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04/26/2023 17:00

Erstes Bild eines schwarzen Lochs, das einen starken Jet ausstößt

ESO Science Outreach Network (Dr. Markus Nielbock) Öffentlichkeitsarbeit
Max-Planck-Institut für Astronomie

Zum ersten Mal haben Astronomen den Schatten des schwarzen Lochs im Zentrum der Galaxie Messier 87 (M87) und den mächtigen Jet, der von ihm ausgestoßen wird, auf demselben Bild beobachtet. Die Beobachtungen wurden 2018 mit Teleskopen des Global Millimeter VLBI Array (GMVA), des Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), an dem die ESO beteiligt ist, und des Greenland Telescope (GLT) durchgeführt. Dank dieses neuen Bildes können Astronomen besser verstehen, wie schwarze Löcher solch energiereiche Jets ausstoßen können.

Die meisten Galaxien beherbergen ein supermassereiches schwarzes Loch in ihrem Zentrum. Schwarze Löcher sind zwar dafür bekannt, dass sie Materie in ihrer unmittelbaren Umgebung verschlingen, aber sie können auch gewaltige Materieströme ausstoßen, die über die Galaxien hinausreichen, in denen sie sich befinden. Wie Schwarze Löcher solche gewaltigen Jets erzeugen, stellt seit langem eine Herausforderung für die Astronomie dar. „Wir wissen, dass Jets aus den Regionen um schwarze Löcher herausgeschleudert werden“, sagt Ru-Sen Lu vom Shanghai Astronomical Observatory in China, „aber wir verstehen immer noch nicht ganz, wie das eigentlich geschieht. Für eine direkte Untersuchung müssen wir den Ursprung des Jets so nah wie möglich am schwarzen Loch beobachten.“

Das neue Bild, das heute veröffentlicht wurde, zeigt exakt dies zum ersten Mal: nämlich wie sich die Basis eines Jets mit der Materie verbindet, die um ein supermassereiches schwarzes Loch herumwirbelt. Das Ziel ist die Galaxie M87, die sich 55 Millionen Lichtjahre entfernt in unserer kosmischen Nachbarschaft befindet und ein schwarzes Loch beherbergt, das 6,5 Milliarden Mal massereicher ist als unsere Sonne. Bei früheren Beobachtungen war es gelungen, die Region in der Nähe des schwarzen Lochs und den Jet separat abzubilden, aber dies ist das erste Mal, dass beide Merkmale gemeinsam zu sehen waren. „Diese neue Aufnahme vervollständigt das Bild, indem sie die Region um das schwarze Loch und den Jet gleichzeitig zeigt“, fügt Jae-Young Kim vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR) in Deutschland hinzu.

Das Bild wurde mit dem GMVA, ALMA und dem GLT aufgenommen, die ein Netzwerk von Radioteleskopen rund um den Globus bilden, das wie ein virtuelles Teleskop von der Größe der Erde zusammenarbeitet. Ein solch großes Netzwerk kann sehr kleine Details in der Region um das schwarze Loch von M87 erkennen.

Das neue Bild zeigt den Jet, der in der Nähe des schwarzen Lochs entsteht, sowie den sogenannten Schatten des schwarzen Lochs. Wenn die Materie das schwarze Loch umkreist, erwärmt sie sich und strahlt Licht ab. Das schwarze Loch beugt und fängt einen Teil dieses Lichts ein, sodass von der Erde aus gesehen eine ringförmige Struktur um das schwarze Loch entsteht. Die Dunkelheit in der Mitte des Rings ist der Schatten des schwarzen Lochs, der erstmals 2017 vom Event Horizon Telescope (EHT) abgebildet wurde. Sowohl dieses neue Bild als auch das des EHT kombinieren Daten, die mit mehreren Radioteleskopen weltweit aufgenommen wurden. Das heute veröffentlichte Bild zeigt jedoch Radiostrahlung mit einer größeren Wellenlänge als das des EHT: 3,5 mm anstelle von 1,3 mm. „Bei dieser Wellenlänge können wir sehen, wie der Jet aus dem Emissionsring um das zentrale supermassereiche schwarze Loch austritt“, sagt Thomas Krichbaum vom MPIfR.

