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APEX wirft einen Blick ins Herz der Finsternis

Ein globales Netzwerk von Teleskopen inklusive APEX in Chile zeigt kleinste Strukturen in der Radioquelle Sgr A* im Zentrum der Milchstraße, die nur wenig größer sind als der Ereignishorizont des vermuteten Schwarzen Lochs.

24. Mai 2018

Das 12-m-Radioteleskop APEX in Chile wurde mit speziellen Zusatzgeräten technisch aufgerüstet, um gemeinsam mit anderen Radioteleskopen interferometrische Beobachtungen bei einer Wellenlänge von nur 1,3 mm durchzuführen. Dies beinhaltet die Ausrüstung für die Signalaufzeichnung mit noch größerer Bandbreite und eine hochpräzise Wasserstoffmaseruhr. Damit machen die Forscher einen weiteren Schritt in Richtung der direkten Kartierung des Schattens um das schwarze Loch im Zentrum der Milchstraße. Die Teilnahme von APEX am sogenannten Event-Horizon-Teleskop (EHT), das sich bis vor kurzem nur aus Teleskopen auf der Nordhalbkugel der Erde zusammensetzte, enthüllt nun neue und bisher nicht sichtbare Details in der Struktur der Radioquelle SgrA*, die mit dem Schwarzen Loches im Zentrum der Milchstraße identifiziert wird. Die Einbeziehung des APEX-Teleskops im EHT-Verbund verdoppelt die Winkelauflösung. Damit zeigt die Struktur der Quelle eine asymmetrische und nicht punktförmige Helligkeitsverteilung mit Details von nur noch 36 Millionen Kilometern Größe. Das entspricht dem Dreifachen der hypothetischen Größe des Schwarzen Lochs im Zentrum der Milchstraße (drei Schwarzschildradien).

Die Ergebnisse werden in der Fachzeitschrift “The Astrophysical Journal” veröffentlicht (2018, Vol. 859, Nr. 1. DOI: 10.3847/1538-4357).
Schematisches Diagramm der im Jahr 2013 durchgeführten 1,3-mm-VLBI-Beobachtungen von Sagittarius A* (Sgr A*), der Radioquelle im Zentrum der Milchstraße. Die Inlays zeigen zwei mögliche Modelle für das Erscheinungsbild von Sgr A*, die mit den Messergebnissen vereinbar sind. Der weiße Ring mit einem Durchmesser von 50 millionstel Bogensekunden veranschaulicht die Größenverhältnisse. Mit dem  APEX-Teleskops auf der Südhalbkugel - in der chilenischen Atacamawüste gelegen – stehen jetzt noch längere interferometrische Basislinien zur Verfügung. Dies führt zu einer Verdopplung der Winkelauflösung im Vergleich zu früheren Messungen. Damit lassen sich nun in Sgr A*  Strukturen  mit einer Auflösung von nur drei Schwarzschildradien erfassen. Bild vergrößern

Schematisches Diagramm der im Jahr 2013 durchgeführten 1,3-mm-VLBI-Beobachtungen von Sagittarius A* (Sgr A*), der Radioquelle im Zentrum der Milchstraße. Die Inlays zeigen zwei mögliche Modelle für das Erscheinungsbild von Sgr A*, die mit den Messergebnissen vereinbar sind. Der weiße Ring mit einem Durchmesser von 50 millionstel Bogensekunden veranschaulicht die Größenverhältnisse. Mit dem  APEX-Teleskops auf der Südhalbkugel - in der chilenischen Atacamawüste gelegen – stehen jetzt noch längere interferometrische Basislinien zur Verfügung. Dies führt zu einer Verdopplung der Winkelauflösung im Vergleich zu früheren Messungen. Damit lassen sich nun in Sgr A*  Strukturen  mit einer Auflösung von nur drei Schwarzschildradien erfassen.

