Radioteleskop-Netzwerk blickt in das Herz eines Quasars in mehreren Milliarden Lichtjahren Entfernung

22.07.2012 | Max-Planck-Institut

Einem international zusammengesetzten Team von Astronomen unter Federführung von Wissenschaftlern des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie in Bonn ist es gelungen, die Zentralregion eines Quasars in großer Entfernung mit bisher unerreichter Winkelauflösung oder Trennschärfe abzubilden. Diese Messungen, ermöglicht durch die Verbindung von Radioteleskopen auf verschiedenen Kontinenten, bilden einen entscheidenden Schritt in Richtung auf ein wahrhaft dramatisches wissenschaftliches Ziel: die direkte Abbildung des supermassereichen Schwarzen Lochs im Zentrum unserer Milchstraße wie auch der entsprechenden Schwarzen Löcher in den Zentren von anderen nahegelegenen Galaxien.

Pressinformation des Max-Planck-Institut für Radio Astronomie vom 18.07.2012

Abb. 1: Links: Künstlerische Darstellung des Quasars 3C 279. Rechts: Die Positionen der drei an dem 1,3-mm-VLBI-Experiment beteiligten Radioteleskope: Die Basislinie zwischen Chile (APEX) und Hawaii (SMA) beträgt 9447 km, zwischen Chile und Arizona (SMT) sind es 7174 km, und zwischen Arizona und Hawaii 4627 km. Bildrechte: ESO/M. Kornmesser (Abb. 1a); ESO/L. Calçada (Abb. 1b).

Am 7. Mai 2012 wurden drei Radioteleskope in Chile, Hawaii und Arizona zum ersten Mal auf der Basis der Beobachtungsmethode "Very Long Baseline-Interferometrie" (VLBI) zusammengeschaltet. Dadurch wurde es möglich, das bisher schärfste Bild von einer weit entfernten Galaxie zu erhalten, des hellen Quasars 3C 279 mit einem supermassereichen Schwarzen Loch mit der milliardenfachen Masse der Sonne in seinem Zentrum.

Die Messungen zeigen, dass die Radiosignale des Quasars aus einer engbegrenzten Region mit einer Winkelausdehnung von nur 28 Mikro-Bogensekunden herrühren; das entspricht einer Größe von nur einem halben Lichtjahr im Kernbereich des Quasars. Es ist ein bemerkenswertes Ergebnis, Details von unter einem Lichtjahr Ausdehnung auflösen zu können bei einem Quasar, der selbst über 5 Milliarden Lichtjahre entfernt ist.

Die Beobachtungen wurden bei einer Radiowellenlänge von 1,3 mm (das entspricht einer Frequenz von 230 GHz) durchgeführt und brachten dabei drei Teleskope zusammen, die vorher noch nie mittels dieser Beobachtungstechnik zusammengeschaltet wurden. Das "Atacama Pathfinder Experiment" (APEX), ein Radioteleskop von 12 m Durchmesser in 5100 m Höhe in der chilenischen Atacama-Wüste wurde dabei interferometrisch verbunden sowohl mit dem Submillimeter-Teleskop (SMT) in 3100 m Höhe auf dem Gipfel des Mount Graham in Arizona (USA) und dem Submillimeter-Array (SMA), das sich in 4100 m Höhe auf dem Mauna Kea in Hawaii (USA) befindet.

Die hier vorgestellten Radiomessungen markieren einen neuen Meilenstein bei der Erforschung von super-massereichen Schwarzen Löchern und ihrer unmittelbaren Umgebung. Für die Zukunft ist geplant, noch einen Schritt weiterzugehen und eine noch größere Anzahl von Radioteleskopen in dieser Weise miteinander zu verbinden, um ein so genanntes "Event- Horizon-Teleskop" darzustellen, mit dem der Schatten des super-massereichen Schwarzen Lochs im Zentrum unserer Milchstraße erstmals direkt abgebildet werden kann, ebenso wie entsprechende Strukturen in benachbarten Galaxien.

Mit der VLBI-Methode erhält man die schärfsten Abbildungen, wenn die beteiligten Teleskope sich in möglichst großem Abstand voneinander befinden. Für seine Quasar-Beobachtungen hat das Forschungsteam drei Radioteleskope miteinander verbunden, die ein Interferometer mit transkontinentalen Basislängen ergeben. Dabei beträgt der Abstand von Chile nach Hawaii 9447 km, von Chile nach Arizona 7174 km, und von Arizona nach Hawaii 4627 km.

Um die Beobachtungen miteinander synchronisieren zu können, läuft an jeder Station eine Atomuhr mit, die ein hochgenaues Zeitsignal bereitstellt. An jeder der drei Stationen wurden insgesamt 4 Terabyte an Daten auf großen Festplatten aufgezeichnet, die anschließend nach Deutschland transportiert und am Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn ausgewertet wurden.

Der helle Materiestrahl oder Jet aus dem Zentralbereich des Quasars 3C 279 konnte zwischen allen drei Basislinien nachgewiesen werden, mit einer Winkelauflösung entsprechend einer 2,1 millionenfachen Teleskopvergrößerung. Das ist so, als wenn man einen Tennisball auf der Oberfläche des Mondes im Detail sehen könnte. Oder, auf der Erde, hieße es eine Zeitung in Los Angeles von Frankfurt aus lesen zu können.

