Tief im Inneren von M87

 -  MPI für Radioastronomie  - 
Schematische Darstellung des turbulenten Masseninjektionsprozesses von der Akkretionsscheibe eines supermassereichen Schwarzen Lochs in ein globales Magnetfeld. © Axel. M. Quetz/MPIA Heidelberg
Beobachtung des Jets im Zentralbereich der aktiven Galaxie M87 mit dem Weltraumteleskop “Hubble”. Das Inlet zeigt die Zentralregion in der der Jet in einem turbulenten Prozess entsteht und durch ein großskaliges Magnetfeld gebündelt abgestrahlt wird. © J. A. Biretta et al., Hubble Heritage Team (STScI /AURA), NASA; Axel. M. Quetz/MPIA, S. Britzen/MPIfR

Die große Radiogalaxie M87 in nur ca. 50 Millionen Lichtjahren Entfernung enthält ein supermassereiches Schwarzes Loch von sechs Milliarden Sonnenmassen in ihrem Zentrum. Sie ist berühmt für ihren leuchtkräftigen Jet, der aus ihrem Zentralbereich abgestrahlt wird und das beobachtete Spektrum über einen Frequenzbereich von 10 Größenordnungen dominiert. Aufgrund ihrer Nähe, des ausgeprägten Jets und des sehr massereichen Schwarzen Lochs im Zentrum stellt M87 ein ideales Laboratorium dar, um die Entstehung, Beschleunigung und Bündelung der Materie in relativistischen Jets zu erforschen. Ein Team von Forschern unter der Leitung von Silke Britzen vom Bonner Max-Planck-Institut für Radioastronomie zeigt in einer aktuellen Veröffentlichung wichtige Hinweise darauf, dass turbulente Prozesse die Akkretionsscheibe und den Jet dieser Galaxie miteinander verbinden. Dies liefert neue Erkenntnisse für das lange bestehende Problem des Ursprungs von astrophysikalischen Jets.

Supermassereiche Schwarze Löcher in den Zentren von Galaxien sind eines der rätselhaftesten Phänomene in der modernen Astrophysik. Ihr gewaltiger Energieausstoß wird im Allgemeinen auf die Umwandlung von Gravitationsenergie in Strahlung zurückgeführt.

Aktive Schwarze Löcher produzieren Strahlung über das Ansammeln (“Akkretion”) von Materie. Es entsteht eine sogenannten Akkretionsscheibe, die die Zentralquelle umgibt. Ein deutliches Anzeichen für den Akkretionsvorgang im Zentralbereich von Galaxien stellen Jets von enormer Ausdehnung dar, die sich über etliche Millionen Lichtjahre Entfernung vom Galaxienzentrum aus erstrecken und damit weit über den sichtbaren Bereich der Galaxie hinausragen.

M87, die Zentralgalaxie des Virgo-Galaxienhaufens in Richtung des Sternbilds “Jungfrau” liegt in einer Entfernung von 17 Megaparsec (das entspricht ungefähr 50 Millionen Lichtjahren). Sie stellt die zweitnächste Galaxie mit einem aktiven Galaxienkern („Active Galactic Nucleus“, AGN) dar und enthält in ihrem Zentrum ein aktives Schwarzes Loch mit einer Masse von rund sechs Milliarden Sonnenmassen. M87 war die erste Galaxie, bei der ein Jet gefunden werden konnte, und zwar bereits in optischen Beobachtungen am Lick-Observatorium vor rund 100 Jahren: „ein bemerkenswerter geradliniger Materiestrahl, der mit dem Galaxienkern verbunden scheint“ (Heber Curtis, 1918).

Der Jet von M87 ist einer der am sorgfältigsten untersuchten astrophysikalischen Jets. Er ist über das gesamte elektromagnetische Spektrum - von Radiowellen bis zu Röntgenwellen - sichtbar. M87 stellt ebenfalls die erste Galaxie dar, für die Signale selbst bei den höchsten Gammastrahlungsenergien im Teraelektonenvolt (TeV-) Bereich nachgewiesen werden konnten.

Trotz einer Fülle von Beobachtungsmaterial ist die genaue Art und Weise, wie der leuchtkräftige Jet an das akkretierende Schwarze Loch koppelt, unbekannt. Die Forscher sind dieses Problem dadurch angegangen, dass sie interferometrische Radiobeobachtungen von M87 mit dem „Very Long Baseline Array“ (VLBA) analysiert haben. Das VLBA verbindet Radioteleskope von Hawaii bis zu den Virgin Islands miteinander. Dadurch kann bei einer Frequenz von 15 GHz (bzw. 2  cm Wellenlänge) eine Winkelauflösung von nur 0,6 Millibogensekunden am Himmel erreicht werden, das entspricht gerade mal 0,16 Lichtjahren oder 84 Schwarzschildradien für M87.