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Astronomen sind auf der Jagd nach harten Beweisen für die Gültigkeit der Einsteinschen Allgemeine Relativitätstheorie. Dazu gehört die direkte Abbildung (Kartierung) des Schattens eines Schwarzen Lochs. Die Zusammenschaltung von Radioteleskopen, die über den ganzen Erdball verteilt sind, macht dies möglich (engl. VLBI = Very Long Baseline Interferometry; Radiointerferometrie mit langen Basislinien).  Die einzelnen Teleskope befinden sich auf Bergen und in großer Höhe, um so den Einfluss der Erdatmosphäre auf die hochfrequente Radiostrahlung zu minimieren, und auch um menschengemachten Radiostörsignalen zu entgehen.  Die kompakte Radioquelle Sagittarius A* (Sgr A*), die sich im Zentrum der Milchstraße befindet, wurde nun von derart zusammengeschalteten Teleskopen bei kurzen Millimeterwellenlängen und mit Mikrobogensekunden Auflösung beobachtet.

Das Forscherteam hat Sgr A* im Jahr 2013 mit VLBI-Teleskopen an vier verschiedenen Standorten beobachtet. Bei den Teleskopen handelt es sich um APEX in Chile, das CARMA-Array in Kalifornien, das James-Clerk-Maxwell-Teleskop (JCMT) und das Submillimeter-Array (SMA), beide in Hawaii, sowie das Submillimeter-Teleskop (SMT, das frühere Heinrich-Hertz-Teleskop) in Arizona. Die Detektionen der Quelle Sgr A* auf Teleskop-Basislinien von bis zu 10.000 km Länge zeigen eine ultrakompakte, asymmetrische und nicht punktförmige Helligkeitsverteilung.

„Die Einbeziehung  des APEX-Teleskops hat die längste Basislinie im Vergleich zu früheren Beobachtungen fast verdoppelt und führt nun zu einer spektakulären Auflösung von nur noch drei Schwarzschildradien”, sagt Ru-Sen Lu vom Bonner Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR) der Erstautor der Veröffentlichung. „Die Daten zeigen Details, die kleiner sind als die erwartete Ausdehnung des Materiestrudels rund um das zentrale Schwarze Loch ”, fügt Thomas Krichbaum (ebenfalls MPIfR) hinzu, der Initiator der Millimeter-VLBI-Beobachtungen mit APEX.

Der Standort von APEX auf der Südhalbkugel der Erde ermöglicht eine deutliche Verbesserung der Bildqualität für eine Quelle, die soweit südlich am Himmel steht wie Sagittarius A* (−29 Grad Deklination). APEX ist auch der Wegbereiter für die Teilnahme des großen und extrem empfindlichen ALMA-Teleskopes in den nun jährlich stattfindenden EHT-Beobachtungen.

 „Wir haben in einer Höhe von über 5000 Metern hart daran gearbeitet, die Ausrüstung zu installieren, die eine Beteiligung des APEX-Teleskops an den 1,3mm-VLBI-Beobachtungen erst ermöglicht hat”, sagt Alan Roy, ebenfalls MPIfR, der technische Leiter des VLBI-Teams am APEX-Teleskop. „Wir sind wirklich stolz darauf, wie gut APEX bei diesem Experiment funktioniert hat.”

Das Team hat ein Modell-Anpassungsverfahren auf die Beobachtungsresultate angewandt, um die Struktur von Sgr A* auf Skalen bis zu 25 millionstel Bogensekunden zu analysieren. “Wir sind im ersten Schritt davon ausgegangen, wie die Struktur der Quelle in der Nähe des Ereignishorizontes aussehen könnte, und nicht wie bisher nur von allgemeinen Argumenten basierend auf der Form der sogenannten Visibilities”, fügt Ru-Sen Lu hinzu. „Es ist sehr ermutigend zu sehen, dass die Anpassung einer ringförmigen Struktur sehr gut mit den Daten übereinstimmt, obwohl auch andere Modelle, wie z.B. eine Doppelstruktur möglich sind.” Zukünftige Beobachtungen mit dem sich weiter im Aufbau befindlichen EHT werden diese Mehrdeutigkeiten beseitigen.

