Astronomen haben den ersten Blick auf polarisiertes Licht und die Magnetfelder eingefangen, die Sagittarius A* (Sgr A*), das supermassive Schwarze Loch im Herzen der Milchstraße, umgeben.
Die historische Beobachtung mit dem Event Horizon Telescope (EHT) hat gezeigt, dass die sauber geordneten Magnetfelder Ähnlichkeiten mit denen aufweisen, die das supermassive Schwarze Loch im Herzen der Galaxie M87 umgeben. Dies ist überraschend, da Sgr A* eine Masse hat, die etwa 4,3 Millionen Mal so groß ist wie die der Sonne, während M87* mit einer Masse, die etwa 6,5 Milliarden Sonnen entspricht, viel monströser ist.
Die neue EHT-Beobachtung von Sgr A* legt daher nahe, dass starke und gut organisierte Magnetfelder allen Schwarzen Löchern gemeinsam sein könnten. Da die Magnetfelder von M87* starke Ausströmungen oder „Jets“ antreiben, deuten die Ergebnisse auch darauf hin, dass Sgr A* einen eigenen verborgenen und schwachen Jet haben könnte.
Das supermassereiche Schwarze Loch im Herzen der Milchstraße Sgr A* zum ersten Mal in polarisiertem Licht gesehen. (Bildnachweis: EHT-Kollaboration)
„Dieses neue Bild des Schwarzen Lochs im Zentrum unserer Milchstraße, Sgr A*, zeigt uns, dass sich in der Nähe des Schwarzen Lochs starke, verdrehte und geordnete Magnetfelder befinden“, sagte Sara Issaoun, Co-Leiterin der Forschung und Einstein-Stipendiatin des NASA Hubble Fellowship Program am Center for Astrophysics (CfI) in Harvard & Smithsonian gegenüber kosmischeweiten.de „Wir haben schon länger geglaubt, dass Magnetfelder eine Schlüsselrolle dabei spielen, wie Schwarze Löcher Materie in starken Jets füttern und ausstoßen.
„Dieses neue Bild, zusammen mit einer auffallend ähnlichen Polarisationsstruktur, die bei dem viel größeren und stärkeren Schwarzen Loch M87* beobachtet wurde, zeigt, dass starke und geordnete Magnetfelder entscheidend dafür sind, wie Schwarze Löcher mit dem Gas und der Materie um sie herum interagieren.“
Inhaltsübersicht
Vergleich des Magnetismus zweier monströser Schwarzer Löcher
Das EHT besteht aus vielen Teleskopen auf der ganzen Welt, darunter auch das Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), die zusammen ein Teleskop von der Größe der Erde bilden, das nicht zum ersten Mal Wissenschaftsgeschichte schreibt.
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2017 nahm das EHT das erste Bild eines Schwarzen Lochs und seiner Umgebung auf: M87*, etwa 53,5 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt. Zwei Jahre nach der Veröffentlichung dieses Bildes im Jahr 2019 hat die EHT-Kollaboration den ersten Blick auf polarisiertes Licht in der Umgebung eines Schwarzen Lochs, M87*, noch einmal enthüllt.
Polarisation entsteht, wenn die Orientierungswellen des Lichts in einem bestimmten Winkel ausgerichtet werden. Die Magnetfelder, die durch das Plasma um schwarze Löcher erzeugt werden, polarisieren das Licht in einem Winkel von 90 Grad zu sich selbst. Das bedeutet, dass die Beobachtung der Polarisation um M87* den Wissenschaftlern zum ersten Mal ermöglichte, die Magnetfelder um ein Schwarzes Loch zu „sehen“.
Das erste Bild des Event Horizon Telescope vom supermassiven schwarzen Loch M87*. (Bildnachweis: EHT Collaboration)
Im Jahr 2022 folgte die Enthüllung, dass das EHT auch ein supermassereiches Schwarzes Loch aufgenommen hat, das nur 27.000 Lichtjahre von der Erde entfernt ist: Sgr A*, das Schwarze Loch, um das sich die Milchstraße formt.
Ein Bild von Sagittarius A*, dem supermassereichen Schwarzen Loch im Herzen der Milchstraße, aufgenommen mit dem Event Horizon Telescope. (Bildnachweis: EHT Collaboration)
Nun hat das EHT den Wissenschaftlern endlich ein Bild des polarisierten Lichts und damit der Magnetfelder um dieses supermassive Schwarze Loch geliefert.
