Pressemitteilung

Astronomen machen Magnetfelder am Rand des Schwarzen Lochs von M87 sichtbar

24. März 2021

Die Event Horizon Telescope (EHT)-Kollaboration, die das erste Bild eines schwarzen Lochs erstellt hat, zeigt heute einen neuen Blick auf das gewaltige Objekt im Zentrum der Galaxie Messier 87 (M87): sein Aussehen in polarisiertem Licht. Es ist das erste Mal, dass Astronomen die Polarisation, eine Signatur von Magnetfeldern, so nah am Rande eines schwarzen Lochs messen konnten. Die Beobachtungen sind der Schlüssel zur Erklärung, wie die 55 Millionen Lichtjahre entfernte Galaxie M87 in der Lage ist, energetische Jets von ihrem Kern auszustoßen.

„Wir sehen jetzt das nächste entscheidende Puzzleteil für das Verständnis, wie sich Magnetfelder um schwarze Löcher herum verhalten und wie die Aktivität in diesen sehr kompakten Regionen des Weltraums starke Jets antreiben kann, die sich weit über die Galaxie hinaus erstrecken“, sagt Monika Mościbrodzka, Koordinatorin der EHT Polarimetrie-Arbeitsgruppe und Assistenzprofessorin an der Radboud Universität in den Niederlanden.

Am 10. April 2019 veröffentlichten die Wissenschaftler das allererste Bild eines schwarzen Lochs, das eine helle ringförmige Struktur mit einer dunklen zentralen Region – dem Schatten des schwarzen Lochs – zeigt. Seitdem hat sich die EHT-Kollaboration eingehender mit den 2017 gesammelten Daten vom supermassereichen Objekt im Herzen der Galaxie M87 beschäftigt. Sie haben entdeckt, dass ein signifikanter Anteil des Lichts um das schwarze Loch von M87 polarisiert ist.

„Diese Arbeit ist ein wichtiger Meilenstein: Die Polarisation des Lichts birgt Informationen, die es uns erlauben, die Physik hinter dem Bild, das wir im April 2019 gesehen haben, besser zu verstehen. Das war vorher nicht möglich“, erklärt Iván Martí-Vidal, ebenfalls Koordinator der EHT-Polarimetrie-Arbeitsgruppe und GenT Distinguished Researcher an der Universität von Valencia, Spanien. Er fügt hinzu, dass „die Erstellung dieses neuen Polarisationsbildes jahrelange Arbeit erforderte, da die Gewinnung und Analyse der Daten mit komplexen Techniken verbunden war.“

Licht wird polarisiert, wenn es bestimmte Filter durchläuft, wie die Gläser von polarisierten Sonnenbrillen, oder wenn es in heißen Regionen des Weltraums emittiert wird, in denen Magnetfelder vorhanden sind. Genauso wie polarisierte Sonnenbrillen uns helfen, besser zu sehen, indem sie Reflexionen und Blendungen von hellen Oberflächen reduzieren, können Astronomen ihren Blick auf die Region um das schwarze Loch schärfen, indem sie sich ansehen, wie das von ihm ausgehende Licht polarisiert ist. Insbesondere erlaubt die Polarisation den Astronomen, die Magnetfeldlinien zu kartieren, die am inneren Rand des schwarzen Lochs vorhanden sind.

„Die neu veröffentlichten polarisierten Bilder sind der Schlüssel zum Verständnis, wie das Magnetfeld es dem schwarzen Loch ermöglicht, Materie zu verschlingen“, sagt EHT-Kollaborationsmitglied Andrew Chael, ein NASA Hubble Fellow am Princeton Center for Theoretical Science und der Princeton Gravity Initiative in den USA.

Die hellen Energie- und Materiejets, die aus dem Kern von M87 entspringen und sich mindestens über 5000 Lichtjahre von seinem Zentrum ausbreiten, sind eines der geheimnisvollsten und energiereichsten Merkmale der Galaxie. Die meiste Materie, die sich in der Nähe des Randes eines schwarzen Lochs befindet, fällt hinein. Einige der umgebenden Teilchen entkommen jedoch kurz vor dem Einfangen und werden in Form von Jets weit ins All hinausgeschleudert.

