Wo entspringt der Jet von M87?

Einige Galaxien stoßen aus ihrem Zentrum mächtige Ströme geladener Teilchen in den Weltraum hinaus. Der markante Jet von Messier 87 (M87) im Sternbild Jungfrau ist über 3000 Lichtjahre hinweg sichtbar und lässt sich über das gesamte elektromagnetische Spektrum beobachten. Er wird von der zentralen Maschine im Herzen der Galaxie angetrieben: dem extrem massereichen Schwarzen Loch, das etwa sechs Milliarden Sonnenmassen aufweist. Der genaue Ort, an dem Jets im galaktischen Kern entstehen, ist noch unbekannt. Mit Daten des Event Horizon Telescope (EHT) aus dem Jahr 2021 hat ein internationales Forschungsteam unter der Leitung von Herrn Saurabh (Max-Planck-Institut für Radioastronomie, MPIfR), Hendrik Müller (National Radio Astronomy Observatory, NRAO) und Sebastiano von Fellenberg (ehemals MPIfR, derzeit am Canadian Institute for Theoretical Astrophysics, CITA) erste Hinweise auf die Basis des Jets in M87 gefunden.

Bei 230 GHz (unten) zeigen die Daten des EHT die Struk­tur des Rings, der M87* umgibt. Der Ring al­lein kann die ge­sam­te Emis­sion, die auf größe­ren Ska­len ge­mes­sen wur­de, nicht er­klä­ren. Eine kom­pak­te Struk­tur lie­fert die beste Er­klärung für die feh­len­de Emis­sion. Ihre Po­si­tion stimmt mit der süd­li­chen Kom­po­nen­te des Jets über­ein, die bei 86 GHz (oben rechts) in Be­ob­ach­tung­en aus dem Jahr 2018 zu sehen ist.

Quelle: MPIfR / R.-S. Lu et al. (2023) / Saurabh et al. (2026)

Very Long Baseline Interferometry (VLBI) kann kleinste Strukturen – wie den leuchtenden Ring um M87* – abbilden. Kurze Inter­fe­ro­me­trie-Basis­linien von einigen hundert Metern zeigen hingegen Strahlung von viel ausgedehnteren Strukturen, beispielsweise den Jet. Dafür bleiben ihnen Details in der Nähe des Schwarzen Lochs verborgen. Mittellange Basislinien mit einigen hundert bis einigen tausend Kilometern sind das wichtige Bindeglied. Mit ihnen lässt sich eine Verbindung zwischen dem Material um das Schwarze Loch und dem Jet herstellen. Genau diese mittellangen Basislinien ermöglichten es dem Forschungsteam jetzt, die wahrscheinliche Position der Jet-Basis zu bestimmen. „Diese Studie ist ein erster Schritt, um theoretische Ideen über den Ursprung von Jets mit direkten Beobachtungen zu verbinden. Das Identifizieren der möglichen Basis des Jets und seiner Verbindung zum Schatten des Schwarzen Lochs fügt ein wichtiges Puzzleteil hinzu und ermöglicht es, die Funktionsweise der zentralen Maschine besser zu verstehen“, erklärt Saurabh.

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Die Forschenden finden Hinweise auf die Basis des Jets, indem sie die Intensität der Radiostrahlung auf verschiedenen räumlichen Skalen vergleichen: Auf kurzen bis mittellangen Basislinien ist die gemessene Intensität höher als auf langen Basislinien. Das bedeutet, dass das, was mit langen Basislinien beobachtet wird – der leuchtende Ring aus heißem Gas um das Schwarze Loch – nicht allein für die gemessene Radiostrahlung verantwortlich ist. Die aktuellen Daten zeigen nun, dass ein Teil der fehlenden Strahlung auf mittellange Basislinien entfällt. Eine mögliche Erklärung ist der Jet, der mit dem EHT bei einer Radiofrequenz von 230 Gigahertz bisher noch nicht beobachtet wurde.

Bei den EHT-Beobachtungen aus den Jahren 2017 und 2018 fehlten die mittellangen Basislinien, um einen Jet zu erkennen. Mit den kürzlich veröffentlichten Daten konnte Saurabhs Team jedoch mit zahlreichen Modellrechnungen zeigen, dass sich ein Teil der fehlenden Strahlung am besten durch eine zusätzliche kompakte Region erklären lässt. Aus unserer Perspektive ist diese etwa 0,09 Lichtjahre von M87* entfernt und gehört zur Basis des Jets. Die Position der kompakten Region scheint mit dem südlichen Arm eines Radiojets übereinzustimmen, den Forschende im Jahr 2018 bei einer anderen Frequenz (86 GHz) entdeckten. „Wir haben den inneren Teil des Jets von M87 viele Jahre lang mit globalen VLBI-Experimenten beobachtet, wobei die Auflösung immer weiter verbessert wurde, und schließlich gelang es uns 2019, den Schatten des Schwarzen Lochs aufzulösen. Es ist erstaunlich zu sehen, dass wir diese bahnbrechenden Beobachtungen über mehrere Frequenzen hinweg allmählich kombinieren können und sich das Bild der Region, aus der der Jet startet, vervollständigt“, sagt Müller.

Die aktuelle Studie zeigt, dass diese interessanten Strukturen um M87* sichtbar werden, wenn man bei Radiofrequenzen von 230 GHz mittellange Basislinien verwendet. Allerdings sind weitere Beobachtungen mit dem EHT erforderlich, um die Form des Jets genauer zu bestimmen. Mit diesen Daten werden sich dann Strukturen wie die Jet-Basis nicht nur ableiten, sondern direkt abbilden lassen. Das eröffnet wiederum neue Möglichkeiten, die unmittelbare Umgebung extrem massereicher Schwarzer Löcher zu untersuchen und Theorien zur Physik Schwarzer Löcher zu überprüfen. „Neue Beobachtungen, die derzeit mit Unterstützung des MPIfR korreliert und kalibriert werden, werden bald durch das Large Millimetre Telescope in Mexiko ergänzt. Dadurch wird eine noch schärfere Sicht auf die Region möglich, aus der der Jet stammt“, sagt von Fellenberg. [MPIfR / dre]