Astronomen entdecken starke Magnetfelder am Rand des zentralen schwarzen Lochs der Milchstraße

"Neue Ansicht des supermassiven Schwarzen Lochs im Herzen der Milchstraße deutet auf ein aufregendes verborgenes Merkmal hin (Bild)

„Vielleicht lauert in Sagittarius A* auch ein Jet, der nur darauf wartet, beobachtet zu werden, was super spannend wäre!“

Astronomen haben den ersten Blick auf polarisiertes Licht und die Magnetfelder gemacht, die Sagittarius A* (Sgr A*) umgeben, das supermassereiche Schwarze Loch im Herzen der Milchstraße.

Die historische Beobachtung mit dem Event Horizon Telescope (EHT) hat gezeigt, dass die sauber geordneten Magnetfelder Ähnlichkeiten mit denen haben, die das supermassereiche Schwarze Loch im Herzen der Galaxie M87 umgeben. Dies ist überraschend, wenn man bedenkt, dass Sgr A* eine Masse hat, die etwa 4,3 Millionen Mal so groß ist wie die Sonne, M87* jedoch viel monströser ist, mit einer Masse, die etwa 6,5 Milliarden Sonnen entspricht.

Die neue EHT-Beobachtung von Sgr A* legt daher nahe, dass starke und gut organisierte Magnetfelder allen Schwarzen Löchern gemeinsam sein könnten. Da die Magnetfelder von M87* außerdem starke Ausflüsse oder „Jets“ antreiben, deuten die Ergebnisse darauf hin, dass Sgr A* einen ganz eigenen versteckten und schwachen Jet haben könnte.

„Dieses neue Bild des Schwarzen Lochs im Zentrum unserer Milchstraße, Sgr A*, sagt uns, dass es in der Nähe des Schwarzen Lochs starke, verdrehte und geordnete Magnetfelder gibt“, sagt Sara Issaoun, Forschungskoleiterin und NASA Hubble Fellowship Program Einstein Fellow am Center for Astrophysics (CfI) in Harvard & Smithsonian sagte gegenüber Space.com: „Eine Zeit lang glaubten wir, dass Magnetfelder eine Schlüsselrolle dabei spielen, wie Schwarze Löcher Materie in leistungsstarke Jets einspeisen und ausstoßen.“

„Dieses neue Bild zeigt zusammen mit einer auffallend ähnlichen Polarisationsstruktur, die im viel größeren und stärkeren Schwarzen Loch M87* zu sehen ist, dass starke und geordnete Magnetfelder entscheidend dafür sind, wie Schwarze Löcher mit dem Gas und der Materie um sie herum interagieren.“

Vergleich des Magnetismus zweier riesiger Schwarzer Löcher

Das EHT besteht aus vielen Teleskopen auf der ganzen Welt, darunter dem Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), die zusammen ein erdgroßes Teleskop bilden.

Im Jahr 2017 hat das EHT das erste Bild eines Schwarzen Lochs und seiner Umgebung aufgenommen und dabei M87* abgebildet, das sich etwa 53,5 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt befindet. Zwei Jahre nachdem dieses Bild im Jahr 2019 der Öffentlichkeit zugänglich gemacht wurde, ermöglichte die EHT-Kollaboration erneut den ersten Blick auf polarisiertes Licht um ein Schwarzes Loch, M87*.

Polarisation entsteht, wenn die Orientierungswellen des Lichts in einem bestimmten Winkel ausgerichtet werden. Die Magnetfelder, die durch Plasma erzeugt werden, das um Schwarze Löcher peitscht, polarisieren das Licht in einem 90-Grad-Winkel zu sich selbst. Das bedeutet, dass Wissenschaftler durch die Beobachtung der Polarisation um M87* erstmals die Magnetfelder um ein Schwarzes Loch „sehen“ konnten.