Um diesen Prozess besser zu verstehen, haben sich Astronomen auf verschiedene Modelle gestützt, wie sich Materie in der Nähe des schwarzen Lochs verhält. Aber sie wissen immer noch nicht genau, wie die Jets, die größer als die Galaxie sind, aus seiner zentralen Region ausgestoßen werden, die von ihrer Ausdehnung her mit dem Sonnensystem vergleichbar ist, noch wie genau die Materie in das schwarze Loch fällt. Mit der neuen EHT-Aufnahme des schwarzen Lochs und seines Schattens in polarisiertem Licht ist es den Astronomen erstmals gelungen, in die Region dicht außerhalb des schwarzen Lochs zu blicken, in der dieses Wechselspiel zwischen einströmender und herausgeschleuderter Materie stattfindet.

Die Beobachtungen liefern neue Informationen über die Struktur der Magnetfelder direkt außerhalb des schwarzen Lochs. Das Team fand heraus, dass nur theoretische Modelle mit stark magnetisiertem Gas erklären können, was sie am Ereignishorizont sehen.

„Die Beobachtungen legen nahe, dass die Magnetfelder am Rand des schwarzen Lochs stark genug sind, um das heiße Gas zurückzudrängen und es dabei zu unterstützen, der Schwerkraft zu widerstehen. Nur das Gas, das durch das Feld schlüpft, kann sich spiralförmig nach innen zum Ereignishorizont bewegen“, erklärt Jason Dexter, Assistenzprofessor an der University of Colorado Boulder, USA, und Koordinator der EHT-Theorie-Arbeitsgruppe.

Um das Herz der Galaxie M87 zu beobachten, verbanden die Forschenden acht Teleskope auf der ganzen Welt, um ein virtuelles erdumspannendes Teleskop, das EHT, zu schaffen. Dazu gehören das im Norden Chiles gelegene Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) und das Atacama Pathfinder EXperiment (APEX), an dem die Europäische Südsternwarte (ESO) beteiligt ist. Die beeindruckende Auflösung, die mit dem EHT erreicht wird, entspricht der, die benötigt wird, um die Länge einer Kreditkarte auf der Oberfläche des Mondes zu messen.

„Durch den Einsatz von ALMA und APEX, die durch ihre südliche Lage die Bildqualität verbessern, indem sie dem EHT-Netzwerk eine zusätzliche geografische Erweiterung geben, haben europäische Wissenschaftler eine zentrale Rolle in der Forschung gespielt“, sagt Ciska Kemper, European ALMA Programme Scientist bei der ESO. „Mit seinen 66 Antennen dominiert ALMA die gesamte Signalsammlung im polarisierten Licht, während APEX für die Kalibrierung des Bildes entscheidend war.“

„ALMA-Daten trugen ebenfalls entscheidend dazu bei, die EHT-Beobachtungen zu kalibrieren, abzubilden und zu interpretieren. Sie liefern enge Einschränkungen für die theoretischen Modelle, die erklären, wie sich die Materie in der Nähe des Ereignishorizonts des schwarzen Lochs verhält“, fügt Ciriaco Goddi, Wissenschaftler an der Radboud University und dem Leiden Observatory in den Niederlanden, hinzu, der eine begleitende Studie leitete, die sich ausschließlich auf ALMA-Beobachtungen stützte.

Mit der Anordnung des EHT konnte das Team den Schatten des schwarzen Lochs und den ihn umgebenden Lichtring direkt beobachten, wobei das neue Bild mit polarisiertem Licht deutlich zeigt, dass der Ring magnetisiert ist. Die Ergebnisse werden heute in zwei separaten Artikeln in The Astrophysical Journal Letters von der EHT-Kollaboration veröffentlicht. An der Forschung waren mehr als 300 Forscher aus verschiedenen Organisationen und Universitäten weltweit beteiligt.

„Das EHT macht rasante Fortschritte, das Netzwerk wird technologisch aufgerüstet und neue Observatorien werden hinzugefügt. Wir erwarten, dass zukünftige EHT-Beobachtungen die Magnetfeldstruktur um das schwarze Loch genauer abbilden und uns mehr über die Physik des heißen Gases in dieser Region verraten werden“, schließt EHT-Kollaborationsmitglied Jongho Park, ein East Asian Core Observatories Association Fellow am Academia Sinica Institute of Astronomy and Astrophysics in Taipeh.

