Nahaufnahme eines supermassereichen Schwarzen Lochs in Messier 77

Ein Team von Astro­nom­in­nen und Astro­no­men unter der Lei­tung von For­scher des Max-Planck-Insti­tuts für Astro­no­mie (MPIA) und der Uni­ver­si­ty of Ari­zo­na (UofA) hat mit dem Lar­ge Bino­cu­lar Telescope Inter­fe­ro­me­ter die Quel­len der Infra­rot­strah­lung in der Nähe des super­mas­se­rei­chen Schwar­zen Lochs im Zen­trum der Gala­xie NGC 1086, 47 Mil­lio­nen Licht­jah­re von der Erde ent­fernt, ermit­telt. Sie ent­deck­ten, dass der umge­ben­de staub­rei­che Wind durch die hei­ße zen­tra­le Akkre­ti­ons­schei­be und durch Stö­ße, die durch einen gebün­del­ten Gas­strom erzeugt wer­den, auf­ge­heizt wird. Die­se Erkennt­nis­se und wei­te­re Merk­ma­le stüt­zen das Stan­dard­mo­dell akti­ver galak­ti­scher Ker­ne, das ihre unter­schied­li­chen Erschei­nungs­for­men erklärt.

Akti­ve galak­ti­sche Ker­ne (AGN) sind super­mas­se­rei­che Schwar­ze Löcher im Zen­trum bestimm­ter Gala­xien. Wenn die­se Schwar­zen Löcher Mate­rie anzie­hen, bil­det sich eine schnell rotie­ren­de Schei­be aus hei­ßem Gas, das enor­me Ener­gie­men­gen frei­setzt, bevor es in das Schwar­ze Loch stürzt. Sol­che AGN gehö­ren zu den ener­gie­reichs­ten Phä­no­me­nen, die im Welt­raum beob­ach­tet wer­den. Dadurch beein­flus­sen sie auch Pro­zes­se in ihren Wirts­ga­la­xien. Die Details sind Gegen­stand lau­fen­der Forschung.

Ein Team um den ehe­ma­li­gen MPIA-Stu­den­ten Jacob Isbell, der jetzt Post­doc am Ste­ward Obser­va­to­ry der Uni­ver­si­ty of Ari­zo­na ist, rich­te­te das Lar­ge Bino­cu­lar Telescope (LBT) auf die Gala­xie NGC 1086, auch bekannt als Mes­sier 77, um die win­zi­gen Details in ihrem Zen­trum bei ther­mi­schen Infra­rot­wel­len­län­gen zu unter­su­chen. Die­se Gala­xie ist eine der nächst­ge­le­ge­nen mit einem AGN. Die Beob­ach­tun­gen hat­ten die pas­sen­de räum­li­che Auf­lö­sung, um sich auf die Kom­po­nen­ten zu kon­zen­trie­ren, die die­se Art von Strah­lung aus­sen­den. Die Ergeb­nis­se wur­den nun in Natu­re Astro­no­my veröffentlicht.

Aufschlüsselung der AGN-Komponenten

Die hel­le, hei­ße Schei­be, die das super­mas­se­rei­che Schwar­ze Loch umgibt, gibt viel Licht ab, das den Staub aus­ein­an­der­treibt, als wären die ein­zel­nen Kör­ner win­zi­ge Segel – ein Phä­no­men, das als Strah­lungs­druck bekannt ist. Die Bil­der zei­gen den glü­hen­den Staub, einen war­men, aus­strö­men­den Wind, der durch die­sen Effekt ver­ur­sacht und durch die hei­ße zen­tra­le Schei­be erhitzt wird.

Gleich­zei­tig befin­den sich wei­ter außen grö­ße­re Men­gen von Mate­ri­al, das viel hel­ler ist, als es bei allei­ni­ger Beleuch­tung durch die hel­le Akkre­ti­ons­schei­be hät­te sein dür­fen. Durch den Ver­gleich der neu­en Bil­der mit frü­he­ren Beob­ach­tun­gen bei ver­schie­de­nen Wel­len­län­gen brach­ten die For­scher die­se Ent­de­ckung mit einem gebün­del­ten Strom hei­ßen Gases in Ver­bin­dung, der vom Zen­trum der Schei­be aus­geht. Wäh­rend er durch die Gala­xie schießt, trifft er auf Wol­ken aus mole­ku­la­rem Gas und Staub und erhitzt die­se, was zu dem uner­war­tet hel­len Infra­rot­si­gnal führt. Sol­che soge­nann­ten Jets sind bei Radio­wel­len­län­gen beson­ders hell, wenn sie auf Gas und Par­ti­kel in der Umge­bung der super­mas­se­rei­chen Schwar­zen Löcher treffen.

