Robert Klatt
Ein Zusammenschluss aus Radioteleskopen, die gemeinsam eine virtuelle Antenne mit der Größe der Erde bilden, hat erstmals eine gemeinsame Aufnahme des Schwarze Lochs M87 und seines Jets erstellt. Die Astronomie konnte dadurch theoretische Modelle überprüfen.
Bonn (Deutschland). Astronomen haben 2019 das rund 55 Millionen Lichtjahre entfernte Schwarze Loch M87* mit dem Event Horizon Telescope (EHT) fotografiert. Es handelte sich dabei um die erste Aufnahme eines Schwarzen Lochs. Inzwischen konnte die Astronomie zudem den Einstein’schen Photonenring sowie die Jets aus Strahlung und energiereichen Teilchen des Schwarzen Lochs abbilden und den wackelnden Ereignishorizont beobachten.
Einem internationalen Team unter Beteiligung des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie (MPIfR) und der Europäischen Südsternwarte (ESO) ist es nun erstmals gelungen, eine gemeinsame Aufnahme des Schwarze Lochs M87* und seines Jets zu erstellen. Laut ihrer Publikation im Fachmagazin Nature verwendeten sie dazu einen Zusammenschluss aus Teleskopen des Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), des Global Millimeter VLBI Array (GMVA) und des Greenland Telescope (GLT). Diese Radioteleskope bilden zusammen eine virtuelle Antenne, die etwa so groß wie die Erde ist.
Im Gegensatz zur historischen Aufnahme des schwarzen Lochs M87* erfassten die Teleskope in der gegenwärtigen Untersuchung Radiowellen mit einer etwas größeren Wellenlänge von 3,5 Millimetern anstelle von 1,3 Millimetern. Diese längeren Radiowellen entstehen hauptsächlich durch beschleunigte Elektronen und erfahren eine geringere Verzerrung durch den gravitativen Linseneffekt in der Nähe des massereichen schwarzen Lochs. Infolgedessen können zusätzliche räumliche Merkmale und insbesondere der Entstehungsbereich des Teilchenstrahls klarer visualisiert werden.
Wie Ru-Sen Lu vom Astronomischen Observatorium Schanghai erklärt, ist der Lichtring um den zentralen Schatten des Schwarzen auf den neuen Aufnahmen etwa 50 Prozent größer und dicker.
„Der große und dicke Ring, den wir nun sehen, erklärt sich durch das Gas, das in das Schwarze Loch fällt.“
Die längere Wellenlänge macht zudem mehr Material sichtbar, das von der enormen Gravitation des Schwarzen Lochs angezogen wird und dessen Ereignishorizont umkreist. Noch deutlich wichtiger ist laut Thomas Krichbaum vom MPIfR aber, dass man auf den neuen Aufnahmen sehen kann, wo der energiereiche Jet aus dem Schwarzen Loch austritt.
„Bei dieser Wellenlänge können wir sehen, wie der Jet aus dem Emissionsring um das zentrale supermassereiche schwarze Loch austritt.“
Laut Krichbaum besteht der Jet des Schwarzen Lochs M87* aus einer helleren, zentralen Zone sowie zwei schwächer leuchtenden Seiten. Die zentrale Region des Jets stammt laut den neuen Aufnahmen unmittelbar aus dem Zentrum des Lichtrings.
„Wir sehen wieder die drei Jetfilamente, die wir schon aus früheren Beobachtungen kannten. Aber jetzt erkennen wir, wie der Jet aus dem Emissionsring um das Schwarze Loch austritt.“
Wie Lu erklärt, passt die beobachtete Form des Jets zum theoretischen Modell der Astronomie. Der im Jahre 1977 vorgeschlagene Blandford-Znajek-Prozess erläutert, auf welche Weise die Plasmateilchen, die um den Ereignishorizont kreisen, ein Magnetfeld generieren und wie infolgedessen elektromagnetische Interaktionen den Teilchenfluss sowie den Strahlungsstrom des Jets hervorbringen.
„Der Jet zweigt parabolisch entlang einer Winkelposition von rund 67 Grad von dort ab. Die beobachtete parabolische Form passt zum Modell eines Schwarzen-Loch-Jets, der vom Blandford-Znajek-Prozess angetrieben wird.“
Außerdem zeigen die Aufnahmen, dass der Jets von M87* an seiner Basis minimal breiter ist, als er laut dem Blandford-Znajek-Prozess sein sollte.
„Das könnte auf eine zusätzliche Emissionskomponente jenseits des Blandford-Znajek-Jets hindeuten.“
Die Autoren halten es für möglich, dass Synchrontronstrahlung, die von in der Akkretionsscheibe beschleunigten Elektronen stammt, der Auslöser sein könnte.
Laut Eduardo Ros vom MPIfR handelt es sich bei dem Bild um einen Meilenstein der Radioastronomie.
„Das spektakuläre Bild des Jets und des Rings in M87 ist ein wichtiger Meilenstein. Wir planen nun, die Region um das Schwarze Loch im Zentrum von M87 bei weiteren, verschiedenen Radiowellenlängen zu beobachten, um die Emission des Jets weiter zu untersuchen. Die kommenden Jahre werden spannend sein, denn wir werden mehr darüber erfahren, was in der Nähe einer der geheimnisvollsten Regionen des Universums passiert.“
Nature, doi: 10.1038/s41586-023-05843-w