Weitere Informationen

Diese Forschungsergebnisse wurden in zwei Artikeln der EHT-Kollaboration beschrieben, die heute in The Astrophysical Journal Letters veröffentlicht wurden: „First M87 Event Horizon Telescope Results VII: Polarization of the Ring“ (doi: 10.3847/2041-8213/abe71d) und „First M87 Event Horizon Telescope Results VIII: Magnetic Field Structure Near The Event Horizon“ (doi: 10.3847/2041-8213/abe4de). Begleitende Forschung wird in der Arbeit „Polarimetric properties of Event Horizon Telescope targets from ALMA“ (doi: 10.3847/2041-8213/abee6a) von Goddi, Martí-Vidal, Messias und der EHT-Kollaboration vorgestellt, die zur Veröffentlichung in The Astrophysical Journal Letters angenommen wurde.

An der EHT-Kollaboration sind mehr als 300 Forscher aus Afrika, Asien, Europa, Nord- und Südamerika beteiligt. Die internationale Partnerschaft arbeitet daran, die detailliertesten Bilder von schwarzen Löchern zu erhalten, die je gemacht wurden, indem sie ein virtuelles Teleskop von der Größe der Erde entwickelt. Unterstützt durch beträchtliche internationale Investitionen, verbindet das EHT bestehende Teleskope mit neuartigen Systemen und schafft so ein grundlegend neues Instrument mit dem höchsten Winkelauflösungsvermögen, das bislang erreicht wurde.

Die beteiligten Einzelteleskope sind: ALMA, APEX, das 30-Meter-Teleskop des Institut de Radioastronomie Millimetrique (IRAM), das IRAM NOEMA Observatorium, das James Clerk Maxwell Teleskop (JCMT), das Large Millimeter Telescope (LMT), das Submillimeter Array (SMA), das Submillimeter Teleskop (SMT), das South Pole Telescope (SPT), das Kitt Peak Teleskop und das Greenland Telescope (GLT).

Das EHT-Konsortium besteht aus 13 beteiligten Instituten: Das Academia Sinica Institute of Astronomy and Astrophysics, die University of Arizona, die University of Chicago, das East Asian Observatory, die Goethe-Universität Frankfurt, das Institut de Radioastronomie Millimétrique, das Large Millimeter Telescope, das Max-Planck-Institut für Radioastronomie, das MIT Haystack Observatory, das National Astronomical Observatory of Japan, das Perimeter Institute for Theoretical Physics, die Radboud University und das Smithsonian Astrophysical Observatory.

Die ESO ist die wichtigste zwischenstaatliche Organisation für Astronomie in Europa und das bei weitem produktivste bodengebundene astronomische Observatorium der Welt. Sie hat 16 Mitgliedsstaaten: Belgien, Dänemark, Deutschland, Frankreich, Finnland, Irland, Italien, die Niederlande, Österreich, Polen, Portugal, Schweden, die Schweiz, Spanien, die Tschechische Republik und das Vereinigte Königreich, sowie den Gaststaat Chile und Australien als strategischen Partner. Die ESO führt ein ehrgeiziges Programm durch, das sich auf die Planung, den Bau und den Betrieb leistungsfähiger bodengebundener Beobachtungseinrichtungen konzentriert, die es Astronomen ermöglichen, wichtige wissenschaftliche Entdeckungen zu machen. Die ESO spielt auch eine führende Rolle bei der Förderung und Organisation der Zusammenarbeit in der astronomischen Forschung. Die ESO betreibt drei einzigartige Beobachtungsstandorte von Weltrang in Chile: La Silla, Paranal und Chajnantor. In Paranal betreibt die ESO das Very Large Telescope und sein weltweit führendes Very Large Telescope Interferometer sowie zwei Durchmusterungsteleskope, VISTA, das im Infraroten arbeitet, und das VLT Survey Telescope im sichtbaren Licht. Ebenfalls am Paranal wird die ESO das Cherenkov Telescope Array South, das größte und empfindlichste Gammastrahlen-Observatorium der Welt, betreiben. Die ESO ist zudem ein wichtiger Partner bei zwei Anlagen auf Chajnantor, APEX und ALMA, dem größten astronomischen Projekt überhaupt. Auf dem Cerro Armazones, in der Nähe des Paranal, baut die ESO das 39-Meter-Extremely Large Telescope, das ELT, das „das größte Auge der Welt am Himmel“ wird.