Ins­ge­samt bestä­tigt das Ergeb­nis das ver­ein­heit­lich­te Stan­dard­mo­dell von akti­ven galak­ti­schen Ker­nen. Es geht von der Kon­fi­gu­ra­ti­on eines super­mas­si­ven Schwar­zen Lochs im Zen­trum einer Gala­xie aus, das Gas und Staub aus der umge­ben­den Wirts­ga­la­xie anzieht und sam­melt, wel­ches sich in einer inne­ren hel­len und hei­ßen Schei­be ansam­melt. Zusätz­lich erschwert eine äuße­re, grö­ße­re Struk­tur aus küh­le­rem, aus­strö­men­dem Mate­ri­al die Sicht. Schließ­lich wird ein inten­si­ver „Gas­jet“ aus dem Zen­trum aus­ge­sto­ßen. Je nach Betrach­tungs­win­kel sind dem Beob­ach­ter unter­schied­li­che Kom­po­nen­ten zuge­wandt. Obwohl die beob­ach­te­ten Merk­ma­le zwi­schen den Objek­ten erheb­lich vari­ie­ren, geht das ver­ein­heit­lich­te Modell davon aus, dass die­se Unter­schie­de auf ähn­li­che Kon­fi­gu­ra­tio­nen von Struk­tu­ren um das super­mas­se­rei­che Schwar­ze Loch zurück­zu­füh­ren sind, die das AGN-Phä­no­men befeuern.

LBT – ein Vorläufer zukünftiger segmentierter Spiegelteleskope

Das LBT befin­det sich auf dem Mount Gra­ham nord­öst­lich von Tuc­son, USA, und betreibt sei­ne bei­den 8,4‑Meter-Spiegel unab­hän­gig von­ein­an­der, sodass es im Wesent­li­chen wie zwei sepa­ra­te, neben­ein­an­der mon­tier­te und par­al­lel aus­ge­rich­te­te Tele­sko­pe funk­tio­niert. Das MPIA ist über die LBT-Betei­li­gungs­ge­sell­schaft, die 25 % der gesam­ten Betriebs­mit­tel bereit­stellt, Mit­glied der LBT Corporation.

Durch die Kom­bi­na­ti­on des Lichts bei­der Spie­gel wird das LBT zu einem bild­ge­ben­den Inter­fe­ro­me­ter (LBTI), das Beob­ach­tun­gen mit einer etwa drei­mal bes­se­ren Detail­schär­fe ermög­licht, als dies mit jedem Spie­gel allein mög­lich wäre. Um die­se hoch­auf­lö­sen­de Abbil­dungs­ma­schi­ne zu sta­bi­li­sie­ren, setzt das LBTI regel­mä­ßig das Vibra­ti­ons­kon­troll­sys­tem OVMS+ ein, das unter der Lei­tung von Jörg-Uwe Pott vom MPIA ent­wi­ckelt wur­de, um die­se anspruchs­vol­len Beob­ach­tun­gen ent­fern­ter Gala­xien zu ermög­li­chen. Die­se Bild­ge­bungs­tech­nik wur­de bereits erfolg­reich zur Unter­su­chung von Vul­ka­nen auf der Ober­flä­che des Jupi­ter­mon­des Io ein­ge­setzt. Die Ergeb­nis­se ermu­tig­ten die For­scher, das Inter­fe­ro­me­ter nun zur Unter­su­chung eines akti­ven galak­ti­schen Kerns einzusetzen.

