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    Der Ring um das Schwarze Loch in M 87* funkelt

    Turbulente Entwicklung des Bildes vom Schwarzen Loch in M 87* von 2009 bis 2017

    22. September 2020

    2019 veröffentlichte die Event Horizon Telescope (EHT)-Kollaboration das erste Bild eines Schwarzen Lochs und enthüllte damit M 87* - das supermassereiche Objekt im Zentrum der Galaxie Messier 87. Das EHT-Team, eine Kollaboration an der das MPI für Radioastronomie federführend beteiligt ist, hat nun mit den Erfahrungen des letzten Jahres Archivdaten von 2009 bis 2013 analysiert, welche zum Teil noch nicht veröffentlicht wurden. Die Beteiligung des APEX-Teleskops seit 2013 spielt eine sehr wichtige Rolle für den Erfolg der Analyse. Die Auswertung zeigt zum ersten Mal, wie sich das Bild des Schwarzen Lochs über mehrere Jahre hinweg entwickelt. Der ringförmige Schatten ist tatsächlich immer vorhanden, verändert jedoch seine Ausrichtung und Helligkeitsverteilung - der Ring um das Schwarze Loch scheint zu funkeln.

    Die Ergebnisse werden in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift „Astrophysical Journal“ veröffentlicht.
    Einzelne Momentaufnahmen des Schwarzen Lochs in M 87* basierend auf Beobachtungen und geometrischer Modellierung. Darunter ist die geographische Verteilung der EHT-Teleskope von 2009 bis 2017 dargestellt. Während sich der Ringdurchmesser nicht verändert, variiert die Position des Helligkeitsmaximums. Die scheinbare Variation der Dicke des Ringes ist nicht real und ist durch die begrenzten Abbildungseigenschaften des EHT in seiner Frühphase bedingt. Bild vergrößern
    Einzelne Momentaufnahmen des Schwarzen Lochs in M 87* basierend auf Beobachtungen und geometrischer Modellierung. Darunter ist die geographische Verteilung der EHT-Teleskope von 2009 bis 2017 dargestellt. Während sich der Ringdurchmesser nicht verändert, variiert die Position des Helligkeitsmaximums. Die scheinbare Variation der Dicke des Ringes ist nicht real und ist durch die begrenzten Abbildungseigenschaften des EHT in seiner Frühphase bedingt. [weniger]

    Das EHT ist ein globaler Zusammenschluss von Teleskopen. Zusammengeschaltet bilden sie ein virtuelles Teleskop, dessen Durchmesser dem der Erde entspricht. Very-Long-Baseline-Interferometrie (VLBI) heißt diese Technik, in der die Signale der Einzelantennen gleichsam überlagert werden. Die Datensynchronisation geschieht mithilfe von hochpräzisen Atomuhren auf die Nanosekunde genau.  In den Jahren vor 2017 wurde M 87* von einem kleineren VLBI-Netzwerk beobachtet, das als Vorläufer des EHT den Weg zu nachfolgenden Beobachtungen geebnet hat. Zwischen 2009 und 2012 waren Teleskope in Kalifornien, Arizona, und Hawaii beteiligt. Im Jahr 2013 kam das APEX-Teleskop in Chile dazu (siehe Abbildung). Im Jahr 2017 kamen weitere Antennen hinzu, insbesondere das ALMA-Interferometer in Chile, das IRAM-30m-Teleskop in Spanien und ein Teleskop am Südpol (SPT). Alan Roy, VLBI-Projektwissenschaftler für APEX am Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR), sagt: „Durch die Teilnahme von APEX und ALMA, beide auf der Südhalbkugel, konnte die Winkelauflösung des EHT dramatisch verbessert werden. So wurde der Weg für eine Bildgebung in höchster Qualität geebnet.“

    „Die im April 2019 präsentierten Ergebnisse ergeben das Bild eines Schwarzen Lochs mit zwei wesentlichen Elementen: einem Ring, der das um M87* herum wirbelnde Plasma zeigt und einem dunklen inneren Bereich, in dem wir den Ereignishorizont des Schwarzen Lochs vermuten“, erinnert sich Maciek Wielgus von der Harvard-Universität, der Erstautor der jetzigen Veröffentlichung. Das im Jahr 2019 präsentierte Ergebnis basiert auf Beobachtungen über einen Zeitraum von nur einer Woche im April 2017 - das ist zu kurz, um langfristige Veränderungen zu sehen. Auch nach der sorgfältigen Analyse blieben einige Fragen bezüglich der zeitlichen Stationarität des Ringes offen. Deshalb wurden vorhandene ältere Archivdaten nochmals untersucht.

    Die Beobachtungen von 2009 bis 2013 basieren auf deutlich weniger Daten, als die von 2017. Deshalb ist es schwierig, M87 ohne einige A-Priori-Annahmen zu kartieren. Das EHT-Team verwendete daher geometrisch-basierte, ausgefeilte statistische Modellverfahren, um nach zeitlichen Veränderungen im Erscheinungsbild von M87* in den Archivdaten zu suchen.

    Die Beobachtungen zwischen 2009 und 2017 zeigen, dass M87* weitgehend den Erwartungen entspricht. Der Durchmesser vom Schatten des Schwarzen Lochs stimmt mit den Vorhersagen von Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie für ein Schwarzes Loch mit 6,5 Milliarden Sonnenmassen überein. Die Tatsache, dass sich die Morphologie des asymmetrischen Ringes über mehrere Jahre nicht ändert, schafft Vertrauen in die Realität des publizierten Ringes als Schatten eines Schwarzen Lochs sowie in dessen physikalische Interpretation. 

