Herantasten ans schwarze Loch

Es geht weiter in Richtung der direkten Kartierung des Schattens um das schwarze Loch im Zentrum der Milch­straße. Hierzu haben Forscher das APEX-Teleskop in Chile mit speziellen Zusatz­geräten technisch aufgerüstet, um inter­fero­metrische Beobachtungen bei einer Wellen­länge von nur 1,3 Millimetern durchzuführen. Die Teil­nahme von APEX am Event-Horizon-Teleskop (EHT) enthüllt neue Details in der Struktur der Radio­quelle Sagittarius A* (Sgr A*) im Herzen der Milch­straße. Mit APEX im EHT-Verbund verdoppelt sich die Winkel­auflösung. Damit zeigt die Quelle eine asymmetrische und nicht punkt­förmige Helligkeits­verteilung mit Details von nur noch 36 Millionen Kilo­metern oder drei Schwarz­schild­radien Größe.

Astronomen sind auf der Jagd nach harten Beweisen für die Gültigkeit der Einsteinschen Allgemeinen Relativitäts­theorie. Dazu gehört die direkte Abbildung des Schattens eines schwarzen Lochs. Die Zusammen­schaltung von Radio­teleskopen, die über den ganzen Erd­ball verteilt sind, macht dies möglich mittels VLBI (very long baseline interferometry). 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 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 Kilo­metern 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). „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 Sgr A* (minus 29 Grad Deklination). APEX ist auch der Wegbereiter für die Teilnahme des großen und extrem empfindlichen ALMA-Teleskops 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 1,3-Millimeter-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 vorher 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 befindendem 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 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.”

MPIfR / DE