Das Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), eine internationale astronomische Einrichtung, ist eine Partnerschaft der ESO, der U.S. National Science Foundation (NSF) und der National Institutes of Natural Sciences (NINS) of Japan in Zusammenarbeit mit der Republik Chile. ALMA wird von der ESO im Namen ihrer Mitgliedsstaaten, von der NSF in Zusammenarbeit mit dem National Research Council of Canada (NRC) und dem Ministry of Science and Technology (MOST) und vom NINS in Zusammenarbeit mit der Academia Sinica (AS) in Taiwan und dem Korea Astronomy and Space Science Institute (KASI) finanziert. Bau und Betrieb von ALMA werden von der ESO im Auftrag ihrer Mitgliedsstaaten geleitet; vom National Radio Astronomy Observatory (NRAO), das von Associated Universities, Inc. (AUI) für Nordamerika und das National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ) für Ostasien. Das Joint ALMA Observatory (JAO) übernimmt die einheitliche Leitung und das Management von Bau, Inbetriebnahme und Betrieb von ALMA.

Die BlackHoleCam-Forschungsgruppe wurde 2013 mit dem Synergy Grant des Europäischen Forschungsrats in Höhe von 14 Millionen Euro ausgezeichnet. Die Principal Investigators sind Heino Falcke, Luciano Rezzolla und Michael Kramer und die Partnerinstitute sind JIVE, IRAM, MPE Garching, IRA/INAF Bologna, SKA und ESO. BlackHoleCam ist Teil der Event Horizon Telescope Kollaboration.

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.

Links

• Wissenschaftliche Artikel
  
  • Artikel VII
  • Artikel VIII
  • Goddi et al.
• EHT-Webseite
• Fotos von ALMA
• Fotos von APEX 
• EHT-Webseite der ESO
• ESO-Blogpost zum EHT-Projekt
• Für Wissenschaftler: Haben Sie eine Geschichte zu erzählen? Stellen Sie Ihre Forschungsarbeit vor.

Kontaktinformationen

Monika Mościbrodzka
Radboud Universiteit
Nijmegen, The Netherlands
Tel: +31-24-36-52485
E-Mail: m.moscibrodzka@astro.ru.nl

Ivan Martí Vidal
Universitat de València
Burjassot, València, Spain
Tel: +34 963 543 078
E-Mail: i.marti-vidal@uv.es

Ciska Kemper
European Southern Observatory
Garching bei München, Germany
Tel: +49(0)89-3200-6447
E-Mail: Francisca.Kemper@eso.org

Andrew Chael
Princeton University Center for Theoretical Science
Princeton, New Jersey, USA
E-Mail: achael@princeton.edu

Jason Dexter
University of Colorado Boulder
Boulder, Colorado, USA
Tel: +1 303-492-7836
E-Mail: jason.dexter@colorado.edu

Jongho Park
Academia Sinica, Institute of Astronomy and Astrophysics
Taipei
Tel: +886-2-2366-5462
E-Mail: jpark@asiaa.sinica.edu.tw

Ciriaco Goddi
Radboud University and Leiden Observatory
Nijmegen and Leiden, The Netherlands
E-Mail: c.goddi@astro.ru.nl

Sara Issaoun
EHT collaboration member at Radboud Universiteit
Nijmegen, The Netherlands
Tel: +31 (0)6 84526627
E-Mail: s.issaoun@astro.ru.nl

Huib Jan van Langevelde
EHT Project Director, Joint Institute for VLBI ERIC
Dwingeloo, The Netherlands
Tel: +31-521-596515
Mobil: +31-62120 1419
E-Mail: langevelde@jive.eu

Geoffrey C. Bower
EHT Project Scientist, Academia Sinica Institute of Astronomy and Astrophysics
Hilo, HI, USA
Mobil: +1 (510) 847-1722
E-Mail: gbower@asiaa.sinica.edu.tw

Bárbara Ferreira
ESO Media Manager
Garching bei München, Germany
Tel: +49 89 3200 6670
Mobil: +49 151 241 664 00
E-Mail: press@eso.org

Joerg Gasser (Pressekontakt Schweiz)
ESO Science Outreach Network
E-Mail: eson-switzerland@eso.org

Connect with ESO on social media