(Main) das erste Bild eines Schwarzen Lochs, des supermassiven Schwarzen Lochs im Herzen der Galaxie M87 (inset) Lichtkurve des Gammastrahlen-Flare (unten) und Sammlung von quasi-simultanen Bildern des Jets von M87 (oben) in verschiedenen Maßstäben, die während der Kampagne 2018 im Radio- und Röntgenbereich aufgenommen wurden.(Bildnachweis: EHT Collaboration, Fermi-LAT Collaboration, HESS Collaboration, MAGIC Collaboration, VERITAS Collaboration, EAVN Collaboration)
2018 wurde bekannt, dass ein bahnbrechendes Teleskop von der Größe der Erde zum ersten Mal ein Bild eines Schwarzen Lochs aufgenommen hat. Dasselbe Instrument, das Event Horizon Telescope (EHT), hat nun den Ausbruch desselben schwarzen Lochs mit einer starken und unerwarteten Explosion beobachtet. Die Wissenschaftler hoffen, dass sie durch die Untersuchung dieser Emission die Struktur, die supermassive schwarze Löcher umgibt, besser modellieren können.
Der Ausbruch, der im April und Mai 2018 etwa drei Tage lang andauerte, ging von dem supermassereichen Schwarzen Loch mit der Bezeichnung M87* aus, das im Herzen der etwa 55 Millionen Lichtjahre entfernten Galaxie M87 liegt. Die 25 bodengestützten und kreisenden Teleskope, aus denen das EHT besteht, sahen den Ausbruch als hochenergetisches Licht, die sogenannte Gammastrahlung.
Dies war nicht nur das erste Aufflackern von M87* seit 2010, sondern die Eruption war auch energiereicher als typische Fackeln dieses Schwarzen Lochs.
Es wird angenommen, dass supermassive schwarze Löcher im Zentrum aller großen Galaxien existieren, einschließlich unserer eigenen, der Milchstraße.
M87* hebt sich vom zentralen supermassiven schwarzen Loch der Milchstraße, Sagittarius A* (Sgr A*), ab. Unser heimisches supermassives Schwarzes Loch hat eine Masse, die der von etwa 4,3 Millionen Sonnen entspricht, während M87* eine Masse von etwa 5,4 Milliarden Sonnen hat!
M87* unterscheidet sich aber auch von Sgr A*, da dieses weiter entfernte Schwarze Loch unersättlich frisst. Zusammen mit den Submillimeter-Beobachtungen des EHT bieten die neuen Daten, die in mehreren Strahlungsbereichen gesammelt wurden, eine einzigartige Gelegenheit, die Eigenschaften der Gammastrahlen-Emissionsregion zu verstehen, sie mit möglichen Veränderungen im M87-Jet in Verbindung zu bringen und empfindlichere Tests der allgemeinen Relativitätstheorie zu ermöglichen“, sagte der Projektleiter und Forscher der Universität Triest, Giacomo Principe, in einer Erklärung. „Diese Beobachtungen können Licht auf einige der wichtigsten Fragen der Astrophysik werfen, die noch ungelöst sind.
„Wie entstehen die starken relativistischen Jets, die in einigen Galaxien beobachtet werden? Wo werden die Teilchen, die für die Emission von Gammastrahlen verantwortlich sind, beschleunigt? Welches Phänomen beschleunigt sie auf Energien von Billionen von Elektronenvolt? Was ist der Ursprung der kosmischen Strahlung?“
Schwarze Löcher sind unordentliche Fresser
Was Schwarze Löcher wirklich auszeichnet, ist das Übergewicht an Materie, das sie umgibt. Während einige wie Sgr A* in relativ leeren Vorratskammern existieren (wäre unser Schwarzes Loch ein Mensch, würde es sich alle Millionen Jahre von einem Reiskorn ernähren), haben andere wie M87* einen Überfluss an Materie, von der sie sich ernähren können.
Auch wenn wir uns ein Schwarzes Loch als einen alles verschlingenden, alles verschlingenden kosmischen Titanen vorstellen, dem nichts entgeht, sind supermassive Schwarze Löcher wie M87* in Wirklichkeit ziemlich verschwenderische Esser. Wie mürrische Kleinkinder wird der größte Teil der Nahrung, die für diese schwarzen Löcher bestimmt ist, gewaltsam weggeschleudert.
Die Materie, die supermassive Schwarze Löcher umgibt, existiert in einer abgeflachten Wolke, die als Akkretionsscheibe bezeichnet wird, und in Form von überhitztem Gas, das als „Plasma“ bezeichnet wird, weil es noch einen Drehimpuls hat, also einen Spin. Dieser Drehimpuls bedeutet auch, dass dieses Plasma nicht direkt auf das Schwarze Loch fallen kann; stattdessen wirbelt es um das zentrale supermassive Schwarze Loch und wird ihm allmählich zugeführt.
