Ins dunkle Herz von Centaurus A

Event-Horizon-Teleskop erforscht das Zentrum der nächstgelegenen Radiogalaxie

19. Juli 2021

Ein internationales Forscherteam im Rahmen der Event-Horizon-Teleskop (EHT-) Kollaboration, bekannt für die erste Aufnahme eines Schwarzen Lochs im Zentrum der Galaxie M87, hat nun das Herz der nahegelegenen Radiogalaxie Centaurus A in vorher nicht erreichter Genauigkeit abgebildet. Die Astronomen konnten die Position des supermassereichen Schwarzen Lochs im Zentrum genau bestimmen und zeigen, wie dort ein gigantischer Jet geboren wird. Am bemerkenswertesten ist, dass nur die äußeren Ränder des Jets Strahlung auszusenden scheinen. Das stellt eine Reihe theoretischer Modelle zur Funktionsweise der Jets in Frage. Die Arbeit, geleitet von Michael Janssen vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn und der Radboud-Universität Nijmegen, wird am 19. Juli 2021 in der Fachzeitschrift „Nature Astronomy“ veröffentlicht.

Abb. 1: Entfernungsskalen in der Jetstruktur von Centaurus A, von ausgedehnten Plasmawolken („radio lobes“) die sich über insgesamt 8 Grad am Himmel erstrecken, über das optische Erscheinungsbild der Galaxie bei 40facher Vergrößerung und den inneren Jet aufgenommen mit den TANAMI-Teleskopen bei 165.000facher Vergrößerung bis zu dem aktuellen EHT-Bild der Startregion des Jets in höchster Auflösung (60.000.000fach).

In Radiowellenlängen erscheint Centaurus A als eines der größten und hellsten Objekte am Nachthimmel. Nachdem das Objekt 1949 als eine der ersten bekannten extragalaktischen Radioquellen identifiziert werden konnte (mit der Galaxie NGC 5128), ist Centaurus A über das gesamte elektromagnetische Spektrum hinweg mit einer Vielzahl von Radio-, Infrarot-, optischen, Röntgen- und Gammastrahlen-Observatorien ausgiebig erforscht worden.  Im Zentrum von Centaurus A liegt ein Schwarzes Loch von 55 Millionen Sonnenmassen, was genau zwischen dem Schwarzen Loch im Zentrum der Galaxie  M87 (sechseinhalb Milliarden Sonnenmassen) und dem im Zentrum unserer Milchstraße (etwa vier Millionen Sonnenmassen) liegt.

In einer neuen Veröffentlichung in der Fachzeitschrift „Nature Astronomy“ wurden Daten der EHT-Beobachtungen aus dem Jahr 2017 analysiert, um Centaurus A in vorher nicht erreichtem Detail abzubilden. "Dies erlaubt uns zum ersten Mal, einen extragalaktischen Radiojet auf Skalen zu untersuchen, die kleiner sind als die Entfernung, die das Licht an einem Tag zurücklegt. Wir sehen hautnah, wie ein ungeheuer gewaltiger Jet, ausgehend von einem supermassereichen Schwarzen Loch, geboren wird", sagt Astronom Michael Janssen, der Erstautor der Veröffentlichung.

Centaurus A wurde bereits im Januar 2015 durch rekordverdächtige Beobachtungen mit einem einzigen Teleskoppaar bei einer Wellenlänge von 1 mm erforscht, als es vom APEX-Teleskop und dem Radioteleskop am Südpol gleichzeitig beobachtet wurde.  "Diese bahnbrechenden Beobachtungen, aus denen wir nur die Kompaktheit des Kerns der Quelle abschätzen konnten, haben den Weg zu dem Bild geebnet, das wir jetzt mit dem Einsatz des kompletten EHT-Netzwerks präsentieren können", ergänzt Eduardo Ros, ebenfalls vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR).