Im galaktischen Zentrum sind das Schwarze Loch und seine Umgebung von dichter interstellarer Materie umgeben, welche die Wellenausbreitung der elektromagnetischen Strahlung entlang der Sichtlinie beeinflusst. Dies führt zur sogenannten interstellaren Szintillation, die die Schärfe der Kartierung beeinträchtigen kann. „Wir konnten jedoch zeigen, daß dieser Effekt bei den kurzen Millimeterwellenlängen keine wesentliche Rolle spielt,” sagt Dimitrios Psaltis von der Universität von Arizona, wissenschaftlicher Leiter beim EHT.

„Die Ergebnisse stellen einen wichtigen Schritt im weiteren Aufbau des Event-Horizon-Teleskops dar”, schließt Sheperd Doeleman vom Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, dem Direktor des EHT-Projektes. „Die Analyse neuer Beobachtungen, die seit 2017 sowohl APEX als auch ALMA einschließen, werden uns unserem Ziel näher bringen, das schwarze Loch im Zentrums unserer Milchstraße direkt abzubilden.”

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Das Atacama Pathfinder Experiment (APEX) ist ein Teleskop von 12 m Durchmesser in 5100 m Höhe über dem Meeresspiegel in der extrem trockenen Chajnantor-Hochebene in der chilenischen Atacama-Wüste. Es arbeitet im Bereich der Millimeter- und vor allem Submillimeterstrahlung, einem bisher noch wenig erforschten Grenzbereich in der Astronomie und erfordert den Einsatz hochentwickelter Empfangssysteme und einen extrem hochgelegenen und trockenen Standort für das Observatorium. APEX ist das größte Submillimeter-Teleskop auf der Südhalbkugel der Erde. Es wird in Zusammenarbeit zwischen dem Max-Planck-Institut für Radioastronomie, dem Onsala Space Observatory und der ESO betrieben. Für den Betrieb von APEX vor Ort in Chajnantor ist die ESO verantwortlich.

Das Forscherteam setzt sich aus folgenden Wissenschaftlern zusammen:  Ru-Sen Lu, Thomas P. Krichbaum, Alan L. Roy, Vincent L. Fish, Sheperd S. Doeleman, Michael D. Johnson, Kazunori Akiyama, Dimitrios Psaltis, Walter Alef, Keiichi Asada, Christopher Beaudoin, Alessandra Bertarini, Lindy Blackburn, Ray Blundell, Geoffrey C. Bower, Christiaan Brinkerink, Avery E. Broderick, Roger Cappallo, Geoffrey B. Crew, Jason Dexter, Matt Dexter, Heino Falcke, Robert Freund, Per Friberg, Christopher H. Greer, Mark A. Gurwell, Paul T. P. Ho, Mareki Honma, Makoto Inoue, Junhan Kim, James Lamb, Michael Lindqvist, David MacMahon, Daniel P. Marrone, Ivan Martí-Vidal, Karl M. Menten, James M. Moran, Neil M. Nagar, Richard L. Plambeck, Rurik A. Primiani, Alan E. E. Rogers, Eduardo Ros, Helge Rottmann, Jason SooHoo, Justin Spilker, Jordan Stone, Peter Strittmatter, Remo P. J. Tilanus, Michael Titus, Laura Vertatschitsch, Jan Wagner, Jonathan Weintroub, Melvyn Wright, Ken H. Young, J. Anton Zensus und Lucy M. Ziurys.

Autoren vom MPIfR sind Ru-Sen Lu, der Erstautor, Thomas Krichbaum, Alan Roy, Walter Alef, Alessandra Bertarini, Karl Menten, Eduardo Ros, Helge Rottmann, Anton Zensus, und Heino Falcke.

 
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