Allerdings sind supermassereiche Schwarze Löcher auch von starken Magnetfeldern umgeben. Diese kanalisieren Material aus der Akkretionsscheibe zu den Polen des Schwarzen Lochs. Irgendwann werden diese Teilchen auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt und als hochenergetische Jets herausgeschleudert.
Diese Jets werden von Ausbrüchen elektromagnetischer Strahlung begleitet, wie dem Gammastrahlenflare, den das EHT beobachtet hat.
Lichtkurve des Gammastrahlenfackels (unten) und Sammlung von quasi-simultanen Bildern des M87-Jets (oben) in verschiedenen Maßstäben, die während der Kampagne 2018 im Radio- und Röntgenbereich aufgenommen wurden. (Bildnachweis: EHT Collaboration, Fermi-LAT Collaboration, HESS Collaboration, MAGIC Collaboration, VERITAS Collaboration, EAVN Collaboration)
Der vom EHT beobachtete energiereiche Ausbruch von M87* zeigte, dass sich der fast lichtschnelle Jet, der um dieses Schwarze Loch herum ausbricht, über eine überraschende Entfernung erstreckt. Der Jet ist mehrere zehn Millionen Mal breiter als das Schwarze Loch selbst. Der Größenunterschied ist so gewaltig, dass er mit dem Ausbruch eines Blauwals aus einem einzigen Bakterium vergleichbar ist.
Wie Schwarze Löcher diese Jets ausstoßen, ist immer noch ein Rätsel, von dem sich die EHT-Wissenschaftler erhoffen, dass diese Beobachtungen dazu beitragen können, es zu ergründen.
„Insbesondere bieten diese Ergebnisse erstmals die Möglichkeit, den Punkt zu identifizieren, an dem die Teilchen, die den Flare verursachen, beschleunigt werden, was möglicherweise eine langjährige Debatte über den Ursprung der kosmischen Strahlung (sehr hochenergetische Teilchen) aus dem Weltraum, die auf der Erde entdeckt werden, lösen könnte“, so Principe weiter.
Die Observatorien und Teleskope, die an der Multiband-Kampagne 2018 zur Entdeckung des hochenergetischen Gammastrahlenflare des Schwarzen Lochs M87* teilgenommen haben. (Bildnachweis: EHT Collaboration, Fermi-LAT Collaboration, HESS Collaboration, MAGIC Collaboration, VERITAS Collaboration, EAVN Collaboration)
Beim EHT geht es um die Zusammenarbeit zwischen Instrumenten, und diese Ergebnisse sind ein eindrucksvolles Beispiel dafür.
Zusätzlich zu den Teleskopen, die das EHT bereits zu einem erdgroßen Teleskop machen, wandte sich diese Kampagne an weltraumgestützte Instrumente wie Fermi, NuSTAR, Chandra und Swift.
„Fermi-LAT hat einen bemerkenswerten Anstieg des Flusses im gleichen Zeitraum wie die anderen Observatorien aufgedeckt und dazu beigetragen, die Region der Gammastrahlenemission während dieser Helligkeitszunahme zu identifizieren“, sagte Fermi-Leiterin Elisabetta Cavazzuti. „M87 ist ein Labor, das einmal mehr zeigt, wie wichtig koordinierte Beobachtungen bei verschiedenen Wellenlängen sind, um die spektrale Variabilität der Quelle vollständig zu charakterisieren, eine Variabilität, die sich wahrscheinlich über verschiedene Zeitskalen erstreckt, mit der größtmöglichen Sichtbarkeit, vollständig über das gesamte elektromagnetische Spektrum.“
Dank der Zusammenarbeit zwischen diesen und anderen Teleskopen konnten die Wissenschaftler eine deutliche Veränderung des Winkels des Jets zum Kern von M87 feststellen. Dies scheint jährlich zu geschehen.
Das Team stellte auch korrelierte Veränderungen des Ereignishorizonts fest, der Licht einfangenden äußeren Begrenzung jedes Schwarzen Lochs. Dies deutet auf einen Zusammenhang zwischen Ereignishorizonten und den starken Jets hin, die von Schwarzen Löchern ausgestoßen werden.
„Auf dem ersten Bild während der Beobachtungskampagne 2018 war zu sehen, dass dieser Ring nicht homogen war und daher Asymmetrien (d. h. hellere Bereiche) aufwies“, schloss Principe. „Die nachfolgenden Beobachtungen, die 2018 durchgeführt wurden und mit dieser Veröffentlichung in Verbindung stehen, bestätigten die Daten, zeigten aber, dass sich der Positionswinkel der Asymmetrie verändert hatte.“
Die Forschung des Teams wurde am Freitag (13. Dezember) in der Zeitschrift Astronomy & Astrophysics veröffentlicht.