Im Vergleich zu allen bisherigen hochauflösenden Beobachtungen wird der in Centaurus A gestartete Jet mit einer zehnfach höheren Frequenz und sechzehnfach schärferen Auflösung abgebildet. Mit dem Auflösungsvermögen des EHT können nun die gewaltigen Ausmaße der Quelle dargestellt werden, deren großskalige Struktur eine Gesamtausdehnung vom 16-fachen Durchmesser des Mondes am Himmel entspricht. Im Gegensatz dazu erfolgt der Ursprung des Jets in der Nähe des zentralen Schwarzen Lochs in einem Bereich von gerade einmal der scheinbaren Größe eines Apfels auf dem Mond. Das entspricht insgesamt einem Vergrößerungsfaktor von einer Milliarde (1 000 000 000 oder 109).

Zum Verständnis von Jets

Supermassereiche Schwarze Löcher, die sich im Zentrum von Galaxien wie Centaurus A befinden, ernähren sich von Gas und Staub, die von ihrer enormen Anziehungskraft angezogen werden. Bei diesem Prozess werden gewaltige Mengen an Energie freigesetzt, und man sagt, dass die Galaxie "aktiv" wird. Die meiste Materie, die sich in der Nähe des Randes des Schwarzen Lochs befindet, fällt hinein. Einige der umgebenden Teilchen entkommen jedoch kurz vor dem Einfangen und werden weit hinaus ins All geblasen: dabei entstehen Jets, die eine der geheimnisvollsten und energiereichsten Eigenschaften von Galaxien darstellen.

Astronomen versuchen mit unterschiedlichen Modellen zu erklären, wie sich Materie in der Nähe des Schwarzen Lochs verhält. Aber sie wissen immer noch nicht genau, wie die Jets aus der Zentralregion der Galaxien gestartet werden und wie sie sich über Skalen erstrecken, die ein gutes Stück größer sein können als die Galaxien selbst. Mit dem EHT soll dieses Rätsel gelöst werden.

Das neue Bild zeigt, dass der aus dem Inneren von Centaurus A gestartete Jet an den Rändern heller ist als im Zentrum. Dieses Phänomen ist von anderen Jets bekannt, wurde aber noch nie so ausgeprägt gesehen. "Jetzt können wir alle theoretischen Jet-Modelle ausschließen, die diese Randaufhellung nicht reproduzieren können. Es ist ein auffälliges Beobachtungsmerkmal, das uns helfen wird, Jets, die von Schwarzen Löchern erzeugt werden, besser zu verstehen", sagt Matthias Kadler, Leiter des TANAMI-Programms und Professor für Astrophysik an der Universität Würzburg.

Zukünftige Beobachtungen

Mit den neuen EHT-Beobachtungen der Zentralregion von Centaurus A wurde die wahrscheinliche Position des Schwarzen Lochs am Startpunkt des Jets identifiziert. Basierend auf dieser Erkenntnis sagen die Forscher voraus, dass zukünftige Beobachtungen bei noch kürzerer Wellenlänge und höherer Auflösung in der Lage sein werden, das zentrale Schwarze Loch von Centaurus A abbilden zu können.

"Diese Daten stammen aus der gleichen Beobachtungskampagne, die das berühmte Bild des Schwarzen Lochs in M87 lieferte. Die neuen Ergebnisse zeigen, dass das EHT eine Fundgrube für Daten über die reiche Vielfalt von Schwarzen Löchern darstellt", sagt Heino Falcke, EHT-Vorstandsmitglied und Professor für Astrophysik an der Radboud-Universität Nijmegen.