Im Jahr 2022 folgte die Entdeckung, dass das EHT auch ein supermassereiches Schwarzes Loch abgebildet hatte, das viel näher an der Erde und nur 27.000 Lichtjahre entfernt liegt: Sgr A*, das Schwarze Loch, um das sich die Milchstraße formt.

Nun hat das EHT den Wissenschaftlern endlich ein Bild des polarisierten Lichts und damit der Magnetfelder um dieses supermassereiche Schwarze Loch geliefert.

„Polarisiertes Licht lehrt uns etwas über Magnetfelder, die Eigenschaften des Gases und die Mechanismen, die bei der Nahrungsaufnahme eines Schwarzen Lochs ablaufen“, sagte Issaoun. „Angesichts der zusätzlichen Herausforderungen bei der Abbildung von Sgr A* ist es ehrlich gesagt überraschend genug, dass wir überhaupt ein Polarisationsbild erhalten konnten!“

Diese Herausforderungen traten auf, obwohl Sgr A* näher an der Erde liegt, da die kleinere Größe des supermassereichen Schwarzen Lochs in der Milchstraße dazu führt, dass die Materie, die es mit nahezu Lichtgeschwindigkeit umkreist, schwer abzubilden ist. M87* ist viel größer, was bedeutet, dass das Material bei mehr oder weniger gleicher Geschwindigkeit viel länger braucht, um einen Umlauf zu absolvieren, was es für das EHT einfacher macht, es zu erfassen.

Durch die Überwindung dieser Schwierigkeiten kann nun ein Vergleich zwischen zwei Schwarzen Löchern an den entgegengesetzten Enden des Spektrums supermassereicher Schwarzer Löcher angestellt werden, eines mit der milliardenfachen Masse der Sonne und das andere mit der millionenfachen Masse unseres Sterns. Die erste Schlussfolgerung ist, dass diese Magnetfelder einander bemerkenswert ähnlich sind.

„Diese Ähnlichkeit war besonders überraschend, da M87* und Sgr A* sehr unterschiedliche Schwarze Löcher sind“, sagte Issaoun. „M87* ist ein ganz besonderes Schwarzes Loch: Es hat 6 Milliarden Sonnenmassen, es lebt in einer riesigen elliptischen Galaxie und es stößt einen starken Plasmastrahl aus, der bei allen Wellenlängen sichtbar ist.

„Sgr A* hingegen ist extrem gewöhnlich: Es hat 4 Millionen Sonnenmassen, es befindet sich in unserer gewöhnlichen Spiralgalaxie, der Milchstraße, und es scheint überhaupt keinen Jet zu haben.“

Issaoun erklärte, dass das Team allein durch die Betrachtung des polarisierten Teils des Lichts erwartet hatte, etwas über die unterschiedlichen Eigenschaften der Magnetfelder von M87* und Sgr A* zu erfahren.

„Vielleicht wäre ersterer geordneter und stärker und der andere ungeordneter und schwächer“, fügte Issaoun hinzu. „Da sie aber wieder ähnlich aussehen, ist es nun ganz klar, dass diese beiden verschiedenen Klassen von Schwarzen Löchern eine sehr ähnliche Magnetfeldgeometrie haben!“

Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass eine tiefergehende Untersuchung von Sgr A* bisher unentdeckte Merkmale aufdecken könnte.

New view of the supermassive black hole at the heart of the Milky Way hints at an exciting hidden feature (image)

"Perhaps there is also a jet lurking in Sagittarius A* waiting to be observed, which would be super exciting!"

www.space.com

First Sagittarius A* Event Horizon Telescope Results. VII. Polarization of the Ring - IOPscience

Fortsetzung:

Schießt das supermassereiche Schwarze Loch der Milchstraße einen versteckten Jet aus?

Die Polarisation des Lichts und die sauberen und starken Magnetfelder von Sgr A* sowie die Tatsache, dass sie denen von M87* sehr ähneln, könnten darauf hindeuten, dass unser zentrales Schwarzes Loch bisher ein Geheimnis vor uns verborgen hat.