Die Größe des vom GMVA-Netzwerk beobachteten Rings ist im Vergleich zum Bild des Event Horizon Telescope etwa 50 % größer. „Um den physikalischen Ursprung des größeren und dickeren Rings zu verstehen, mussten wir Computersimulationen verwenden, in denen wir verschiedene Szenarien getestet haben“, erklärt Keiichi Asada von der Academia Sinica in Taiwan. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass das neue Bild mehr von dem Material zeigt, das auf das schwarze Loch zufällt, als das, was mit dem EHT beobachtet werden konnte.

Diese neuen Beobachtungen des schwarzen Lochs von M87 wurden 2018 mit dem GMVA durchgeführt, das aus 14 Radio-Teleskopen in Europa und Nordamerika besteht [1]. Darüber hinaus wurden zwei weitere Einrichtungen mit dem GMVA verbunden: das Greenland Telescope und ALMA, an dem die ESO beteiligt ist. ALMA besteht aus 66 Antennen in der chilenischen Atacama-Wüste und spielte eine Schlüsselrolle bei diesen Beobachtungen. Die von all diesen Teleskopen weltweit gesammelten Daten werden mit einer Technik namens Interferometrie kombiniert, bei der die von jeder einzelnen Einrichtung aufgenommenen Signale synchronisiert werden. Um die tatsächliche Form eines astronomischen Objekts richtig zu erfassen, ist es jedoch wichtig, dass die Teleskope über die ganze Erde verteilt sind. Die GMVA-Teleskope sind zumeist von Osten nach Westen ausgerichtet, sodass sich die Hinzunahme von ALMA auf der südlichen Hemisphäre als unerlässlich erwies, um dieses Bild des Jets und des Schattens des schwarzen Lochs von M87 aufzunehmen. „Dank des Standorts und der Empfindlichkeit von ALMA konnten wir den Schatten des schwarzen Lochs sichtbar machen und gleichzeitig tiefer in die Emission des Jets blicken“, erklärt Lu.

Zukünftige Beobachtungen mit diesem Netzwerk von Teleskopen werden weiter ergründen, wie supermassereiche schwarze Löcher starke Jets ausstoßen können. „Wir planen, die Region um das schwarze Loch im Zentrum von M87 bei verschiedenen Radiowellenlängen zu beobachten, um die Emission des Jets weiter zu untersuchen“, sagt Eduardo Ros vom MPIfR. Solche gleichzeitigen Beobachtungen würden es dem Team ermöglichen, die komplizierten Prozesse, die in der Nähe des supermassereichen schwarzen Lochs ablaufen, auseinander zu halten. „Die kommenden Jahre werden spannend sein, denn wir werden mehr darüber erfahren, was in der Nähe einer der geheimnisvollsten Regionen des Universums passiert“, resümiert Ros.

Endnoten

[1] Das koreanische VLBI-Netzwerk ist jetzt auch Teil der GMVA, hat sich aber nicht an den hier berichteten Beobachtungen beteiligt.

Weitere Informationen

Diese Forschungsergebnisse wurden in der Publikation "A ring-like accretion structure in M87 connecting its black Loch and jet" vorgestellt, die in Nature erscheint (doi: 10.1038/s41586-023-05843-w).