Anton Zensus, Direktor am MPIfR und Gründungsvorsitzender der EHT-Kollaboration, ist zuversichtlich: "Das EHT ermöglicht uns nicht allein einen Blick auf die Schatten von Schwarzen Löchern. Es untersucht auch den Ursprung der riesigen Materiejets in Galaxien. Relativität und Magnetfelder wirken zusammen in den Jets, die aus der direkten Umgebung des Schwarzen Lochs hervorgehen. Wir konzentrieren unsere Forschung jetzt verstärkt auf die Magnetfelder in den Herzen von Radiogalaxien und Quasaren. Ich bin sicher, dass wir die dafür nötigen verbesserten Methoden zur Auswertung der neuen Beobachtungen bald beherrschen werden."

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Abb. 2: Das Atacama Pathfinder Experiment (APEX), betrieben in einer Kollaboration von MPIfR, ESO und OSO, ist eines der acht Submillimeter-Radioteleskop, die bei den Beobachtungen von Centaurus A im Rahmen der 2017er Beobachtungskampagne zum Einsatz kamen.

 

Zusätzliche Informationen:
Um die Galaxie Centaurus A mit dieser beispiellos scharfen Auflösung bei einer Wellenlänge von 1,3 mm zu beobachten, nutzte die Event-Horizon-Teleskop- (EHT) Kollaboration die Very Long Baseline Interferometry (VLBI), also dieselbe Technik, mit der auch das berühmte Bild des Schwarzen Lochs in M87 gemacht wurde. Ein Zusammenschluss von acht Teleskopen auf der ganzen Welt (ALMA und APEX (Chile), IRAM-30m (Spanien), JCMT und SMA (Hawaii), LMT (Mexiko), SMT (Arizona) und das SPT am Südpol) schlossen sich zusammen, um mit dem EHT ein virtuelles Radioteleskop von Erdgröße zu schaffen, das später durch NOEMA (Frankreich), GLT (Grönland) und KPT (Arizona) erweitert wurde. An der EHT-Kollaboration sind mehr als 300 Forscher aus Afrika, Asien, Europa, Nord- und Südamerika beteiligt.

Das EHT-Konsortium besteht aus 13 beteiligten Instituten: Academia Sinica Institute of Astronomy and Astrophysics, University of Arizona, University of Chicago, East Asian Observatory, Goethe-Universität Frankfurt, Institut de Radioastronomie Millimétrique (MPG/CNRS/IGN), Large Millimeter Telescope, Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR), MIT Haystack Observatory, National Astronomical Observatory of Japan, Perimeter Institute for Theoretical Physics, Radboud-Universität Nijmegen und Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian.

Das EHT wird durch erhebliche internationale Investitionen und ein großes Engagement des MPIfR seit den 1990er Jahren bei der Entwicklung der Millimeter-VLBI-Technik unterstützt.  Zusätzliche Mittel kamen durch das ERC-geförderte Projekt "Black Hole Camera", mit Michael Kramer, Direktor am MPIfR, als einem von drei Projektleitern.  Ein neues ERC-Projekt mit dem Titel "Mapping Magnetic Fields with INterferometry Down to Event hoRizon Scales" (M2FINDERS) unter der Leitung von Anton Zensus/MPIfR (Förderkennzeichen 101018682) wird in den nächsten Jahren die Rolle von Magnetfeldern in der Nähe von Schwarzen Löchern untersuchen und sich dabei auf Beobschtungen von mehreren Radiogalaxien und Quasaren bei Millimeter-Wellenlängen mit dem EHT und dem Global mm-VLBI Array konzentrieren, darunter Centaurus A.

Das Atacama Pathfinder Experiment (APEX), das bei den bahnbrechenden Beobachtungen von Centaurus A aus dem Jahr 2015 und bei den hier vorgestellten Arbeiten eine wesentliche Rolle gespielt hat, ist eine Zusammenarbeit zwischen dem MPIfR, dem Onsala Space Observatory (OSO) und der Europäischen Südsternwarte (ESO) zum Bau und Betrieb einer modifizierten Prototyp-Antenne von ALMA (Atacama Large Millimeter Array) als Einzelschüssel auf dem Chajnantor-Plateau in 5.100 Metern Höhe (Atacama-Wüste, Chile). Gefertigt wurde das Teleskop von der Firma VERTEX Antennentechnik in Duisburg, Deutschland. Der Betrieb des Teleskops ist der ESO anvertraut.

