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BL Lacertae - die heißeste Feuerstelle im All

Radioastronomen blicken tief ins Herz einer aktiven Galaxie

25. Januar 2016

Im Zentrum der 900 Millionen Lichtjahren entfernten aktiven Galaxie BL Lacertae lauert ein schwarzes Loch. Aus seiner unmittelbaren Umgebung wird Radiostrahlung ausgesendet. Ihr galt jetzt die Beobachtung eines Verbunds aus mehreren Teleskopen; das Weltraumobservatorium Spektr-R war ebenso dabei wie die 100-Meter-Antenne Effelsberg sowie 14 weitere über die ganze Erde verteilte Teleskope. Dabei haben Forscher alle gemessenen Signale an einem Spezialrechner (Korrelator) im Bonner Max-Planck-Institut für Radioastronomie miteinander verbunden. Auf diese Weise entstand ein virtuelles Teleskop von achtfachem Erddurchmesser – und das bisher schärfste Bild in der Astronomie.

Die Ergebnisse werden heute in der elektronischen Ausgabe der Fachzeitschrift "The Astrophysical Journal" veröffentlicht.
<p><em>Radiobild des aktiven Galaxienkerns BL Lacertae, gemessen mit RadioAstron bei 1,3 cm Wellenl&auml;nge mit einer Rekord-Winkelaufl&ouml;sung von nur 21 Mikro-Bogensekunden. Die extrem elliptische Umlaufbahn des Weltraum-Radioteleskops um die Erde f&uuml;hrt zu einer ausgepr&auml;gten Richtungsabh&auml;ngigkeit der Winkelaufl&ouml;sung, durch die im Bild dargestellte Strukturen sehr stark elliptisch auseinandergezogen erscheinen.</em></p> Bild vergrößern

Radiobild des aktiven Galaxienkerns BL Lacertae, gemessen mit RadioAstron bei 1,3 cm Wellenlänge mit einer Rekord-Winkelauflösung von nur 21 Mikro-Bogensekunden. Die extrem elliptische Umlaufbahn des Weltraum-Radioteleskops um die Erde führt zu einer ausgeprägten Richtungsabhängigkeit der Winkelauflösung, durch die im Bild dargestellte Strukturen sehr stark elliptisch auseinandergezogen erscheinen.

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Seit 1974 werden im Zuge der “Very Long Baseline Interferometrie” (VLBI) gleichzeitig mit unterschiedlichen über die ganze Erde verteilten Radioteleskopen gemessene Signale von Himmelsobjekten miteinander kombiniert. Dadurch erhält man ein virtuelles Radioteleskop von der Größe des maximalen Abstands zwischen den beteiligten Einzelteleskopen und kann so eine bisher unerreichte Schärfe in den  resultierenden Radiobildern erzeugen, die sogar die Winkelauflösung des Weltraumteleskops „Hubble“ im sichtbaren Licht um mehr als das 1000fache übertrifft.

Ein internationales Forschungsteam hat nun durch die Verbindung von 15 bodengebundenen Radioteleskopen mit dem 10m-Weltraumteleskop Spektr-R der vom „Astro Space Center“ in Moskau geleiteten RadioAstron-Mission alle Rekorde gebrochen. Durch die Teilnahme des 100-m-Radioteleskops Effelsberg mit seiner großen Sammelfläche wird das Projekt  außerordentlich empfindlich für den Nachweis von extrem schwacher kosmischer Radiostrahlung. Die spezielle Analyse (oder „Korrelation“) zur Verbindung der Radiomessungen von einzelnen Teleskopen zu einem virtuellen Riesenteleskop wurde dabei am Korrelator des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie in Bonn durchgeführt.

Die Untersuchung von BL Lacertae (BL Lac) führt zu neuen Erkenntnissen über die Natur von aktiven Galaxien, bei denen ein extrem massereiches Schwarzes Loch im Zentrum Materie verschluckt. Im Zuge dieses Vorgangs werden hochenergetische Teilchen entlang von Magnetfeldern bis fast auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigt und in Form zweier stark gebündelter „Jets“ in entgegengesetzten Richtungen hinausgeschossen. Bei entsprechender Geometrie wie bei BL Lac erscheint die Strahlung des Jets zum Beobachter hin viel heller, während die des entgegengesetzten Jets oft unter der Nachweisgrenze liegt. BL Lac liegt in Richtung des Sternbilds „Lacerta“ (die Eidechse) in einer Entfernung von rund 900 Millionen Lichtjahren.  