Das Team besteht aus Ru-Sen Lu (Shanghai Astronomical Observatory, Volksrepublik China [Shanghai]; Key Laboratory of Radio Astronomy, People's Republic of China [KLoRA]; Max-Planck-Institut für Radioastronomie, Deutschland [MPIfR]), Keiichi Asada (Institute of Astronomy and Astrophysics, Academia Sinica, Taiwan, ROC [IoAaA]), Thomas P. Krichbaum (MPIfR), Jongho Park (IoAaA; Korea Astronomy and Space Science Institute, Republic of Korea [KAaSSI]), Fumie Tazaki (Simulation Technology Development Department, Tokyo Electron Technology Solutions Ltd, Japan; Mizusawa VLBI Observatory, National Astronomical Observatory of Japan, Japan [Mizusawa]), Hung-Yi Pu (Department of Physics, National Taiwan Normal University, Taiwan, ROC; IoAaA; Center of Astronomy and Gravitation, National Taiwan Normal University, Taiwan, ROC), Masanori Nakamura (National Institute of Technology, Hachinohe College, Japan; IoAaA), Andrei Lobanov (MPIfR), Kazuhiro Hada (Mizusawa; Department of Astronomical Science, The Graduate University for Advanced Studies, Japan), Kazunori Akiyama (Black Hole Initiative at Harvard University, USA; Massachusetts Institute of Technology Haystack Observatory, USA [Haystack]; National Astronomical Observatory of Japan, Japan [NAOoJ]), Jae-Young Kim (Department of Astronomy and Atmospheric Sciences, Kyungpook National University, Republic of Korea; KAaSSI; MPIfR), Ivan Marti-Vidal (Departament d'Astronomia i Astrofísica, Universitat de València, Spanien; Observatori Astronòmic, Universitat de València, Spanien), Jose L. Gomez (Instituto de Astrofísica de Andalucía-CSIC, Spanien [IAA]), Tomohisa Kawashima (Institute for Cosmic Ray Research, The University of Tokyo, Japan), Feng Yuan (Shanghai; Key Laboratory for Research in Galaxies and Cosmology, Chinese Academy of Sciences, People's Republic of China; School of Astronomy and Space Sciences, University of Chinese Academy of Sciences, People's Republic of China [SoAaSS]), Eduardo Ros (MPIfR), Walter Alef (MPIfR), Silke Britzen (MPIfR), Michael Bremer (Institut de Radioastronomie Millimétrique, Frankreich [IRAMF]), Avery E. Broderick (Fachbereich Physik und Astronomie, Universität Waterloo, Kanada [Waterloo]; Waterloo Centre for Astrophysics, Universität Waterloo, Kanada; Perimeter Institute for Theoretical Physics, Kanada), Akihiro Doi (The Institute of Space and Astronautical Science, Japan Aerospace Exploration Agency, Japan; Department of Space and Astronautical Science, SOKENDAI, Japan [SOKENDAI]), Gabriele Giovannini (Dipartimento di Fisica e Astronomia, Università di Bologna, Italien; Istituto di Radio Astronomia, INAF, Bologna, Italien [INAF]), Marcello Giroletti (INAF), Paul T. P. Ho (IoAaA), Mareki Honma (Mizusawa; Hachinohe; Department of Astronomy, The University of Tokyo, Japan), David H. Hughes (Instituto Nacional de Astrofísica, Mexiko), Makoto Inoue (IoAaA), Wu Jiang (Shanghai), Motoki Kino (NAOoJ; Kogakuin University of Technology and Engineering, Japan), Shoko Koyama (Niigata University, Japan; IoAaA), Michael Lindqvist (Department of Space, Earth and Environment, Chalmers University of Technology, Schweden [Chalmers]), Jun Liu (MPIfR), Alan P. Marscher (Institute for Astrophysical Research, Boston University, USA), Satoki Matsushita (IoAaA), Hiroshi Nagai (NAOoJ; SOKENDAI), Helge Rottmann (MPIfR), Tuomas Savolainen (Department of Electronics and Nanoengineering, Aalto University, Finnland; Metsähovi Radio Observatory, Finnland [Metsähovi]; MPIfR), Karl-Friedrich Schuster (IRAMF), Zhi-Qiang Shen (Shanghai; KLoRA), Pablo de Vicente (Observatorio de Yebes, Spanien [Yebes]), R. Craig Walker (National Radio Astronomy Observatory, Socorro, USA), Hai Yang (Shanghai; SoAaSS), J. Anton Zensus (MPIfR), Juan Carlos Algaba (Fachbereich Physik, Universiti Malaya, Malaysia), Alexander Allardi (University of Vermont, USA), Uwe Bach (MPIfR), Ryan Berthold (East Asian Observatory, USA [EAO]), Dan Bintley (EAO), Do-Young Byun (KAaSSI; University of Science and Technology, Daejeon, Republik Korea), Carolina Casadio (Institut für Astrophysik, Heraklion, Griechenland; Department of Physics, University of Crete, Greece), Shu-Hao Chang (IoAaA), Chih-Cheng Chang (National Chung-Shan Institute of Science and Technology, Taiwan, ROC [Chung-Shan]), Song-Chu Chang (Chung-Shan), Chung-Chen Chen (IoAaA), Ming-Tang Chen (Institute of Astronomy and Astrophysics, Academia Sinica, USA [IAAAS]), Ryan Chilson (IAAAS), Tim C. Chuter (EAO), John Conway (Chalmers), Geoffrey B. Crew (Haystack), Jessica T. Dempsey (EAO; Astron, Die Niederlande [Astron]), Sven Dornbusch (MPIfR), Aaron Faber (Western University, Kanada), Per Friberg (EAO), Javier González García (Yebes), Miguel Gómez Garrido (Yebes), Chih-Chiang Han (IoAaA), Kuo-Chang Han (System Development Center, National Chung-Shan Institute of Science and Technology, Taiwan, ROC), Yutaka Hasegawa (Osaka Metropolitan University, Japan [Osaka]), Ruben Herrero-Illana (European Southern Observatory, Chile), Yau-De Huang (IoAaA), Chih-Wei L. Huang (IoAaA), Violette Impellizzeri (Observatorium Leiden, Niederlande; National Radio Astronomy Observatory, Charlottesville, USA [NRAOC]), Homin Jiang (IoAaA), Hao Jinchi (Electronic Systems Research Division, National Chung-Shan Institute of Science and Technology, Taiwan, ROC), Taehyun Jung (KAaSSI), Juha Kallunki (Metsähovi), Petri Kirves (Metsähovi), Kimihiro Kimura (Japan Aerospace Exploration Agency, Japan), Jun Yi Koay (IoAaA), Patrick M. Koch (IoAaA), Carsten Kramer (IRAMF), Alex Kraus (MPIfR), Derek Kubo (IAAAS), Cheng-Yu Kuo (National Sun Yat-Sen University, Taiwan, ROC), Chao-Te Li (IoAaA), Lupin Chun-Che Lin (Department of Physics, National Cheng Kung University, Taiwan, ROC ), Ching-Tang Liu (IoAaA), Kuan-Yu Liu (IoAaA), Wen-Ping Lo (Fakultät für Physik, National Taiwan University, Taiwan, ROC; IoAaA), Li-Ming Lu (Chung-Shan), Nicholas MacDonald (MPIfR), Pierre Martin-Cocher (IoAaA), Hugo Messias (Joint ALMA Observatory, Chile; Osaka), Zheng Meyer-Zhao (Astron; IoAaA), Anthony Minter (Green Bank Observatory, USA), Dhanya G. Nair (Fachbereich Astronomie, Universidad de Concepción, Chile), Hiroaki Nishioka (IoAaA), Timothy J. Norton (Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian, USA [CfA]), George Nystrom (IAAAS), Hideo Ogawa (Osaka), Peter Oshiro (IAAAS), Nimesh A. Patel (CfA), Ue-Li Pen (IoAaA), Yurii Pidopryhora (MPIfR; Argelander-Institut für Astronomie, Universität Bonn, Deutschland), Nicolas Pradel (IoAaA), Philippe A. Raffin (IAAAS), Ramprasad Rao (CfA), Ignacio Ruiz (Institut de Radioastronomie Millimétrique, Granada, Spanien [IRAMS]), Salvador Sanchez (IRAMS), Paul Shaw (IoAaA), William Snow (IAAAS), T. K. Sridharan (NRAOC; CfA), Ranjani Srinivasan (CfA; IoAaA), Belén Tercero (Yebes), Pablo Torne (IRAMS), Thalia Traianou (IAA; MPIfR), Jan Wagner (MPIfR), Craig Walther (EAO), Ta-Shun Wei (IoAaA), Jun Yang (Chalmers), Chen-Yu Yu (IoAaA).

