Schwarze Löcher als magnetische Düsentriebwerke

Europäischer Forschungsrat unterstützt Bonner Astrophysiker mit 2,5 Millionen Euro bei der Erklärung des Phänomens

22. April 2021

In den Zentren vieler Galaxien befinden sich supermassereiche Schwarze Löcher. Aber alle Bemühungen, diese geheimnisvollen Objekte direkt nachzuweisen, leiden darunter, dass uns keine Information aus deren Inneren direkt erreichen kann. Nun hat der Astrophysiker Professor Anton Zensus, Direktor am Bonner Max-Planck-Institut für Radioastronomie und Gründungsvorsitzender der Event Horizon Telescope Kooperation (EHT) eine unabhängige Methode vorgeschlagen, um aus den bisher vorhandenen Erklärungsansätzen jene herauszufiltern, die tragfähig sind. Gleichzeitig kann es mit dieser Methode gelingen, die energiereichen Plasmaausflüsse oder Jets, die von vielen Schwarzen Löchern ausgestoßen werden, zu erklären.

Der Europäische Forschungsrat (ERC) fand das Konzept so überzeugend, dass er es mit einem ERC Advanced Grant für Spitzenforschung in Europa in Höhe von 2,5 Millionen Euro fördert.


Magnetfelder in den zentralen Regionen aktiver Galaxien.  Links: polarisierte Strahlung vom Schwarzen Loch in der Galaxie Messier 87. Mitte: Simulationen der Photosphäre um das zentrale Schwarze Loch und den Jet in Messier 87.  Rechts: Künstlerische Ansicht der zentralen Maschine („Düsentriebwerk“) im Schwarzen Loch.

Ziel der neuen Methode ist, die Magnetfelder in unmittelbarer Nähe des Ereignishorizonts eines Schwarzen Lochs, also der Entfernung, ab welcher kein Licht mehr entweichen kann, präzise zu beobachten. „Diese Region ist von zentraler Bedeutung, denn sie spiegelt die fundamentale Physik eines Schwarzen Lochs wider. Erfahren wir mehr über diese Region, werden wir erklären können, wie die bereits beobachteten Plasmaausflüsse, auch Jets genannt, entstehen“ sagt Anton Zensus. „Verstehen wir, wie sich Magnetfelder in der unmittelbaren Umgebung eines Schwarzen Loches verhalten, dann haben wir eine Erklärung dafür gefunden, wie das Schwarze Loch diese Jets antreibt. Gleichzeitig werden wir einige alternative Erklärungen von Schwarzen Löchern ausschließen können.“

Aktive galaktische Kerne sind die extremsten Energiequellen des Universums. Oft überstrahlen sie sogar die gesamte Galaxie, in der sie sich befinden. Man geht davon aus, dass bei der Erzeugung dieser Energien und deren Transport nach außen rotierende supermassereiche Schwarze Löcher, die sie umgebenden rotierenden Gasscheiben, relativistische Plasma-Jets sowie Magnetfelder eine zentrale Rolle spielen. Die Einzelheiten dieses Prozesses sind aber noch unerforscht.

Relativistische Plasma-Jets wurden durch die Zusammenschaltung von Radioteleskopen auf der gesamten Erde bereits abgebildet. Aufbauend auf den Erfahrungen mit dem Global mm-VLBI Array (GMVA), das seit 2003 unter der Leitung des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie steht, wurden die Analysemethoden bei höchster Auflösung verfeinert. Der Event Horizon Telescope-Kollaboration (EHT) ist es zudem gelungen, den Schattenriss des mutmaßlichen supermassereichen Schwarzen Loches in der Galaxie M 87 mit ausreichender Empfindlichkeit und Auflösung abzubilden, um theoretische Vorhersagen aus der Allgemeinen Relativitätstheorie zu bestätigen.

Um jedoch die Existenz Schwarzer Löcher endgültig nachzuweisen und ihre physikalischen Eigenschaften zu bestimmen, sind genaue Informationen über das Magnetfeld in der Nähe des Ereignishorizonts erforderlich. Diese Region präzise zu beobachten, ist eine große Herausforderung, die nicht allein durch Verbesserung der Abbildungen mit GMVA und EHT realisiert werden kann. Deshalb hat Anton Zensus zusammen mit Forschern und Forscherinnen am Max-Planck-Institut für Radioastronomie eine neuartige Herangehensweise entwickelt.

Ziel seines nunmehr vom ERC geförderten Projekts mit dem Kürzel M2FINDERS ist es, technische und radioastronomische Methoden so weiterzuentwickeln, dass Magnetfelder in der Umgebung von Schwarzen Löchern präzise kartiert werden können. In Aktiven Galaktischen Kernen, in denen man Schwarze Löcher vermutet, soll dabei die Polarisation der beobachtbaren Radiostrahlung bestimmt werden. Polarisiert heißt Strahlung, die in einer bestimmten Ebene schwingt, so wie eine Gitarrensaite. Den Effekt der Polarisation nutzen zum Beispiel einige Sonnenbrillen, um unerwünschte Reflektionen herauszufiltern. Polarisation, die man in astronomischen Objekten beobachtet, ist fast immer ein sicheres Indiz für Magnetfelder. Die durch die mit weiter entwickelten Technologien bestimmten Magnetfelder sollen mit neuartigen Methoden zur Bildanalyse und Modellierung relativistischer Strömungen kombiniert werden. Dies wird zu präzisen Informationen über die Stärke und Struktur des Magnetfelds in der Nähe des Ereignishorizonts führen und entscheidende, unabhängige Evidenz für die Existenz von Schwarzen Löchern und ihren Ereignishorizonten liefern, welche die EHT-Bildgebung ergänzen sollen.

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Anton Zensus im Steuerraum des Radioteleskops Effelsberg.

Weitere Informationen

Prof. Anton Zensus: J. Anton Zensus ist Direktor der Abteilung für Radioastronomie und Very-Long-Baseline Interferometry am Bonner Max-Planck-Institut für Radioastronomie und Gründungsvorsitzender der internationalen Event Horizon Telescope (EHT)-Kollaboration. Er studierte in Münster, Köln und Bonn und forschte anschließend in den USA am California Institute of Technology und am National Radio Astronomy Observatory.

Im EU-Projekt RadioNet koordiniert er führende europäische Observatorien und Labors für Radioastronomie. Darüber hinaus engagiert er sich in der Förderung des wissenschaftlichen Nachwuchses und wirkt als Honorarprofessor an der Universität Köln.

ERC Grants: Mit dem Advanced Grant zeichnet der Europäischen Forschungsrat (European Research Council, ERC) führende Forschende aus, die exzellente Forschung mit innovativen Ansätzen verbinden. Die hoch dotierte Förderung unterstützt Projekte, die das Potenzial für einen wissenschaftlichen Durchbruch auf ihrem Forschungsgebiet besitzen. Nur etwa 8 Prozent aller Projektvorschläge werden gefördert.

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