Die Beobachtung in Radiowellenlängen ist sehr wichtig für die Erforschung der Jets, da bei der fast lichtschnellen Bewegung von hochenergetischen Elektronen in Magnetfeldern Radiostrahlung erzeugt wird. Aber die meisten aktiven Galaxien mit ausgeprägten Jets liegen in Entfernungen von mehreren Milliarden Lichtjahren, so dass die Jets eine extrem geringe Ausdehnung am Himmel zeigen. Daher werden Messungen mit höchster Winkelauflösung erforderlich, um die Jets im Detail zu erfassen und Phänomene wie Stoßwellen oder Turbulenz zu untersuchen, von denen es abhängt, wieviel Strahlung dabei jeweils freigesetzt wird. „Die erstmalige Verbindung von bodengebundenen Radioteleskopen mit dem Weltraumteleskop des RadioAstron-Projekts bei höchster Winkelauflösung hat es uns möglich gemacht, mit einem virtuellen Radioteleskop von achtfachem Erddurchmesser eine Winkelauflösung von nur etwa 20 Mikro-Bogensekunden zu erreichen“, sagt  José L. Gómez vom „Instituto de Astrofísica de Andalucía-CSIC“, der Leiter des Forschungsteams.

Von der Erde aus gesehen, entsprechen 20 Mikro-Bogensekunden der Größe einer Zwei-Euro-Münze auf dem Mond. Mit derart hoher Winkelauflösung lässt sich die Kernregion von BL Lac in vorher nicht erreichter Genauigkeit untersuchen. Das Zentralobjekt dieser Galaxie ist ein supermassereiches Schwarzes Loch mit 200 Millionen mal der Masse unserer Sonne.

<p><em>Das gr&ouml;&szlig;te astronomische Teleskop: die RadioAstron-Beobachtungen von BL Lacertae (BL Lac) erfolgten mit einem virtuellen Radioteleskop, achtmal so gro&szlig; wie der Durchmesser der Erde. Damit werden Strukturen mit einer Ausdehnung von gerade mal 6000 Astronomischen Einheiten in der Entfernung von BL Lac sichtbar (als Astronomische Einheit &ndash; AE &ndash; bezeichnet man den Abstand Erde-Sonne, also rund 150 Millionen km). 6000 AE sind 30mal weniger als die Gesamtausdehnung der Oortschen Kometenwolke im &auml;u&szlig;ersten Bereich des Sonnensystems und 45mal weniger als der Abstand zwischen der Sonne und dem n&auml;chsten Nachbarstern, Alpha Centauri. In der Abbildung wird das gemessene Bild von BL Lac damit verglichen, wie RadioAstron die Sonne und Alpha Centauri in entsprechender Entfernung w&uuml;rde &bdquo;sehen&ldquo; k&ouml;nnen. Um die Feinstruktur des Jets von BL Lac im Detail herauszuarbeiten, wurde f&uuml;r dieses Bild im Unterschied zu Abb. 1 die Richtungsabh&auml;ngigkeit der Winkelaufl&ouml;sung im Zuge der Datenauswertung ausgeglichen. </em></p> Bild vergrößern

Das größte astronomische Teleskop: die RadioAstron-Beobachtungen von BL Lacertae (BL Lac) erfolgten mit einem virtuellen Radioteleskop, achtmal so groß wie der Durchmesser der Erde. Damit werden Strukturen mit einer Ausdehnung von gerade mal 6000 Astronomischen Einheiten in der Entfernung von BL Lac sichtbar (als Astronomische Einheit – AE – bezeichnet man den Abstand Erde-Sonne, also rund 150 Millionen km). 6000 AE sind 30mal weniger als die Gesamtausdehnung der Oortschen Kometenwolke im äußersten Bereich des Sonnensystems und 45mal weniger als der Abstand zwischen der Sonne und dem nächsten Nachbarstern, Alpha Centauri. In der Abbildung wird das gemessene Bild von BL Lac damit verglichen, wie RadioAstron die Sonne und Alpha Centauri in entsprechender Entfernung würde „sehen“ können. Um die Feinstruktur des Jets von BL Lac im Detail herauszuarbeiten, wurde für dieses Bild im Unterschied zu Abb. 1 die Richtungsabhängigkeit der Winkelauflösung im Zuge der Datenauswertung ausgeglichen.

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Die Kernregionen aktiver Galaxien (Active galactic nuclei, AGN) stellen die energiereichsten Objekte überhaupt im Kosmos dar, angetrieben jeweils durch ein extrem massereiches Schwarzes Loch im Zentrum. Die Anreicherung von Materie in Richtung des Zentralobjekts (Akkretion) führt zur Entstehung einer Akkretionsscheibe, die das Schwarze Loch in extrem geringem Abstand umkreist, sowie zweier Materiejets, in denen fast auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigte Teilchen in entgegengesetzten Richtungen jeweils senkrecht zur Scheibe herausgeschossen werden.  „Die vorher nicht erreichte Winkelauflösung, die uns RadioAstron liefert, ermöglicht einen einzigartigen Blick in die innerste Region der Galaxien, wo der größte Teil der Energie erzeugt wird“, bemerkt Yuri Kovalev vom „Astro Space Center“, Projektwissenschaftler für RadioAstron und ebenfalls Mitglied des BL-Lac-Forschungsteams.