„Wir gehen davon aus, dass starke und geordnete Magnetfelder direkt mit dem Ausstoß von Jets zusammenhängen, wie wir es bei M87* beobachtet haben“, erklärte Issaoun. „Da Sgr A* ohne beobachteten Jet eine sehr ähnliche Geometrie zu haben scheint, lauert vielleicht auch ein Jet in Sgr A*, der darauf wartet, beobachtet zu werden, was super aufregend wäre!“

Die Astronomen waren nicht sonderlich überrascht, keinen Jet von Sgr A* zu sehen. Das liegt daran, dass M87* von so viel Gas und Staub umgeben ist, dass es jedes Jahr das Äquivalent von zwei bis drei Sonnen verschlingt. Das bedeutet, dass seine Magnetfelder reichlich Material haben, um es zu seinen Polen zu leiten und als Jets auszustoßen.

Sgr A* hingegen verbraucht so wenig Materie, dass es dem Verzehr eines Reiskorns durch einen Menschen alle Million Jahre entspricht. Diese Beobachtungen deuten darauf hin, dass unser supermassereiches Schwarzes Loch möglicherweise immer noch einen Jet besitzt, der nur einfach schwer zu sehen ist.

„Es gibt viele Hinweise auf mögliche Ausflüsse und sogar Jets, die in der Vergangenheit vom Schwarzen Loch angetrieben wurden, doch ein Jet in Sgr A* wurde aufgrund der schwierigen Umgebung des galaktischen Zentrums nie abgebildet“, sagte Issaoun Jet wäre eine wichtige Offenbarung über unser Schwarzes Loch und eine Verbindung zu seiner Geschichte in unserer Milchstraße.“

Sie fügte hinzu, dass der Prozess, der diese Jets auslöst, der energiereichste Mechanismus im gesamten Universum sei und dramatische Auswirkungen auf das Herz von Galaxien habe, indem er beispielsweise das Gas und den Staub für die Geburt von Sternen ausscheide, und das Wachstum und die Entwicklung von Galaxien beeinflusse. Das bedeutet, dass die Entdeckung eines aus Sgr A* austretenden Jets unser Verständnis darüber beeinflussen würde, wie sich die Milchstraße entwickelte und die Form annahm, die Astronomen heute beobachten.

„Es ist so erstaunlich, dass ein so kleiner Kern in einer Galaxie solch große Wirkung haben kann, und alles beginnt am Rand des zentralen Schwarzen Lochs, wo diese Magnetfelder herrschen“, fuhr Issaoun fort. und sagte, dass Wissenschaftler mit diesen beiden polarisierten Bildern sehr unterschiedlicher Schwarzer Löcher nun über überzeugende Beweise dafür verfügen, dass starke Magnetfelder in diesen kosmischen Titanen allgegenwärtig sind.

„Der nächste Schritt“, sagte sie, „beinhaltet herauszufinden, wie diese Geometrie damit zusammenhängt, wie sich diese Systeme bewegen, entwickeln und aufflackern.“

Das EHT wird seine Beobachtungskampagne 2024 Anfang April starten. Die Zusammenarbeit hofft, mehrfarbige Ansichten bekannter Schwarzer Löcher wie M87* und Sgr A* zu erhalten, indem sie in verschiedenen Lichtfrequenzen beobachtet werden.