„Der akti­ve galak­ti­sche Kern in der Gala­xie NGC 1068 ist beson­ders hell, sodass er die per­fek­te Gele­gen­heit bot, die­se Metho­de zu tes­ten“, sag­te Isbell. Es han­delt sich um die bis­her höchst­auf­lö­sen­den Direkt­auf­nah­men eines akti­ven galak­ti­schen Kerns.“ Direkt­auf­nah­men bedeu­tet in die­sem Zusam­men­hang, dass sie die gesam­te schwa­che und dif­fu­se Strah­lung der beob­ach­te­ten Struk­tu­ren abbil­den. Im Gegen­satz dazu wer­den Bil­der von ande­ren Inter­fe­ro­me­tern, wie dem Very Lar­ge Telescope Inter­fe­ro­me­ter (VLTI), aus Berech­nun­gen rekon­stru­iert, bei denen die feh­len­den Bild­in­for­ma­tio­nen inter­po­liert werden.

Durch die Kom­bi­na­ti­on bei­der Spie­gel ent­ste­hen Bil­der direkt auf dem Detek­tor, ähn­lich wie bei Tele­sko­pen mit seg­men­tier­ten Spie­geln, wie dem James Webb Space Telescope (JWST), dem zukünf­ti­gen 25 Meter Giant Magel­lan Telescope (GMT) und dem ent­ste­hen­den 39 Meter Extre­me­ly Lar­ge Telescope (ELT), die bei­de in Chi­le gebaut wer­den. Auf die­se Wei­se haben Isbell und sei­ne Mit­ar­bei­ter die ers­ten ELT-ähn­li­chen Bil­der eines akti­ven galak­ti­schen Kerns auf­ge­nom­men. Dadurch konn­ten sie ein­zel­ne Merk­ma­le von bis zu 20 Licht­jah­ren in einer Ent­fer­nung von 47 Mil­lio­nen Licht­jah­ren sicht­bar machen. Zuvor erschie­nen die ver­schie­de­nen Vor­gän­ge auf­grund der gerin­gen Auf­lö­sung mit­ein­an­der ver­schmol­zen. Jetzt ist es mög­lich, ihre indi­vi­du­el­len Ein­flüs­se zu beobachten.

Ein Test für zukünftige Beobachtungen

Die Stu­die zeigt, dass die Umge­bung von AGN kom­plex sein kann. Die neu­en Erkennt­nis­se hel­fen uns, die kom­pli­zier­ten Wech­sel­wir­kun­gen zwi­schen AGN und ihren Wirts­ga­la­xien zu ver­ste­hen. Bei der Unter­su­chung ent­fern­ter Gala­xien im frü­hen Uni­ver­sum, als die Gala­xien noch jung waren, kön­nen wir nicht den glei­chen Detail­grad erzie­len. Daher stel­len die­se Ergeb­nis­se ein loka­les Gegen­stück zu den Vor­gän­gen in fer­nen Gala­xien dar.

„Die­se Art der Bild­ge­bung kann bei jedem astro­no­mi­schen Objekt ein­ge­setzt wer­den“, so Isbell. “Wir haben bereits damit begon­nen, Schei­ben um Ster­ne und sehr gro­ße, ent­wi­ckel­te Ster­ne zu unter­su­chen, die von stau­bi­gen Hül­len umge­ben sind.“

Hintergrundinformationen

Das MPIA-Team, das an die­ser Stu­die betei­ligt war, bestand aus Jacob W. Isbell (jetzt Ste­ward Obser­va­to­ry, The Uni­ver­si­ty of Ari­zo­na, Tuc­son, USA) und Jörg-Uwe Pott.

Wei­te­re For­scher waren Ste­ve Ertel (Ste­ward Obser­va­to­ry und Lar­ge Bino­cu­lar Telescope Obser­va­to­ry, The Uni­ver­si­ty of Ari­zo­na, Tuc­son, USA), Gerd Wei­gelt (Max-Planck-Insti­tut für Radio­as­tro­no­mie, Bonn, Deutsch­land) und Mar­ko Stalev­ski (Astro­no­mic­al Obser­va­to­ry, Bel­grad, Ser­bi­en und Ster­ren­kun­dig Obser­va­to­ri­um, Uni­ver­si­teit Gent, Belgien).

Die­se Pres­se­mit­tei­lung basiert auf der von der Uni­ver­si­ty of Ari­zo­na ver­öf­fent­lich­ten Version.

MN

Link zur Pres­se­mit­tei­lung des MPIA