Die gängigen Modellannahmen für AGN besagen, dass aufgrund der Rotation des zentralen Schwarzen Lochs und der umgebenden Akkretionsscheibe magnetische Feldlinien spiralförmig verbogen werden.  Ein derart „aufgerolltes“ Magnetfeld begrenzt einen Jet zu einem sehr engen Strahl und beschleunigt die Bewegung der darin enthaltenen Teilchen. Ein solches Modell wird durch die neuen Beobachtungen von BL Lac bestätigt; sie zeigen ein ausgedehntes spiralförmiges Magnetfeld in einem der Jets. 

Das mit RadioAstron erhaltene Bild zeigt auch eine ungewöhnlich hohe Intensität der beobachteten Strahlung am oberen Ende des Jets von BL Lac, wie es so noch in keinem anderen AGN beobachtet werden konnte. Das bringt die beteiligten Forscher zu der Frage, ob lange bewährte Annahmen darüber, wie die Radiostrahlung in den Jets erzeugt wird, überhaupt noch gültig sind.

“In BL Lac blicken wir sozusagen in die heißeste bisher entdeckte kosmische Feuerstelle, in der Materie extrem effektiv in Energie umgesetzt wird. Es wären Temperaturen von weit mehr als einer Billion Grad erforderlich, wenn wir das hier auf der Erde nachmachen wollten“, sagt der ebenfalls am Forschungsprojekt beteiligte Andrei Lobanov vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie.

“Unser aktuelles Verständnis darüber, wie Strahlung in den Zentren aktiver Galaxien erzeugt wird, liefert einen eindeutigen Grenzwert für die Stärke des Radiosignals,  das über einen längeren Zeitraum in der Kernregion erzeugt werden kann. Die extrem hohe Intensität des in BL Lac beobachteten Signals überschreitet diesen Grenzwert. Entweder sind die Geschwindigkeiten im Jet noch viel näher an der Lichtgeschwindigkeit als bisher von uns angenommen, oder wir kommen nicht umhin, unsere theoretischen Modelle zu ändern“, schließt José L. Gómez.

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Das Projekt RadioAstron wird vom “Astro Space Center” des Lebedev-Physikinstituts der russischen Akademie der Wissenschaften zusammen mit der “Lavochkin Association” im Auftrag der russischen Raumfahrtagentur geleitet, in Zusammenarbeit mit Partnerorganisationen in Russland und weiteren Ländern.

Die Spektr-R Antenne von RadioAstron befindet sich auf einer elliptischen Umlaufbahn um die Erde, und erreicht im erdfernsten Punkt (Apogäum) einen maximalen Abstand von 350.000 km, entsprechend dem 27fachen Durchmessers der Erde.

Das europäische VLBI-Netzwerk (EVN) ist ein gemeinsames Projekt von radioastronomischen Forschungsinstituten in Europa, Afrika, Asien und Nordamerika.

Das vorliegende Forschungsprojekt basiert zum Teil  auf Beobachtungen mit dem 100-m-Radioteleskop des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie (MPIfR) bei Bad Münstereifel-Effelsberg.

Das “Very Long Baseline Array” (VLBA) ist eine Forschungsanlage des „National Radio Astronomy Observatory” (NRAO), einer Einrichtung der “National Science Foundation” (NSF) und wird von den „Associated Universities Inc.“ (AUI) betrieben.

Das Forschungsprojekt basiert auf radioastronomischen Beobachtungen, deren Auswertung an einem Spezialrechner („Korrelator“) im MPIfR in Bonn erfolgte. Der Korrelator wird gemeinsam vom MPIfR und vom Bundesamt für Kartographie und Geodäsie (BKG) betrieben.

Das Forscherteam umfasst José L. Gómez, den Erstautor, und Pablo Galindo, beide vom Instituto de Astrofisica de Andalucia-CSIC, Granada, Spanien, Andrei P. Lobanov, Gabriele Bruni, Uwe Bach und James Anderson vom MPIfR Bonn, Yuri Y. Kovalev, Kirill V. Sokolovsky, Nikolay S. Kardashev, und Mikhail M. Lisakov  vom Astro Space Center, Lebedev Physical Institute, Russian Academy of Sciences, Moskau, Russland, Alan P. Marscher und Svetlana G. Jorstad vom Institute for Astrophysical Research, Boston University, Massachusetts, USA und Yosuke Mizuno vom Institut für Theoretische Physik der Universität Frankfurt.

 

 
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