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Beleuchtung der geheimnisvollen Vorgänge am Rand des Ereignishorizonts

Wissenschaftler haben mit dem Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) am Rand des Ereignishorizonts eines supermassereichen Schwarzen Lochs ein extrem starkes Magnetfeld aufgespürt, das alle bisher im Zentrum einer Galaxie gemessenen Felder in den Schatten stellt. Diese neuen Beobachtungen helfen Astronomen dabei, Struktur und Entstehung dieser massereichen Bewohner von Galaxienzentren und die doppelseitigen Hochgeschwindigkeits-Jets aus Plasma zu verstehen, die sie an ihren Polen ausstoßen. Die Ergebnisse werden am 17. April 2015 in der Zeitschrift Science veröffentlicht.

ESO-News vom 16. April 2015

Supermassereiche Schwarze Löcher, oftmals mit dem Milliardenfachen der Sonnenmasse, befinden sich im Herzen nahezu aller Galaxien im Universum. Diese Schwarzen Löcher können gewaltige Mengen an Materie in Form einer sie umgebenden Scheibe akkretieren. Während der größte Teil dieser Materie vom Schwarzen Loch verschlungen wird, kann ein kleiner Teil kurz vor dem Einfang entkommen und wird mit nahezu Lichtgeschwindigkeit in Form eines Plasma-Jets in den Weltraum geschleudert. Dieser Vorgang ist noch nicht ausreichend verstanden, obwohl man davon ausgeht, dass starke Magnetfelder, die nahe dem Ereignishorizont auftreten, eine entscheidende Rolle in diesem Prozess spielen und der Materie helfen, dem gähnenden Schlund der Dunkelheit zu entkommen.

Bis heute wurden nur schwache Magnetfelder weit entfernt von Schwarzen Löchern – mit mehreren Lichtjahren Abstand – untersucht [1]. Im Rahmen einer neuen Studie nutzten Astronomen der Chalmers University of Technology und des Onsala Space Observatory in Schweden nun ALMA, um Signale aufzuspüren, die direkt mit dem starken Magnetfeld unmittelbar am Ereignishorizont des Schwarzen Lochs in der fernen Galaxie PKS 1830-211 in Zusammenhang stehen. Das Magnetfeld befindet sich genau an der Stelle, an der Materie plötzlich in Form eines Jets vom Schwarzen Loch weggeblasen wird.

Das Astronomenteam maß die Stärke des Magnetfeldes, indem es untersuchte, wie das Licht polarisiert ist, das sich vom Schwarzen Loch entfernt.

„Polarisation ist eine wichtige Eigenschaft von Licht und wird im Alltag häufig genutzt, zum Beispiel bei Sonnenbrillen oder 3D-Brillen im Kino“, erklärt Ivan Marti-Vidal, der Erstautor der Studie. „Wenn sie natürlichen Ursprungs ist, kann Polarisation dazu verwendet werden, um Magnetfelder zu vermessen, da Licht seine Polarisation ändert, wenn es durch ein magnetisiertes Medium hindurchgeht. In diesem Fall war das Licht, des wir mit ALMA aufgenommen haben, durch die Materie direkt am Schwarzen Loch hindurchgegangen, einem Ort voll von hochmagnetisiertem Plasma.“

Die Astronomen setzten ein neu entwickeltes Analyseverfahren für die ALMA-Daten ein und fanden so heraus, dass sich die Richtung der Polarisation der Strahlung gedreht hatte, die aus dem Zentrum von PKS 1830-211 kam [2]. Dabei handelt es sich um die kürzesten Wellenlängen, die je in dieser Art von Beobachtung genutzt wurden, was es ermöglicht, die Regionen sehr nahe am zentralen Schwarzen Loch zu untersuchen [3].

„Wir haben klare Hinweise auf eine Polarisationsdrehung, die mehr als hundert mal so groß ist, wie die größte Änderung, die zuvor je im Universum gefunden wurde“, ergänzt Sebastien Muller, Koautor der Studie. „Dank ALMA ist unsere Entdeckung ein großer Sprung, was die Beobachtung von Frequenzen angeht. Das gilt auch für die Entfernung vom Schwarzen Loch, in der wir das Magnetfeld untersucht haben – in der Größenordnung von gerade einmal einigen Lichttagen vom Ereignishorizont. Diese Erkenntnisse und zukünftige Forschungen werden uns dabei helfen, zu verstehen, was wirklich in der unmittelbaren Umgebung des supermassereichen Schwarzen Lochs vorsichgeht.“

Endnoten

[1] Deutlich schwächere Magnetfelder sind in der Umgebung um das vergleichsweise inaktive supermassereiche Schwarze Loch im Zentrum der Milchstraße gefunden worden.

[2] Magnetfelder induzieren einen Faraday-Effekt, was eine jeweils unterschiedliche Drehung der Polarisation bei unterschiedlichen Wellenlängen verursacht. Je nachdem wie die Drehung von der Wellenlänge abhängt, lassen sich Rückschlüsse über das Magnetfeld in der Region ziehen.

[3] Die Beobachtungen mit ALMA fanden bei einer effektiven Wellenlänge von 0,3 Millimetern statt, bei früheren Untersuchungen dagegen bei deutlich längeren Wellenlängen. Nur Licht, das eine Wellenlänge im Millimeterbereich hat, kann aus der Region sehr nahe am Schwarzen Loch entkommen, langwelligere Strahlung wird absorbiert.

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