„Das polarisierte Licht gibt uns Aufschluss über die Magnetfelder, die Eigenschaften des Gases und die Mechanismen, die bei der Fütterung eines Schwarzen Lochs ablaufen“, so Issaoun. „Angesichts der zusätzlichen Herausforderungen bei der Aufnahme von Sgr A* ist es wirklich überraschend, dass wir überhaupt ein Polarisationsbild erhalten konnten!“
Diese Herausforderungen ergaben sich, obwohl Sgr A* näher an der Erde liegt, denn die geringere Größe des supermassiven schwarzen Lochs in der Milchstraße bedeutet, dass das Material, das mit nahezu Lichtgeschwindigkeit um es herumfliegt, schwer abzubilden ist. M87* ist viel größer, was bedeutet, dass das Material, obwohl es sich mehr oder weniger mit der gleichen Geschwindigkeit bewegt, viel länger braucht, um einen Kreislauf zu vollenden, was es für das EHT einfacher macht, es zu erfassen.
Die Überwindung dieser Schwierigkeiten bedeutet, dass nun ein Vergleich zwischen zwei Schwarzen Löchern an den entgegengesetzten Enden des Spektrums der supermassiven Schwarzen Löcher möglich ist, eines mit der milliardenfachen Masse der Sonne und ein anderes mit der millionenfachen Masse unseres Sterns. Die erste Schlussfolgerung ist, dass diese Magnetfelder einander bemerkenswert ähnlich sind.
(Links) das schwarze Loch im Herzen von M87 in polarisiertem Licht. (Rechts) Sgr A* in polarisiertem Licht, das Ähnlichkeiten mit dem viel massereicheren M87* zeigt (Bildnachweis: EHT Collaboration)
„Diese Ähnlichkeit war besonders überraschend, weil M87* und Sgr A* sehr unterschiedliche Schwarze Löcher sind“, sagte Issaoun. „M87* ist ein ganz besonderes Schwarzes Loch: Es hat 6 Milliarden Sonnenmassen, lebt in einer riesigen elliptischen Galaxie und stößt einen starken, bei allen Wellenlängen sichtbaren Plasmastrahl aus.
„Sgr A* hingegen ist extrem gewöhnlich: Er hat 4 Millionen Sonnenmassen, lebt in unserer gewöhnlichen Spiralgalaxie Milchstraße und scheint überhaupt keinen Jet zu haben.“
Issaoun erklärte, dass das Team erwartet hatte, allein durch die Betrachtung des polarisierten Teils des Lichts etwas über die unterschiedlichen Eigenschaften der Magnetfelder von M87* und Sgr A* zu erfahren: „Vielleicht ist das eine stärker geordnet und stark, das andere ungeordneter und schwach“, fügte Issaoun hinzu. „Da sie aber wieder ähnlich aussehen, ist es jetzt ganz klar, dass diese beiden unterschiedlichen Klassen von Schwarzen Löchern eine sehr ähnliche Magnetfeldgeometrie haben!“
Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass eine genauere Untersuchung von Sgr A* bisher unentdeckte Merkmale aufdecken könnte.
Stößt das supermassereiche Schwarze Loch der Milchstraße einen verborgenen Jet aus?
Die Polarisation des Lichts sowie die ordentlichen und starken Magnetfelder von Sgr A* und die Tatsache, dass sie denen von M87* sehr ähneln, könnten darauf hinweisen, dass unser zentrales Schwarzes Loch bisher ein Geheimnis vor uns verborgen hat.
„Wir erwarten, dass starke und geordnete Magnetfelder in direktem Zusammenhang mit dem Start von Jets stehen, wie wir sie bei M87* beobachtet haben“, erklärt Issaoun. „Da Sgr A*, bei dem kein Jet beobachtet wurde, eine sehr ähnliche Geometrie zu haben scheint, lauert vielleicht auch in Sgr A* ein Jet, der darauf wartet, beobachtet zu werden, was super spannend wäre!“
Astronomen waren nicht sonderlich überrascht, keinen Jet von Sgr A* zu sehen. Das liegt daran, dass M87* von so viel Gas und Staub umgeben ist, dass er jedes Jahr das Äquivalent von zwei oder drei Sonnen verschlingt. Das bedeutet, dass seine Magnetfelder reichlich Material zu seinen Polen leiten und als Jets ausstoßen können.