Für diese Forschung wurden Daten verwendet, die mit dem Global Millimeter VLBI Array (GMVA) gewonnen wurden, das aus Teleskopen besteht, die vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR), dem Institut de Radioastronomie Millimétrique (IRAM), dem Onsala Space Observatory (OSO), dem Metsähovi Radio Observatory (MRO), Yebes, dem Korean VLBI Network (KVN), dem Green Bank Telescope (GBT) und dem Very Long Baseline Array (VLBA) betrieben werden.

Das Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) ist eine internationale astronomische Einrichtung, die gemeinsam von der ESO, der US-amerikanischen National Science Foundation (NSF) der USA und den japanischen National Institutes of Natural Sciences (NINS) in Kooperation mit der Republik Chile betrieben wird. Getragen wird ALMA von der ESO im Namen ihrer Mitgliedsländer, von der NSF in Zusammenarbeit mit dem kanadischen National Research Council (NRC), dem Ministry of Science and Technology (MOST) und NINS in Kooperation mit der Academia Sinica (AS) in Taiwan sowie dem Korea Astronomy and Space Science Institute (KASI). Bei Entwicklung, Aufbau und Betrieb ist die ESO federführend für den europäischen Beitrag, das National Radio Astronomy Observatory (NRAO), das seinerseits von Associated Universities, Inc. (AUI) betrieben wird, für den nordamerikanischen Beitrag und das National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ) für den ostasiatischen Beitrag. Dem Joint ALMA Observatory (JAO) obliegt die übergreifende Projektleitung für den Aufbau, die Inbetriebnahme und den Beobachtungsbetrieb von ALMA.

Die Nachrüstung, der Umbau und der Betrieb des Grönland-Teleskops (GLT) werden von der Academia Sinica, Institute of Astronomy and Astrophysics (ASIAA) und dem Smithsonian Astrophysical Observatory (SAO) geleitet.

Die Europäische Südsternwarte (ESO) befähigt Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler weltweit, die Geheimnisse des Universums zum Nutzen aller zu entdecken. Wir entwerfen, bauen und betreiben Observatorien von Weltrang, die Astronominnen und Astronomen nutzen, um spannende Fragen zu beantworten und die Faszination der Astronomie zu wecken, und wir fördern die internationale Zusammenarbeit in der Astronomie. Die ESO wurde 1962 als zwischenstaatliche Organisation gegründet und wird heute von 16 Mitgliedstaaten (Belgien, Dänemark, Deutschland, Frankreich, Finnland, Irland, Italien, den Niederlanden, Österreich, Polen, Portugal, Schweden, der Schweiz, Spanien, der Tschechischen Republik und dem Vereinigten Königreich) sowie dem Gastland Chile und Australien als strategischem Partner unterstützt. Der Hauptsitz der ESO und ihr Besucherzentrum und Planetarium, die ESO Supernova, befinden sich in der Nähe von München in Deutschland, während die chilenische Atacama-Wüste, ein wunderbarer Ort mit einzigartigen Bedingungen für die Himmelsbeobachtung, unsere Teleskope beherbergt. Die ESO betreibt drei Beobachtungsstandorte: La Silla, Paranal und Chajnantor. Am Standort Paranal betreibt die ESO das Very Large Telescope und das dazugehörige Very Large Telescope Interferometer sowie Durchmusterungsteleskope wie z. B. VISTA. Ebenfalls am Paranal wird die ESO das Cherenkov Telescope Array South betreiben, das größte und empfindlichste Gammastrahlen-Observatorium der Welt. Zusammen mit internationalen Partnern betreibt die ESO auf Chajnantor APEX und ALMA, zwei Einrichtungen zur Beobachtung des Himmels im Millimeter- und Submillimeterbereich. Auf dem Cerro Armazones in der Nähe von Paranal bauen wir „das größte Auge der Welt am Himmel“ – das Extremely Large Telescope der ESO. Von unseren Büros in Santiago, Chile, aus unterstützen wir unsere Aktivitäten im Land und arbeiten mit chilenischen Partnern und der Gesellschaft zusammen.

Die Übersetzungen von englischsprachigen ESO-Pressemitteilungen sind ein Service des ESO Science Outreach Network (ESON), eines internationalen Netzwerks für astronomische Öffentlichkeitsarbeit, in dem Wissenschaftler und Wissenschaftskommunikatoren aus allen ESO-Mitgliedsländern (und einigen weiteren Staaten) vertreten sind. Deutscher Knoten des Netzwerks ist das Haus der Astronomie in Heidelberg.

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Original publication:

Ru-Sen Lu et al., "A ring-like accretion structure in M87 connecting its black Loch and jet", Nature (2023). doi: 10.1038/s41586-023-05843-w
https://www.eso.org/public/archives/releases/sciencepapers/eso2305/eso2305a.pdf

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More information:

https://www.eso.org/public/news/eso2305/ - Orignalpressemitteilung der ESO mit weiteren Bildern und Videos

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Künstlerische Darstellung des schwarzen Lochs in der Galaxie M87 und seines mächtigen Jets

S. Dagnello (NRAO/AUI/NSF)

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Physics / astronomy
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