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Astronomie+Physik

Erster Blick auf Magnetfelder am Schwarzen Loch

Schwarzes Loch
Lichtring um M87*, die dunklen Linien zeigen die Polarisation. (Bild: EHT Collaboration)

Im April 2019 sorgte das erste Foto eines Schwarzen Lochs für weltweites Aufsehen. Jetzt zeigt das Event Horizon Telescope (EHT) weitere Details des supermassereichen Schwarzen Lochs im Zentrum der Galaxie M87. Denn erstmals haben die Astronomen auch die Polarisation des Lichts gemessen, das direkt am Rand des Schwarzen Lochs frei wird. Diese Schwingungsrichtung des Lichts liefert wertvolle Informationen über die Magnetfelder im Umfeld eines solchen Schwerkraftgiganten und könnte erklären, wie es dieser aktive Galaxienkern schafft, extrem energiereiche Strahlen- und Materiejets zu erzeugen.

Die Galaxie Messier 87, kurz M87, liegt rund 55 Millionen Lichtjahre von uns entfernt im Zentrum des Virgo-Galaxienhaufens. Schon früh fiel sie Astronomen wegen ihrer intensiven Strahlung im Radio- und Röntgenbereich auf. Diese Strahlung geht von der schnell rotierenden Akkretionsscheibe aus leuchtendem Plasma aus, die um das aktive supermassereiche Schwarze Loch im Zentrum der Galaxie kreist. Die Wechselwirkungen dieser Materie mit dem Schwarzen Loch setzen enorme Mengen an Energie frei, die unter anderem zwei Ströme aus Strahlung und beschleunigten Teilchen antreibt, die senkrecht zur Ebene der Akkretionsscheibe aus der Galaxie hinausrasen und mindestens 5000 Lichtjahre weit ins All hinausreichen. Wie solche Jets zustande kommen, ist jedoch bislang kaum geklärt.

Was die Polarisation des Lichts verrät

Mehr Aufschluss darüber könnten nun neue Daten des Event Horizon Telescope liefern. Schon die ersten Aufnahmen dieses erdumspannenden Zusammenschlusses von acht Teleskopen zeigten im April 2019 einzigartige Ansichten der hellen, ringförmigen Akkretionsscheibe um den dunklen Schatten des Schwarzen Lochs. Weitere Daten enthüllten im Jahr 2020, dass sich der helle Ring um das Schwarze Loch im Laufe der Zeit ein wenig verändert – seine hellste Stelle wandert um den Ring herum und auch die Position schwankt leicht. Seither haben die Astronomen der EHT-Kollaboration das Herz der Galaxie M87 weiter mit ihren gekoppelten Teleskopen anvisiert. Die Auflösung des EHT entspricht dabei der, die benötigt wird, um die Länge einer Kreditkarte auf der Oberfläche des Mondes zu messen.

Ziel der aktuellen Beobachtungen war es, die Polarisation des Lichts zu messen, das vom hellen Lichtring um das Herz von M87 ausgeht. Als Polarisation bezeichnet man die Richtung, in der die Lichtwellen schwingen. Während diese normalerweise relativ ungeordnet ist, können äußere Einflüsse oder bestimmte Lichtquellen die Wellen quasi gleichrichten und das Licht so polarisieren. In der Technik geschieht dies meist durch Filter, im Kosmos können aber auch starke Magnetfelder die Polarisation des Lichts beeinflussen. Die Messung der Polarisation im Lichtring von M87 kann daher wertvolle Aufschlüsse darüber geben, ob und wie das Umfeld des Schwarzen Lochs magnetisiert ist. „Diese Arbeit ist ein wichtiger Meilenstein: Die Polarisation des Lichts birgt Informationen, die es uns erlauben, die Physik hinter dem Bild, das wir im April 2019 gesehen haben, besser zu verstehen. Das war vorher nicht möglich“, erklärt Ivan Marti-Vidal von der Universität von Valencia in Spanien. „Die Erstellung dieses neuen Polarisationsbildes erforderte jahrelange Arbeit, weil die Gewinnung und Analyse der Daten mit komplexen Techniken verbunden war.“

Starke Magnetfelder am Schwarzen Loch

Jetzt liegen die Ergebnisse vor: Die Aufnahmen des EHT enthüllen, dass ein signifikanter Anteil des Lichts um das schwarze Loch von M87 linear polarisiert ist. Dabei ist die Polarisation in einer Region im südwestlichen Teil des Lichtrings am deutlichsten, wie die Astronomen berichten. Sie verläuft dort nahezu azimutal – in Richtung des Rings. Es ist das erste Mal, dass Astronomen die Polarisation und damit eine Signatur von Magnetfeldern so nah am Rand eines schwarzen Lochs messen konnten. „Die neu veröffentlichten polarisierten Bilder sind der Schlüssel zum Verständnis, wie das Magnetfeld es dem Schwarzen Loch ermöglicht, Materie zu verschlingen“, sagt EHT-Mitglied Andrew Chael vom Princeton Center for Theoretical Science. Denn die Ausrichtung und Stärke der Polarisation spiegelt die Merkmale der Magnetfeldlinien wider und diese wiederum liefern Informationen über das Wechselspiel zwischen einströmender und herausgeschleuderter Materie am Schwarzen Loch.

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Die Beobachtungen sind auch ein Schlüssel zu der Frage, wie Galaxie M87 in der Lage ist, so energetische Jets aus ihrem Kern auszustoßen. Wie die Forscher mithilfe von Modellierungen ermittelten, muss das Gas am Ereignishorizont des Schwarzen Lochs stark magnetisiert sein, um das beobachtete Polarisationsmuster zu erklären. „Die Beobachtungen legen nahe, dass die Magnetfelder am Rand des schwarzen Lochs stark genug sind, um das heiße Gas zurückzudrängen und ihm zu helfen, der Schwerkraft zu widerstehen. Nur das Gas, das durch das Magnetfeld schlüpft, kann sich spiralförmig nach innen zum Ereignishorizont bewegen“, erklärt Jason Dexter von der University of Colorado in Boulder. Die Interaktion des heißen Plasmas mit dem starken Magnetfeld könnte die Triebkraft für die weit ins All hinausreichenden Jets sein. „Wir sehen jetzt das nächste entscheidende Puzzleteil für das Verständnis, wie sich Magnetfelder um Schwarze Löcher herum verhalten und wie die Aktivität in diesen sehr kompakten Regionen des Weltraums starke Jets antreiben kann, die sich weit über die Galaxie hinaus erstrecken“, sagt Monika Mościbrodzka von der Radboud Universität in den Niederlanden.

Noch hat die Erforschung der Magnetfelder um M87 erst begonnen und auch das Event Horizon Telescope wird diesen Galaxienkern weiterhin im Visier behalten. „Das EHT macht rasante Fortschritte, das Netzwerk wird technologisch aufgerüstet und neue Observatorien werden hinzugefügt. Wir erwarten, dass zukünftige EHT-Beobachtungen die Magnetfeldstruktur um das Schwarze Loch genauer abbilden und uns mehr über die Physik des heißen Gases in dieser Region verraten werden“, schließt EHT-Kollaborationsmitglied Jongho Park vom Academia Sinica Institute of Astronomy and Astrophysics in Taipeh.

Quelle: EHT Kollaboration, The Astrophysical Journal, doi: 10.3847/2041-8213/abe71e; doi: 10.3847/2041-8213/abe4de

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