29.09.2022

Gaswolke im Schleudergang

Heißer Fleck kreist mit einem Drittel der Lichtgeschwindigkeit um das zentrale schwarze Loch in unserer Milchstraße.

Eine internationale Gruppe von Astrophysikern unter der Leitung von Maciek Wielgus vom Max-Planck-Institut für Radio­astronomie in Bonn hat mit dem in über 5000 Metern Höhe in Chile gelegenen ALMA-Teleskop die unmittelbare Umgebung von Sagittarius A*, dem supermassereichen schwarzen Loch im Zentrum der Milchstraße, untersucht. Sie fanden Anzeichen für einen „Hot Spot“, der die zentrale Quelle in einer sehr engen Umlaufbahn umkreist und nur etwa siebzig Minuten für eine Umrundung benötigt. Diese Entdeckung wird dazu beitragen, die rätselhafte und dynamische Umgebung der Zentralquelle unserer Milchstraße besser zu verstehen.

 

Abb.: Bild des EHT von Sagittarius A*, vom Mai 2022. Eine künstlerische...
Abb.: Bild des EHT von Sagittarius A*, vom Mai 2022. Eine künstlerische Illustration zeigt, wo sich nach der Modellierung der heiße Fleck befinden sollte. (Bild: EHT-Koll., ESO / M. Kornmesser / M. Wielgus)

„Wir vermuten, dass wir es mit einer heißen Gasblase zu tun haben, die Sagittarius A* auf einer Bahn umkreist, die ähnlich groß ist wie die des Planeten Merkur, aber in nur etwa siebzig Minuten eine volle Umkreisung vollzieht. Dies erfordert eine unglaubliche Geschwindigkeit von etwa 30 Prozent der Licht­geschwindigkeit“, sagt Maciek Wielgus vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn, der die Studie geleitet hat.

Die Beobachtungen erfolgten mit ALMA in den chilenischen Anden – einem Radioteleskop, das von der Europäischen Südsternwarte (ESO) mitgetragen wird – und zwar gleichzeitig mit einer Beobachtungs­kampagne der Event-Horizon-Teleskop-Kollaboration (EHT) zur Abbildung schwarzer Löcher. Im April 2017 kombinierte das EHT acht bestehende Radioteleskope auf der ganzen Welt, darunter ALMA, was zu dem kürzlich veröffentlichten ersten Bild von Sagittarius A* führte. Für die Kalibrierung der EHT-Daten verwendeten Wielgus und seine Arbeitsgruppe, die Mitglieder der EHT-Kollaboration sind, ALMA-Daten, die parallel zu den EHT-Beobachtungen von Sagittarius A* aufgezeichnet wurden. Zur Überraschung des Teams fanden sich in den ALMA-Messungen weitere Hinweise auf die Natur des schwarzen Lochs.

Einige der Beobachtungen wurden zufällig kurz nach einem Ausbruch oder Flare von Röntgenenergie aus dem Zentrum unserer Galaxie durchgeführt, der vom NASA-Weltraum­teleskop Chandra entdeckt wurde. Diese Art von Ausbrüchen, die zuvor mit Röntgen- und Infrarot­teleskopen beobachtet wurden, stehen vermutlich mit „Hot Spots“ in Verbindung, heißen Gasblasen, die sehr schnell und nahe am schwarzen Loch kreisen.

„Das wirklich Neue und Interessante ist, dass solche Flares bisher nur in Röntgen- und Infrarot­beobachtungen von Sagittarius A* deutlich zu sehen waren. Hier sehen wir zum ersten Mal einen sehr starken Hinweis darauf, dass umlaufende Hot Spots auch in Radio­beobachtungen vorhanden sind“, sagt Wielgus, der auch am Nicolaus Copernicus Astronomical Centre in Polen sowie in der Black Hole Initiative der Harvard University, USA, tätig ist.

„Vielleicht sind diese bei Infrarot­wellenlängen entdeckten Hot Spots eine Erscheinung desselben physikalischen Phänomens: Wenn sich die im Infraroten strahlenden Hot Spots abkühlen, werden sie bei längeren Wellenlängen sichtbar, wie die, die von ALMA und dem EHT beobachtet werden“, fügt Jesse Vos, Doktorand an der Radboud-Universität in den Niederlanden, hinzu, der ebenfalls an dieser Studie beteiligt war.

Lange Zeit ging man davon aus, dass die Flares durch magnetische Wechselwirkungen in dem sehr heißen Gas entstehen, das in unmittelbarer Nähe von Sagittarius A* kreist. Die neuen Ergebnisse stützen diese Idee. „Jetzt finden wir starke Hinweise auf einen magnetischen Ursprung dieser Flares, und unsere Beobachtungen geben uns einen Hinweis auf die Geometrie des Prozesses. Die neuen Daten sind äußerst hilfreich für die Formulierung einer theoretischen Interpretation dieser Ereignisse“, sagt Mitautorin Monika Mościbrodzka, ebenfalls von der Radboud-Universität.

ALMA ermöglicht es, die polarisierte Radioemission von Sagittarius A* zu untersuchen, die dazu verwendet werden kann, das Magnetfeld des schwarzen Lochs zu identifizieren. Das Team nutzte diese Beobachtungen zusammen mit theoretischen Modellen, um mehr über die Entstehung des Hot Spots und die Umgebung, in die er eingebettet ist, zu erfahren, einschließlich des Magnetfelds um Sagittarius A*. Ihre Untersuchungen liefern stärkere Anhalts­punkte für die Form dieses Magnetfelds als frühere Beobachtungen und helfen den Forschern, die Natur unseres schwarzen Lochs und seiner Umgebung zu entschlüsseln.

Die Beobachtungen bestätigen einige der früheren Entdeckungen, die mit dem Gravity-Instrument am „Very Large Telescope“ (VLT) der ESO gemacht wurden, das im Infraroten beobachtet. Die Daten von Gravity und ALMA deuten beide darauf hin, dass der Strahlungs­ausbruch in einem Gasklumpen entsteht, der mit etwa 30 Prozent der Lichtgeschwindigkeit im Uhrzeigersinn um das schwarze Loch herumwirbelt, wobei dessen Umlaufbahn nahezu von oben erscheint.

„In Zukunft sollten wir in der Lage sein, Hot Spots durch koordinierte Multi­wellenlängen­beobachtungen mit Gravity und ALMA über einen größeren Spektralbereich hinweg zu verfolgen – der Erfolg eines solchen Unterfangens wäre ein echter Meilenstein für unser Verständnis der Physik von Flares im galaktischen Zentrum“, sagt Ivan Marti-Vidal von der Universität Valencia in Spanien, Mitautor der Studie.

Das Team hofft auch, mit dem EHT die umlaufenden Gasklumpen direkt beobachten zu können, um noch näher an das schwarze Loch heranzukommen und mehr darüber zu erfahren. „Hoffentlich können wir eines Tages sagen, dass wir wirklich verstehen, was in Sagittarius A* vor sich geht“, sagt Maciek Wielgus.

„Diese neuen Ergebnisse belegen eindrucksvoll, dass die am Max-Planck-Institut für Radio­astronomie und anderen Instituten durchgeführten Weiter­entwicklungen am ALMA-Teleskop für die Bildgebung mit dem EHT auch Erkenntnisse über die Variabilität solcher Quellen auf Skalen ermöglichen, die so bisher nicht möglich waren”, schließt Anton Zensus, Direktor und Leiter der Forschungs­abteilung „Radio­astronomie / VLBI“ am MPIfR.

MPIfR / DE

 

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