenheit, unser Wissen über Galaxienkerne zu verbessern“, sagt Gerd Weigelt, Direktor am Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn. „Wir können damit faszinierende physikalische Prozesse mit bisher nicht erreichter Auflösung und über einen weiten infraroten Spektralbereich untersuchen.“

Detaillierte Untersuchungen der zentralen Staubansammlungen in Galaxien sind wichtig, um die Struktur des Staubtorus und seine Wechselwirkung mit der Akkretionsscheibe besser zu verstehen. Zur Auflösung des Kerns von NGC 3783 musste das Team Tausende von Teleskop-Interferogrammen aufnehmen. Dabei lagen die Abstände zwischen den Fernrohren im Bereich von 45 und 114 Metern. Die Auswertung dieser Interferogramme ermöglichte es schließlich, den Radius des kompakten Staubtorus zu bestimmen: 0,74 Milli-Bogensekunden, entsprechend einem Radius von nur einem halben Lichtjahr.

„Wir hoffen, in den nächsten Jahren noch viel mehr Informationen zu bekommen, indem wir bei noch kürzeren Wellenlängen, mit größerem Teleskopabstand und mit höherer spektraler Auflösung messen“, sagt Makoto Kishimoto vom Bonner Max-Planck-Institut für Radioastronomie. In einigen Jahren werde es zwei weitere Interferometrie-Instrumente für das VLTI geben, die noch ergänzende Informationen liefern sollen.

HOR / NJ

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