25.01.2022

Virtuelles Radioteleskop mit 193.000 Kilometern Durchmesser

Rekordwinkelauflösung von zwölf Mikrobogensekunden im Radiobereich erreicht.

Ein internationales Forscherteam mit Wissen­schaftlern vom Bonner Max-Planck-Institut für Radio­astronomie hat die aktive Galaxie OJ 287 mit einer Rekordwinkel­auflösung von zwölf Mikro­bogensekunden im Radiobereich kartiert. Das wurde durch die VLBI-Technik ermöglicht, bei der Signale von mehreren Radio­teleskopen miteinander kombiniert werden. Durch die Verbindung von zwölf über die ganze Erde verteilten Radio­observatorien und der Zehn-Meter-Antenne an Bord des russischen Satelliten Spektr-R im Weltraum haben die Forscher ein virtuelles Radio­teleskop mit einem Durchmesser von 193.000 Kilometern realisiert. Damit erfolgte ein Blick in das Herz der Galaxie OJ 287, in dem ein Paar von supermasse­reichen schwarzen Löchern vermutet wird.

Abb.: Der Spektr-R-Satellit des RadioAstron Weltraum-VLBI-Projekts. (Bild: A....
Abb.: Der Spektr-R-Satellit des RadioAstron Weltraum-VLBI-Projekts. (Bild: A. Zakharov, IKI design)

VLBI-Beo­bachtungen der Galaxie OJ 287 wurden bei vier verschiedenen Wellen­längen durchgeführt. Die Beobachtungen mit dem Weltraum-Radioteleskop Spektr-R zusammen mit weiteren erdge­bundenen Teleskopen im Rahmen des RadioAstron-Projekts wurden bei einer Wellenlänge von 1,3 Zentimetern durchgeführt, während zusätzliche VLBI-Beobachtungen bei Wellenlängen von 2, 0,7 und 0,3 Zentimetern nur mit erdge­bundenen Teleskopen durchgeführt wurden. Die resul­tierenden Bilder bei 1,3 Zentimetern Wellenlänge erreichen die hohe Auflösung von etwa zwölf Mikrobogen­sekunden; das entspricht der Größe einer 20-Cent-Münze auf der Oberfläche des Mondes.

Die Galaxie OJ 287 befindet sich in einer Entfernung von fünf Milliarden Lichtjahren von der Erde in Richtung des Sternbilds Krebs. Sie gehört zur Klasse der Blazar-Galaxien, gekenn­zeichnet durch eine starke und variable Emission aus der unmittel­baren Nähe des super­massereichen schwarzen Lochs im Zentrum der Galaxie. Die inter­ferometrischen Aufnahmen bei allen vier Wellenlängen zeigen durchweg mehrere Emissions­knoten in einem stark gekrümmten Plasmastrahl. Die Krümmung des Jets nimmt mit zunehmender Winkel­auflösung und in Richtung des Jet-Ursprungs immer weiter zu. Das stützt die Hypothese eines präze­dierenden Jets, der durch die beiden supermassereichen schwarzen Löcher im Zentrum der Galaxie beeinflusst wird.

Die Analyse der Polarisations­eigenschaften der Radiostrahlung zeigt eine überwiegend toroidale Struktur des Magnetfelds. Das wiederum lässt darauf schließen, dass die innerste radiostrahlende Region von einem schrauben­förmigen Magnetfeld durchzogen ist, in Übereinstimmung mit Modellen zur Entstehung des Jets. Die Untersuchung der spektralen Eigenschaften der Radiostrahlung zeigt, dass das Jetplasma aus Elektronen und Positronen besteht, deren kinetische Energie in etwa mit der Energie des Magnetfelds im Gleichgewicht steht. Wiederholte Injektionen von energie­reicheren Teilchen in das Jet-Plasma stören dieses Gleichgewicht und lassen einige Teile des inneren Jets aufflackern.

OJ 287 ist einer der besten Kandidaten für zwei umeinander rotierende supermassereiche schwarze Löcher in unserer kosmischen Nachbarschaft. Man nimmt an, dass sich das sekundäre Schwarze Loch in diesem System auf einer engen, elliptischen Umlaufbahn befindet, die die Akkretions­scheibe des primären schwarzen Lochs zweimal alle zwölf Jahre durchquert, dabei starke Flares erzeugt und zur Präzession der Rotations­achse des primären schwarzen Lochs führt. „Eine der wichtigsten Fragen im Zusammenhang mit der Entwicklung supermasse­reicher schwarzer Löcher ist zur Zeit, wie das Paar schwarzer Löcher am Ende verschmelzen kann - das „Final Parsec Problem“. Die Theorie besagt, dass der Abstand zwischen den beiden Schwarzen Löchern aufhört zu schrumpfen, nachdem sie Sterne und Gas in der Umgebung komplett verdrängt haben. An diesem Punkt kommt die Gravitations­strahlung ins Spiel und bewirkt, dass sich die beiden schwarzen Löcher immer weiter annähern, bis sie schließlich miteinander verschmelzen“, sagt Andrei Lobanov vom Max-Planck-Institut für Radio­astronomie. Das erwartete binäre System supermasse­reicher schwarzer Löcher in OJ287 ist so nahe, dass es Gravitations­wellen aussenden sollte, die in naher Zukunft mit Pulsar Timing Arrays nachgewiesen werden könnten.

Ein erheblicher Teil der Energie, die über die von den Schwarzen Löchern akkretierte Materie freigesetzt wird, gelangt in die bipolaren und hoch-relativis­tischen Plasmajets. Sie können mit VLBI-Beobachtungen im Detail untersucht werden. „Die beobachtete Fein­struktur der inneren Jet-Region eignet sich sowohl zum Test der Gültigkeit des Modells eines binären Schwarzen Lochs als auch zur Prüfung der Frage, ob die beobachtete Jet-Krümmung auch durch andere Effekte verursacht werden kann, wie etwa spiral­förmige Magnet­felder, oder die rotierende Raumzeit in der Nähe des Schwarzen Lochs“, sagt Thomas Krichbaum. „Die Resultate haben uns geholfen, unser Wissen über die Morphologie der rela­tivistischen Jets in der Nähe der zentralen Antriebs­maschine zu erweitern, die Rolle der Magnetfelder am Fußpunkt der Jets zu bestätigen und weitere Merkmale für die Existenz eines binären schwarzen Lochs tief im Herzen von OJ 287 zu erkennen und zu untersuchen“, sagt Thalia Traianou vom Instituto de Astrofísica de Andalucía.

„Dem Ziel, die höchsten Auflösungen in der Astronomie zu erreichen, sind wir mit der Radio­Astron-Mission und mit unseren Entwicklungen von VLBI im Millimeter­wellenbereich, wie dem „Global mm-VLBI Array“, einen großen Schritt näher gekommen. Unsere Pionierarbeit der letzten Jahrzehnte trägt nun Früchte, wie man bei diesen aufregenden Ergebnissen für OJ 287 sehen kann", schließt J. Anton Zensus, Direktor am MPIfR.

MPIfR / JOL

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