Neue EHT-Bilder zeigen unerwartete Polarisationswechsel bei M87*

Die Event Horizon Telescope (EHT)-Kollaboration hat mit maßgeblicher Beteiligung des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie (MPIfR) neue, detaillierte Bilder des supermassereichen Schwarzen Lochs im Zentrum der Galaxie M87 veröffentlicht. Diese zeigen eine dynamische Umgebung mit sich verändernden Polarisationsmustern in der Nähe des Schwarzen Lochs. Zum ersten Mal haben die Forscherinnen und Forscher in den EHT-Daten auch Anzeichen für eine ausgedehnte Emission in der Nähe der Jet-Basis entdeckt, wo der Jet mit dem Ring um das Schwarze Loch verbunden ist. Die aktuellen Beobachtungen, die heute in der Fachzeitschrift „Astronomy & Astrophysics“ veröffentlicht wurden, bieten neue Einblicke in das Verhalten von Materie und Energie in den extremen Umgebungen um Schwarze Löcher.

M87 liegt etwa 55 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt und beherbergt ein supermassereiches Schwarzes Loch, mit einer Masse, die mehr als sechs Milliarden Mal größer ist als die der Sonne. Das EHT – ein globales Netzwerk von Radioteleskopen, das ein virtuelles Observatorium von der Größe der Erde darstellt – hat 2019 erstmals das ikonische Bild vom Schattens des Schwarzen Lochs von M87 aufgenommen und 2021 Karten der polarisierten Radiostrahlung hinzugefügt. In der Astronomie bezieht sich Polarisation auf die Ausrichtung von Lichtwellen, die Aufschluss über die Struktur und Stärke von Magnetfeldern im Weltraum ermöglicht Durch den Vergleich der Beobachtungen aus den Jahren 2017, 2018 und 2021 sind Wissenschaftler nun einen wichtigen Schritt weiter gekommen, und können zeigen, wie sich die Magnetfelder in der Nähe des Schwarzen Lochs im Laufe der Zeit verändern.

Veränderung des Polarisationsmusters von M87*

Zwischen 2017 und 2021 kehrte sich das Muster der polarisierten Radiostrahlung unerwartet um. Im Jahr 2017 schienen sich die Magnetfelder in eine Richtung zu drehen. Bis 2018 hatten sie sich stabilisiert. Im Jahr 2021 erfolgte eine Umkehrung, worauf sie sich in entgegengesetzter Richtung drehten. Solche Veränderungen können sowohl auf die magnetische Struktur des Schwarzen Lochs selbst als auch auf dazwischenliegende Materie zurückzuführen sein, die die Polarisation des Lichts auf seinem Weg zur Erde verzerrt. Zusammengenommen deuten diese Schwankungen auf eine sich entwickelnde, turbulente Umgebung hin, in der Magnetfelder eine entscheidende Rolle dabei spielen, wie Materie in das Schwarze Loch fällt und wie Energie in den nach außen gerichteten Jet geleitet wird. Dieses überraschende Verhalten stellt bestehende Modelle in Frage und unterstreicht, wie viel über die Prozesse in der Nähe des Ereignishorizonts noch aufzuklären bleibt.

„Bemerkenswert ist, dass die Ringgröße über die Jahre hinweg konstant geblieben ist – was den von Einsteins Theorie vorhergesagten Schatten des Schwarzen Lochs bestätigt –, während sich das Polarisationsmuster erheblich verändert hat“, sagt Paul Tiede, Astronom am Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian und einer der Leiter der neuen Studie. „Dies zeigt uns, dass das magnetisierte Plasma, das in der Nähe des Ereignishorizonts wirbelt, alles andere als statisch ist. Es ist dynamisch und komplex und bringt unsere theoretischen Modelle an ihre Grenzen.“

„Jahr für Jahr verbessern wir das EHT – mit zusätzlichen Teleskopen und verbesserten Instrumenten, neuen Ideen für wissenschaftliche Erkundungen und neuartigen Algorithmen, um mehr aus den Daten herauszuholen“, fügt ein weiterer Leiter der Studie, Michael Janssen hinzu. Er ist Assistenzprofessor an der Radboud-Universität in Nimwegen und hat eine zusätzliche Affiliation mit dem MPIfR. „In der Studie haben all diese Faktoren zu neuen wissenschaftlichen Ergebnissen und neuen Fragen geführt, die uns sicherlich noch viele Jahre beschäftigen werden.“