Obwohl bereits mehr als hundert Jets von aktiven Schwarzen Löchern detailliert untersucht werden konnten, bietet nur M87 die Möglichkeit, die unmittelbarste Nachbarschaft des zentralen Schwarzen Lochs zu erforschen.

Die Radiobeobachtungen wurden im Rahmen des MOJAVE-Projekts (“Monitoring of Jets in Active galactic nuclei with VLBA Experiments”) durchgeführt. „Wir haben diese Daten erneut analysiert, um so einen Einblick in die komplexen Prozesse zu gewinnen, die den Jet und die Akkretionsscheibe von M87 miteinander verbinden“, sagt Silke Britzen vom Bonner Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR), die Erstautorin der Veröffentlichung. „Soweit wir wissen, ist dies das erste Mal, dass die Vorgänge im Zusammenhang mit dem Fußpunkt des Jets, also seinem Entstehungsort, und dem Aufladen des Jets mit Material untersucht werden konnten.“  Schnelle turbulente Prozesse bei denen magnetische Rekonnektion ein wichtige Rolle spielt, wie man sie im kleineren Maßstab von Vorgängen auf der Sonnenoberfläche her kennt, bieten die beste Möglichkeit zur Erklärung der Beobachtungsergebnisse (vgl. Abb. 1).

“Es gibt gute Gründe anzunehmen, dass die Oberfläche der Akkretionsscheiben sich ähnlich verhält wie die Sonnenoberfläche – blubberndes heißes Gas mit ständiger magnetischer Aktivität wie Rekonnektion und Strahlungsausbrüchen“, fügt Christian Fendt vom Heidelberger Max-Planck-Institut für Astronomie (MPIA) hinzu, Ko-autor der Studie und ein Experte für die die theoretische Modellierung von Jets. Während nahe der Oberfläche der Akkretionsscheibe eher kleinskalige magnetische Strukturen die Massenübertragung in die Jets dominieren, bleibt über größere Distanzen hin nur das globale spiralförmige Magnetfeld bestehen und dirigiert die Bewegung des Jets.  

In Zukunft werden Beobachtungen bei noch höheren Frequenzen und somit besserer Winkelauflösung im Rahmen des Event-Horizon-Teleskops (EHT) es ermöglichen, sich den supermassereichen Schwarzen Löchern in den Zentren von aktiven Galaxien noch weiter zu nähern. „Es gibt nur zwei Zielobjekte, die es uns erlauben, den Ereignishorizont selbst als Schatten in den Radiobeobachtungen abzubilden“, stellt Andreas Eckart von der Universität zu Köln fest. „Das zentrale Schwarze Loch in der Galaxie M87 und dasjenige im Zentrum unserer Milchstraße. Beide sind sehr unterschiedlich, sowohl in der Aktivität als auch in ihrer Masse. Aber auch in ihrer Entfernung von uns sind sie verschieden. Dadurch erscheint in beiden Objekten das Schwarze Loch in vergleichbarer Winkelauflösung am Himmel und es sollte auch bei beiden ein dunkler Schatten von ähnlicher Größe sichtbar werden.“

Vladimir Karas (Astronomical Institute of the Czech Academy of Sciences) betont, dass die Beobachtungsergebnisse für M87 als Grundlage für weitere Untersuchungen sowohl von Beobachtungen als auch von der Theorie her dienen könnten. Die direkte Umgebung eines Schwarzen Lochs umfasst einen sehr interessanten als „Ergosphäre“ bezeichneten Bereich, der aber noch jenseits der Auflösung der derzeitigen Generation von Teleskopen liegt.

Die Beobachtungen im Rahmen des EHT-Projekts mit der höchsten derzeit verfügbaren Winkelauflösung haben in den ersten beiden Aprilwochen 2017 stattgefunden. Die Ergebnisse dieser Beobachtungen könnten dazu beitragen, das in der vorliegenden Arbeit präsentierte Modell weiter zu verfeinern und die Verbindung zwischen Jets und supermassereichen Schwarzen Löchern in den Zentren von Galaxien besser zu verstehen.

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