„Im nächsten Jahrzehnt zielt die EHT-Bemühung der nächsten Generation darauf ab, mehr Teleskope hinzuzufügen, um unseren erdgroßen virtuellen Spiegel auszufüllen und viel häufiger zu beobachten“, fügte Issaoun hinzu. „Mit diesen Erweiterungen des EHT werden wir in der Lage sein, polarisierte Filme von Schwarzen Löchern zu machen und die Dynamik zwischen dem Schwarzen Loch M87* und seinem Jet direkt zu beobachten.“

Darüber hinaus sagte der CFI-Forscher, dass das EHT irgendwann weltraumgestützte Hilfe bei der Beobachtung von Schwarzen Löchern und ihrer Dynamik erhalten könnte. Eine vorgeschlagene Mission, die dabei helfen könnte, ist das Missionskonzept Black Hole Explorer (BHEX), das dem erdbasierten EHT-Array ein einzelnes Weltraumteleskop hinzufügt.

„Es wird angenommen, dass die Rotation von Schwarzen Löchern direkt damit zusammenhängt, warum Magnetfelder in der Nähe des Schwarzen Lochs so aussehen, wie sie aussehen, und wie sie Jets starten können“, schlussfolgerte Issaoun. „Mit BHEX konnten wir die scharfe Photonenringsignatur von Schwarzen Löchern abbilden. Dieser Photonenring kodiert Eigenschaften der Raumzeit um das Schwarze Loch, einschließlich des Spins des Schwarzen Lochs!“

Die Forschungsergebnisse des EHT-Teams wurden am Mittwoch (27. März) in den Astrophysical Journal Letters veröffentlicht."

New view of the supermassive black hole at the heart of the Milky Way hints at an exciting hidden feature (image)

"Perhaps there is also a jet lurking in Sagittarius A* waiting to be observed, which would be super exciting!"

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First Sagittarius A* Event Horizon Telescope Results. VII. Polarization of the Ring - IOPscience

Originalmeldung bei der ESO: https://www.eso.org/public/germany/news/eso2406/

Ein neues Bild des Event Horizon Telescope (EHT) hat starke und geordnete Magnetfelder sichtbar gemacht, die vom Rand des supermassereichen Schwarzen Lochs Sagittarius A* (Sgr A*) ausgehen. Dieser neue Blick auf das Gebilde, das im Herzen der Milchstraße ruht, zeigt erstmals in polarisiertem Licht eine Magnetfeldstruktur, die der des schwarzen Lochs im Zentrum der Galaxie M87 verblüffend ähnlich ist. Dies deutet darauf hin, dass starke Magnetfelder allen schwarzen Löchern gemeinsam sind. Zudem spricht diese Ähnlichkeit für einen verborgenen Jet in Sgr A*.

Im Jahr 2022 stellten Wissenschaftler*innen auf Pressekonferenzen in der ganzen Welt, darunter auch bei der Europäischen Südsternwarte (ESO), das erste Bild von Sgr A* vor. Zwar ist das supermassereiche Schwarze Loch in der Milchstraße, das etwa 27 000 Lichtjahre von der Erde entfernt ist, mehr als tausendmal kleiner und weniger massereich als das von M87, dem ersten Schwarzen Loch, das jemals abgebildet wurde. Die Beobachtungen zeigten jedoch, dass sich die beiden bemerkenswert ähnlich sehen. Dies veranlasste die Forschenden zu der Frage, ob die beiden über ihr Aussehen hinaus gemeinsame Merkmale aufweisen. Um dies herauszufinden, beschloss das Team, Sgr A* in polarisiertem Licht zu untersuchen. Frühere Untersuchungen des Lichts in der Umgebung des Schwarzen Lochs M87 (M87*) ergaben, dass die Magnetfelder in der Umgebung es dem schwarzen Loch ermöglichen, kraftvolle Materialstrahlen zurück in die Umgebung zu schleudern. Darauf aufbauend haben die neuen Bilder gezeigt, dass dasselbe auch für Sgr A* gelten könnte.