TANAMI (Tracking Active Galactic Nuclei with Austral Milliarcsecond Interferometry) ist ein astronomisches Multiwellenlängenprogramm zur Beobachtung relativistischer Jets in aktiven galaktischen Kernen am Südhimmel.  Dieses Programm hat Centaurus A seit Mitte der 2000er Jahre mit VLBI bei Zentimeter-Wellenlängen systematisch erforscht. Das TANAMI-Netzwerk besteht aus neun Radioteleskopen auf vier Kontinenten, die Beobachtungen bei Wellenlängen von 4 cm und 1,3 cm durchführen.

Die nachfolgend genannten 34 Forscher mit MPIfR-Affiliation sind Ko-autoren der Veröffentlichung (in der Reihenfolge der Autorenliste aufgeführt): Michael Janßen, Eduardo Ros, Thomas Krichbaum, Jun Liu, Cornelia Müller, Walter Alef, Rebecca Azulay, Anne-Kathrin Baczko, Silke Britzen, Ralph P. Eatough, Ramesh Karuppusamy, Dong-Jin Kim, Jae-Young Kim, Michael Kramer, Rocco Lico, Kuo Liu, Andrei P. Lobanov, Ru-Sen Lu, Nichola Marchili, Karl M. Menten, Nicholas R. MacDonald, Aristeidis Noutsos, Gisela N. Ortiz-León, Felix M. Pötzl, Helge Rottmann, Alan L. Roy, Tuomas Savolainen, Lijing Shao, Pablo Torné, Efthalia Traianou, Jan Wagner, Norbert Wex, Robert Wharton, und J. Anton Zensus.

Detaillierte Beschreibung von Abb. 1:

Darstellung unterschiedlicher Entfernungsskalen in der Radiostrahlung von Centaurus A. Das Bild oben links zeigt den äußeren Bereich, in dem sich der Jet in Gaswolken auflöst, die Radiowellen aussenden. Die Radiodaten wurden mit dem Australia Telescope Compact Array (ATCA) und dem Parkes-Teleskop in Australien aufgenommen. Das Bild oben rechts zeigt ein Farbkompositbild aus unterschiedlichen Wellenlängen, im Vergleich zum ersten Bild 40-fach vergrößert. Die Submillimeter-Emission des Jets und des Staubs in der Galaxie, gemessen mit dem LABOCA-Instrument am APEX-Teleskop, ist in orange dargestellt. Die Röntgenemission des Jets, gemessen von der Raumsonde Chandra, ist in blau dargestellt. Das sichtbare weiße Licht der Sterne in der Galaxie wurde vom 2,2-Meter-Teleskop MPG/ESO aufgenommen. Die nächste Tafel unten zeigt ein 165.000-fach vergrößertes Bild des inneren Radiojets, aufgenommen mit den TANAMI-Radioteleskopnetzwerk.

Das untere Feld zeigt schließlich das neue Bild der Jet-Startregion, aufgenommen mit dem EHT-Teleskopnetzwerk bei Millimeterwellenlängen, das einem Zoom-Faktor von 60.000.000 in der Teleskopauflösung entspricht. Die Balken zur Skalierung sind in Lichtjahren bzw. Lichttagen angegeben. Ein Lichtjahr entspricht der Entfernung, die das Licht innerhalb eines Jahres zurücklegt: etwa neun Billionen Kilometer. Im Vergleich dazu beträgt die Entfernung zum nächstgelegenen bekannten Stern von unserer Sonne etwa vier Lichtjahre. Ein Lichttag entspricht der Entfernung, die das Licht innerhalb eines Tages zurücklegt: etwa das Sechsfache der Entfernung zwischen Sonne und Neptun.

 

 

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