„Jets wie in M87 spielen eine Schlüsselrolle bei der Entwicklung ihrer Wirtsgalaxien. Indem sie die Sternentstehung regulieren und Energie über große Entfernungen verteilen, beeinflussen sie den Lebenszyklus von Materie auf kosmischer Ebene“, erklärt Eduardo Ros vom MPIfR. „Da der Jet von M87 über das gesamte Spektrum hinweg strahlt – von Radiowellen bis hin zu Gammastrahlen und Neutrinos – bietet er ein einzigartiges Labor, um zu untersuchen, wie solche extremen kosmischen Phänomene entstehen und ausgelöst werden.“

Zwei neue Teleskope im EHT-Netzwerk

Entscheidend war, dass bei den EHT-Beobachtungen 2021 zwei neue Teleskope zum Einsatz kamen – Kitt Peak in Arizona und NOEMA in Frankreich –, die die Empfindlichkeit und Bildschärfe des Teleskop-Netzwerks nochmals verbesserten. Dadurch konnten Wissenschaftler zum ersten Mal mit dem EHT die Emissionsrichtung der Basis des relativistischen Jets von M87 eingrenzen – einem schmalen Strahl energiereicher Teilchen, der mit nahezu Lichtgeschwindigkeit aus dem Schwarzen Loch austritt. Technische Leistungsverbesserungen am Grönland-Teleskop und am James-Clerk-Maxwell-Teleskop haben die Datenqualität im Jahr 2021 weiter verbessert.

„Die verbesserte Kalibrierung hat zu einer bemerkenswerten Steigerung der Datenqualität und der Leistung des Netzwerks geführt, wobei neue kurze Basislinien – zwischen NOEMA und den IRAM-30-m-Teleskopen sowie zwischen Kitt Peak und SMT – erste einschränkende Bedingungen für die schwache Emission an der Basis des Jets liefern“, sagt Sebastiano von Fellenberg, ehemals MPIfR und jetzt Humboldt-Lynen-Stipendiat am CITA (Universität Toronto), der sich auf die Kalibrierung für das Projekt konzentrierte. „Dieser Sprung in der Empfindlichkeit verbessert auch unsere Fähigkeit, Details in den Polarisationssignalen zu erkennen.“

Thomas Krichbaum vom MPIfR kommentiert: „Diese mehrjährigen Beobachtungen zeigen, wie turbulent und dynamisch die Umgebung in der Nähe des Ereignishorizonts ist. Der nächste Schritt wird darin bestehen, die Schwankungen des Rings und des Jets mit häufigeren Beobachtungen zu erfassen, idealerweise in Form eines Films, der die noch immer wenig verstandene Kinematik auf Ereignishorizontskalen thematisiert.“

Diese mehrjährigen Bilder vertiefen unser Verständnis einer der extremsten Umgebungen des Universums. Sie bestätigen Einsteins Vorhersagen und decken gleichzeitig eine neue Komplexität in Magnetfeldern und der Entstehung von Jets auf, wodurch sie einen noch nicht gekannten Einblick in die unmittelbare Umgebung des Schwarzen Lochs bieten.

J. Anton Zensus, Gründungsvorsitzender der EHT-Kollaboration und Direktor am MPIfR, fasst zusammen: „Diese neuesten Ergebnisse veranschaulichen die bemerkenswerte Dynamik um ein supermassereiches Schwarzes Loch. Die sich entwickelnden Polarisationsmuster und die ersten Einblicke in die Jet-Basis bringen uns dem Verständnis der Wechselwirkungen zwischen Magnetfeldern, Akkretion und Jet-Ausstoß näher. Sie zeigen auch den Wert einer langfristigen internationalen Zusammenarbeit und nachhaltiger technischer Innovationen in der Radioastronomie, die völlig neue Fenster zum Universum öffnen.“

Weitere Informationen und Quelle unter: https://www.mpifr-bonn.mpg.de/pressemeldungen/2025/6