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Astronomie+Physik

Neuer Blick auf Centaurus A

Cen A
Galaxie Centaurus A und ihr Radiojet. (Bild: Radboud University; ESO/WFI; MPIfR/ESO/APEX/A. Weiss et al.; NASA/CXC/CfA/R. Kraft et al.; EHT/M. Janssen et al.)

Der erdumspannende Teleskopverbund der Event-Horizon-Kollaboration hat ein weiteres Schwarzes Loch anvisiert: Das besonders im Radiowellenbereich „laute“ Zentrum der rund 13 Millionen Lichtjahre entfernten Galaxie Centaurus A. Zwar reicht die Auflösung des Teleskopverbunds nicht aus, um das Schwarze Loch selbst abzubilden, dafür zeigen die Aufnahmen dessen Jet in bisher unerreichter Auflösung. Zu sehen ist unter anderem, dass seine Merkmale gut mit denen der Ströme aus Strahlung und Teilchen am viel größeren Schwarzen Loch M87* übereinstimmen, aber auch, dass die Ränder des Jets die meiste Radiostrahlung abgeben. Das stellt eine Reihe theoretischer Modelle zur Funktionsweise der Jets in Frage.

Wenn aktive Schwarze Löcher Materie verschlingen, erzeugen sie dabei häufig gewaltige Jets aus hoch beschleunigten Teilchen und Strahlung. Diese rasen mit nahezu Lichtgeschwindigkeit ins All hinaus und transportieren Energie und Materie über riesige Entfernungen – oft weit über die Ursprungsgalaxie des Schwarzen Lochs hinaus. Doch wie und wo diese Ströme aus Strahlung und Teilchen genau entstehen und woher ihre enormen Energien stammen, ist unklar. Auch welche Unterschiede es zwischen verschiedenen Arten von Schwarzen Löchern in Bezug auf ihre Jets gibt, ist bislang erst in Teilen bekannt, weil meist hochauflösende Aufnahmen und Daten fehlen. An diesem Punkt kommt das Event-Horizon-Teleskop (EHT) ins Spiel: Weil die Auflösung seiner mittels Interferometrie zusammengekoppelten Radioteleskope der einer erdgroßen Antenne entspricht, kann es selbst ferne Jets genauer abbilden als alle Teleskope vor ihm.

Jets von Centaurus A im Blick

Eines der Objekte, die das EHT im Rahmen seiner Beobachtungen ins Visier genommen hat, ist das Schwarze Loch im Zentrum der rund 13 Millionen Lichtjahre entfernten Galaxie Centaurus A. Ihr aktiver Galaxienkern wurde schon im 1949 als eine der ersten und stärksten kosmischen Radioquellen identifiziert. „Centaurus A ist die erdnächste laute Radioquelle“, erklären Michael Janssen vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn und seine Kollegen. Deshalb wurde sie schon in nahezu allen elektromagnetischen Wellenlängen untersucht. Aus diesen Daten weiß man, dass das Schwarze Loch im Zentrum der Galaxie etwa 55 Millionen Sonnenmassen schwer sein muss. „Damit liegt es in Bezug auf Masse und Akkretionsrate zwischen dem supermassereichen Schwarzen Loch in der Galaxie M 87 mit sechseinhalb Milliarden Sonnenmassen und dem in unserem galaktischen Zentrum mit rund vier Millionen Sonnenmassen“, so die Astronomen. Aus den früheren Beobachtungen war zudem bekannt, dass Centaurus A* wie M87* einen Jet produziert.

Diesen Jet und seinen möglichen Ursprungsort haben Janssen und sein Team mithilfe des Event-Horizon-Teleskops beobachtet. Dafür nutzten sie die Daten von acht Radioteleskopen, die primär auf der Südhalbkugel der Erde liegen und damit freien Blick auf Centaurus A haben. Unter ihnen waren der Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) und das Atacama Pathfinder Experiment (APEX) in Chile, das James Clerk Maxwell Telescope auf Hawaii und das South Pole Telescope in der Antarktis. Die Teleskope richteten ihre Antennen in einer konzertierten Aktion am 10. April 2017 sechs Stunden lang auf Centaurus A und fingen Radiostrahlung im Bereich um 1,3 Millimeter Wellenlänge ein. Aus der Verarbeitung ihrer Daten resultieren nun die bisher präzisesten Radioaufnahmen des Jets von Centaurus A.

Centaurus A
Virtueller Zoom: Auflösungen vorheriger Aufnahmen von Centaurus A und EHT-Aufnahme im Vergleich. (Bild: Radboud University; CSIRO/ATNF/I.Feain et al., R.Morganti et al., N.Junkes et al.; ESO/WFI; MPIfR/ESO/APEX/A. Weiss et al.; NASA/CXC/CfA/R. Kraft et al.; TANAMI/C. Mueller et al.; EHT/M. Janssen et al.)

Auffällig hellere Ränder

Die neuen Aufnahmen zeigen Centaurus A mit einer nominellen Auflösung von 25 Mikrobogensekunden – 16-fach höher als bei früheren Aufnahmen – und einer zehnfach höheren Frequenz. „Dies erlaubt uns zum ersten Mal, einen extragalaktischen Radiojet auf Skalen zu untersuchen, die kleiner sind als die Entfernung, die das Licht an einem Tag zurücklegt. Wir sehen hautnah, wie ein ungeheuer gewaltiger Jet, ausgehend von einem supermassereichen Schwarzen Loch, geboren wird“, sagt Janssen. Die Bilder zeigen, dass einer der beiden Jets nach Nordosten gerichtet ist und schräg auf uns zuläuft. Deutlich schwacher ist der nach Südwesten gerichtete Gegenjet zu erkennen. In seiner grundsätzlichen Struktur und den Hauptmerkmalen stimmt der Jet von Centaurus A mit dem des deutlich massereicheren Schwarzen Lochs M87* überein. „Mit unseren Beobachtung demonstrieren wir somit, dass die fundamentalen Beziehungen für die Aktivität und die Jets Schwarzer Löcher für Objekte beider Größenordnungen gültig sind“, berichten die Astronomen.

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Besonders interessant ist dabei ein Merkmal, dass beide Jets zeigen: Auch der aus dem Zentrum von Centaurus A hervorschießende Jet ist an den Rändern heller als im Zentrum. Dieses Phänomen wurde schon bei anderen Jets beobachtet, aber noch nie in diesem Detail abgebildet. „Jetzt können wir alle theoretischen Jet-Modelle ausschließen, die diese Randaufhellung nicht reproduzieren können. Es ist ein auffälliges Beobachtungsmerkmal, das uns helfen wird, Jets, die von Schwarzen Löchern erzeugt werden, besser zu verstehen“, sagt Co-Autor Matthias Kadler von der Universität Würzburg. Die Aufnahmen des EHT geben auch einen ersten näheren Hinweis auf die Lage des Schwarzen Lochs von Centaurus A. Janssen und sein Team konnten den Ursprung der Jets zu einer Region zurückverfolgen, die von uns aus gesehen nur so groß ist wie ein Apfel auf dem Mond. Gleichzeitig legen ihre Daten nahe, dass der Schatten dieses supermassereichen Schwarzen Lochs bei Radiofrequenzen von wenigen Terahertz und mit einem Teleskopverbund, der auch ein orbitales Radioteleskop umfasst, sichtbar werden könnte.

Quelle: Michael Janssen (Max-Planck-Institut für Radioastronomie, Bonn) et al., Nature Astronomy, doi: 10.1038/s41550-021-01417-w

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