Es ist ein entscheidender Schritt, das APEX-Teleskop in Chile erstmals in das VLBI-Netzwerk mit einzubeziehen und damit solche hochaufgelösten Interferometer-Messungen in Millimeter-Wellenlängen durchzuführen. Dies ist ein wichtiger Schritt dahin, ein entsprechendes Interferometer zu konzipieren, das sich über den gesamten Erdball erstreckt.

Das Experiment bildet den Gipfelpunkt von drei Jahren harter Arbeit in großer Höhe am APEX, um das Teleskop für die VLBI-Beobachtungen auszurüsten. Dabei haben deutsche und schwedische Wissenschaftler neue digitale Datenaufzeichnungssysteme installiert, sowie eine hochpräzise Atomuhr und Datenrekorder mit erhöhtem Innendruck, die über einen Zeitraum von vielen Stunden die anfallenden Daten mit einer Rate von 4 Gigabit pro Sekunde aufzeichnen können.

Die Miteinbeziehung von APEX ist auch noch aus einem anderen Grund von Interesse. Es teilt sich Standort und technologische Entwicklung mit dem neuen Teleskop ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array), das nach seiner Vollendung aus insgesamt 64 Einzelantennen in ähnlicher Art wie APEX bestehen wird. Mit der Einbeziehung von ALMA in das geplante VLBI-Netzwerk wären Beobachtungen mit noch 10fach höherer Empfindlichkeit als zum jetzigen Zeitpunkt möglich. Das bringt den Schatten des super-massereichen Schwarzen Lochs im Zentrum unserer Milchstraße in die Reichweite zukünftiger Beobachtungen!

Abb. 2: Fotos der drei am 1,3-mm-VLBI-Experiment beteiligten Radioteleskope: 10-m-Submillimeterteleskop (SMT, oben links), 12-m-APEX-Teleskop (oben rechts), Submillimeter-Array (SMA, unten). Bildrechte: University of Arizona/David Harvey (Abb. 2a), ESO/B. Tafreshi (twanight.org) (Abb. 2b), SMA/Jonathan Weintraub (Abb. 2c).

Das Atacama Pathfinder Experiment (APEX) ist ein gemeinsames Projekt des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie (MPIfR) zusammen mit dem Onsala Space Observatory (OSO) in Schweden und der Europäischen Südsternwarte (ESO) zu Bau und Betrieb einer modifizierten ALMA-Prototypantenne als Submillimeter-Radioteleskop auf der Chajantor-Hochebene in 5100 m Höhe in der chilenischen Atacama-Wüste. Das Teleskop wurde von der Fa. Vertex in Duisburg gebaut und der Betrieb des Teleskops in Chile der ESO übertragen.

Das Submillimeter-Teleskop (SMT, das frühere "Heinrich-Hertz-Teleskop") von 10 m Durchmesser auf dem Gipfel des Mt. Graham in Arizona wird vom Arizona Radio Observatory (ARO) in Tucson, Arizona (USA) betrieben.

Das Submillimeter-Array (SMA) auf dem Gipfel des Mauna Kea, Hawaii, besteht aus 8 Einzelteleskopen von jeweils 6 m Durchmesser und wird vom Smithsonian Astrophysical Observatory (USA) und der Academia Sinica Institute of Astronomy and Astrophysics (Taiwan) betrieben.

Das Projekt "Event Horizon Telescope" (EHT) zur direkten Erforschung des supermassereichen Schwarzen Lochs im Zentrum der Milchstraße und entsprechender Quellen in nahegelegenen Galaxien wird vom MIT Haystack Observatory (USA) koordiniert.

Very Long Baseline Interferometry (VLBI): Bei terrestrischen VLBI-Netzwerken setzt der Durchmesser der Erde von knapp 13000 km eine obere Grenze für den Abstand zwischen den beteiligten Stationen. Die Winkelauflösung wird jedoch durch den Abstand nicht in Kilometern, sondern in Einheiten der Radiowellenlänge festgelegt, so dass beim Übergang zu immer kürzeren Wellenlängen die Winkelauflösung immer besser wird. Das ist aus einer Reihe von Gründen technisch sehr aufwändig. Eine klare Einschränkung ergibt sich vor allem daraus, dass ab ca. 1 mm Wellenlänge der Wasserdampfgehalte in den unteren Schichten der Atmosphäre die ohnehin schon schwachen Radiosignale aus dem Kosmos nochmals deutlich beeinträchtigt. Daher ist es erforderlich, eine neue Generation von Radioteleskopen einzusetzen, die sich in sehr großer Höhe über dem Meeresspiegel befinden. Dort ist der Wasserdampfgehalt in der Atmosphäre niedriger und die Absorption der Radiosignale entsprechend geringer.

Um das APEX-Teleskop für den VLBI-Betrieb einsetzen zu können, wurden neue Datenaufnahmesysteme installiert, mit dem die schwachen Signale im Millimeter-Wellenlängenbereich mit großer Bandbreite (bis zu 4 Gbit/s) aufgezeichnet werden können. Solche Systeme wurden parallel in den USA (am MIT-Haystack-Observatorium) und in Europa (MPIfR, INAF/Noto und HAT-Laboratorium) entwickelt. Eine hochgenaue Atomuhr wurde auf der Basis eines Wasserstoff-Maser-Standards (T4Science) installiert. Die beiden Partnerteleskope (SMT und SMA) waren bereits mit entsprechendem Equipment für VLBI-Messungen bestückt.