Sgr A* hingegen verbraucht so wenig Materie, als würde ein Mensch alle Millionen Jahre ein Reiskorn essen. Diese Beobachtungen deuten darauf hin, dass unser diätetisches supermassives Schwarzes Loch immer noch einen Jet haben könnte, der nur schwer zu sehen ist.
„Es gibt viele Hinweise auf mögliche Ausströmungen und sogar Jets, die von dem Schwarzen Loch in der Vergangenheit angetrieben wurden, aber ein Jet in Sgr A* wurde aufgrund der schwierigen Umgebung des galaktischen Zentrums noch nie abgebildet“, sagte Issaoun. „Einen Jet zu finden, wäre eine große Offenbarung über unser Schwarzes Loch und eine Verbindung zu seiner Geschichte innerhalb unserer Milchstraße.“
Sie fügte hinzu, dass der Prozess, der diese Jets auslöst, der energiereichste Mechanismus im gesamten Universum ist, der das Herz von Galaxien dramatisch beeinflusst, indem er zum Beispiel das Gas und den Staub, die für die Geburt von Sternen benötigt werden, ausräumt und beeinflusst, wie Galaxien wachsen und sich entwickeln. Das bedeutet, dass die Entdeckung eines Jets, der aus Sgr A* austritt, unser Verständnis darüber beeinflussen würde, wie sich die Milchstraße zu der Form entwickelt hat, die die Astronomen heute beobachten.
„Es ist erstaunlich, dass ein so kleiner Kern in einer Galaxie so große Schäden verursachen kann, und das alles beginnt am Rande des zentralen Schwarzen Lochs, wo diese Magnetfelder herrschen“, so Issaoun weiter.
Dieses Bild zeigt den Jet in der Galaxie M87 in polarisiertem Licht, wie es von ALMA aufgenommen wurde. Dieses Bild zeigt die Struktur des Magnetfelds entlang des Jets. (Bildnachweis: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), Goddi et al.)
Issaoun sagte, dass die Wissenschaftler mit diesen beiden polarisierten Bildern von sehr unterschiedlichen Schwarzen Löchern nun einen sehr überzeugenden Beweis dafür haben, dass starke Magnetfelder in diesen kosmischen Titanen allgegenwärtig sind.
„Der nächste Schritt“, so Issaoun, „besteht darin, herauszufinden, wie diese Geometrie damit zusammenhängt, wie sich diese Systeme bewegen, entwickeln und aufflackern.“
Das EHT wird seine Beobachtungskampagne 2024 Anfang April starten, wobei die Kollaboration hofft, mehrfarbige Ansichten von bekannten Schwarzen Löchern wie M87* und Sgr A* zu erhalten, indem sie sie in verschiedenen Lichtfrequenzen beobachten.
„In den nächsten zehn Jahren soll das EHT um weitere Teleskope erweitert werden, um unseren erdgroßen virtuellen Spiegel auszufüllen und viel häufiger zu beobachten“, so Issaoun weiter. „Mit diesen Erweiterungen des EHT werden wir in der Lage sein, polarisierte Filme von Schwarzen Löchern zu machen und die Dynamik zwischen dem Schwarzen Loch M87* und seinem Jet direkt zu beobachten.“
Außerdem, so der CFI-Forscher, könnte das EHT in Zukunft Unterstützung bei der Beobachtung von Schwarzen Löchern und ihrer Dynamik aus dem Weltraum erhalten. Eine vorgeschlagene Mission, die dabei helfen könnte, ist das Konzept der Black Hole Explorer (BHEX) Mission, die das erdgebundene EHT-Array um ein einzelnes Weltraumteleskop ergänzt.
„Es wird angenommen, dass die Rotation der Schwarzen Löcher, ihr Spin, direkt damit zusammenhängt, warum die Magnetfelder in der Nähe des Schwarzen Lochs so aussehen, wie sie aussehen, und wie sie Jets auslösen können“, schloss Issaoun. „Mit BHEX konnten wir die scharfe Photonenringsignatur von Schwarzen Löchern abbilden. Dieser Photonenring kodiert Eigenschaften der Raumzeit um das Schwarze Loch, einschließlich des Spins des Schwarzen Lochs!“
Die Forschungsergebnisse des EHT-Teams wurden am Mittwoch (27. März) in der Zeitschrift Astrophysical Journal Letters veröffentlicht.