    Zwischen 2009 und 2017 bleibt der Durchmesser des Schattens also unverändert. Dennoch halten die Daten für das EHT-Team noch eine kleine Überraschung bereit. „Die Orientierung und Feinstruktur des Ringes ändert sich ein wenig mit der Zeit. Dies erlaubt einen ersten Blick auf den Materiestrom, der auf das Schwarze Loch einfällt, sowie auf seine Dynamik nahe des Ereignishorizonts“, sagt Thomas Krichbaum, Astronom am MPIfR und einer der Autoren der Veröffentlichung. „Um zu verstehen, wie genau relativistische Jets im Umfeld eines Schwarzen Lochs erzeugt werden, ist es wichtig, diese Region im Detail zu untersuchen. Die genaue Form des Schattens wird es Wissenschaftlern in Zukunft ermöglichen, neue Tests der Allgemeinen Relativitätstheorie zu entwickeln“, fügt er hinzu.

    Während das Gas auf das Schwarze Loch fällt, wird es auf mehrere Milliarden Grad aufgeheizt und ionisiert. Da der magnetisierte Materiestrom turbulent ist, scheint der Ring im Laufe der Zeit zu funkeln, wodurch einige theoretische Modelle der Akkretion hinterfragt werden müssen.

    „In den kommenden Jahren möchten wir untersuchen, wie sich die Struktur von M 87* mit der Zeit verändert. Daher analysieren wir gerade die EHT-Daten aus dem Jahr 2018 und bereiten die neuen Beobachtungen für 2021 vor. Dann werden drei weitere Teleskope teilnehmen: das NOEMA-Interferometer in den französischen Alpen, ein Teleskop in Grönland nahe Thule und das Kitt-Peak-Teleskop in Arizona/USA. Unser virtuelles weltumspannendes Teleskop wird also größer und empfindlicher und die bildgebenden Verfahren werden damit genauer. Ich gehe davon aus, dass wir viel Neues über den Schatten des Schwarzen Lochs und den inneren Jet der Radiogalaxie M87 lernen werden“, schließt Anton Zensus, Direktor am MPI für Radioastronomie und Gründungsvorsitzender des EHT-Kollaborationsgremiums.

    Modellierung des Ringes in M87 von 2009 bis 2017. Das Diagramm zeigt, dass sich der Ringdurchmesser während des Beobachtungszeitraumes nicht verändert. Es verändert sich jedoch die Position des Helligkeitsmaximums entlang des Ringes. Erst die Daten aus dem Jahr 2017 ermöglichten die unmittelbare Kartierung des Schattens um das Schwarze Loch, davor war nur eine vereinfachende Modellierung möglich. Bild vergrößern
    Modellierung des Ringes in M87 von 2009 bis 2017. Das Diagramm zeigt, dass sich der Ringdurchmesser während des Beobachtungszeitraumes nicht verändert. Es verändert sich jedoch die Position des Helligkeitsmaximums entlang des Ringes. Erst die Daten aus dem Jahr 2017 ermöglichten die unmittelbare Kartierung des Schattens um das Schwarze Loch, davor war nur eine vereinfachende Modellierung möglich. [weniger]

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    Projektinformation

    Die internationale Kollaboration "Event Horizon Telescope" (EHT) hatte das erste Bild eines Schwarzen Lochs im Herzen der Radiogalaxie Messier 87 am 10. April 2019 präsentiert.  Dies ist dank der Zusammenschaltung eines weltweiten Netzwerk von Teleskope gelungen. Diese globale Zusammenarbeit erreicht mittels neuer Methoden höchste Winkelauflösungen im Mikro-Bogensekunden-Bereich.

    Die einzelne Teleskope im EHT sind: Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), Atacama Pathfinder EXplorer (APEX), Greenland Telescope (seit 2018), IRAM 30-meter Telescope, IRAM NOEMA Observatory (erwartet 2021), Kitt Peak Telescope (erwartet 2021), James Clerk Maxwell Telescope (JCMT), Large Millimeter Telescope (LMT), Submillimeter Array (SMA), Submillimeter Telescope (SMT), und South Pole Telescope (SPT).

    Das EHT-Konsortium besteht aus 13 Partnerinstitutionen:  Academia Sinica Institute of Astronomy and Astrophysics, University of Arizona, University of Chicago, East Asian Observatory, Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, Goethe-Universität Frankfurt, Institut de Radioastronomie Millimétrique, Large Millimeter Telescope, Max-Planck-Institut für Radioastronomie, MIT Haystack Observatory, National Astronomical Observatory of Japan, Perimeter Institute for Theoretical Physics, und Radboud Universiteit Nijmegen.

    MPIfR-Mitverfasser der Arbeit

    Die folgenden Wissenschaftler vom MPIfR sind an der Veröffentlichung beteiligt (in der Reihenfolge der Autorenliste der Originalpublikation): Thomas P. Krichbaum, Ru-Sen Lu, Walter Alef, Rebecca Azulay, Anne-Kathrin Baczko, Silke Britzen, Sergio A. Dzib, Ralph P. Eatough, Ramesh Karuppusamy, Jae-Young Kim, Michael Kramer, Rocco Lico, Jun Liu, Kuo Liu, Andrei P. Lobanov, Nicholas R. MacDonald, Nicola Marchili, Karl M. Menten, Cornelia Müller, Aristeidis Noutsos, Gisela N. Ortiz-León, Eduardo Ros, Helge Rottmann, Alan L. Roy, Tuomas Savolainen, Lijing Shao, Pablo Torne, Efthalia Traianou, Jan Wagner, Norbert Wex, Robert Wharton, und J. Anton Zensus.

    Teleskope, die an den EHT-Beobachtungen von M 87* teilgenommen haben. Bild vergrößern
    Teleskope, die an den EHT-Beobachtungen von M 87* teilgenommen haben.
     
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