„Wir sehen jetzt, dass es in der Nähe des schwarzen Lochs im Zentrum der Milchstraße starke, verdrehte und geordnete Magnetfelder gibt“, sagt Sara Issaoun, Einstein-Stipendiatin des Hubble-Stipendienprogramms der NASA am Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian, USA, und Co-Leiterin des Projekts. „Zusammen mit der Tatsache, dass Sgr A* eine auffallend ähnliche Polarisationsstruktur aufweist wie das viel größere und stärkere Schwarze Loch M87*, haben wir gelernt, dass starke und geordnete Magnetfelder entscheidend dafür sind, wie Schwarze Löcher mit dem Gas und der Materie um sie herum wechselwirken.“

Licht ist eine schwingende oder sich bewegende elektromagnetische Welle, mit der wir Objekte sehen können. Manchmal schwingt das Licht in einer bevorzugten Ausrichtung, die wir als „polarisiert“ bezeichnen. Obwohl uns überall polarisiertes Licht umgibt, ist es für das menschliche Auge kaum von „normalem“ Licht zu unterscheiden. Im Plasma um die schwarzen Löcher wirbeln die Teilchen um die Magnetfeldlinien und erzeugen ein Polarisationsmuster, das senkrecht zum Feld steht. Dadurch können Astronom*innen die Vorgänge in den Bereichen um Schwarze Löcher immer deutlicher erkennen und deren Magnetfeldlinien kartieren.

D as supermassereiche Schwarze Loch Sagittarius A* im Zentrum der Milchstraße im polarisierten Licht. Bild: EHT-Kollaboration

„Mit der Messung des polarisierten Lichts von heißem, glühendem Gas in der Nähe von schwarzen Löchern können wir direkt auf die Struktur und Stärke der Magnetfelder schließen, die den Strom von Gas und Materie durchziehen, welches das schwarze Loch aufsammelt und wieder ausstößt“, so Angelo Ricarte, Harvard Black Hole Initiative Fellow und Co-Leiter des Projekts. „Über das polarisierte Licht erfahren wir viel mehr über die Astrophysik, die Eigenschaften des Gases und die Prozesse, die beim Wachsen eines schwarzen Lochs ablaufen.“

Schwarze Löcher in polarisiertem Licht abzubilden, ist jedoch nicht so einfach, wie eine polarisierte Sonnenbrille aufzusetzen. Das gilt insbesondere für Sgr A*, das sich so schnell verändert, sodass es zu verwackelten Aufnahmen führen sollte. Um das supermassereiche Schwarze Loch abzubilden, sind ausgefeilte Instrumente erforderlich, die weit über die hinausgehen, die bisher für die Aufnahme von M87*, einem viel ruhigeren Ziel, verwendet wurden. EHT-Projektwissenschaftler Geoffrey Bower vom Institut für Astronomie und Astrophysik der Academia Sinica in Taipeh sagte: „Da sich während der Beobachtung Sgr A* bewegt, war es schon schwierig, nur ein unpolarisiertes Bild zu erstellen“, und fügte hinzu, dass das erste Bild aufgrund der Bewegung von Sgr A* ein Mittelwert aus mehreren Bildern war. „Wir waren erleichtert, dass die polarisierte Aufnahme überhaupt möglich war.“

Mariafelicia De Laurentis, stellvertretende EHT-Projektwissenschaftlerin und Professorin an der Universität Neapel Federico II, Italien, sagte: „Bei dieser Stichprobe von zwei schwarzen Löchern – mit sehr unterschiedlichen Massen und sehr unterschiedlichen Wirtsgalaxien – gilt es herauszufinden, worin sie übereinstimmen und worin sie sich unterscheiden. Da beide auf starke Magnetfelder hinweisen, könnte dieses Phänomen ein universelles und vielleicht grundlegendes Merkmal dieser Art von Systemen sein. Eine der Gemeinsamkeiten zwischen diesen beiden schwarzen Löchern ist womöglich ein Jet. Während wir bei M87* einen sehr offensichtlichen Jet beobachtet haben, konnten wir ihn bei Sgr A* bislang nicht finden.“

Um Sgr A* zu beobachten, verknüpfte die Kollaboration acht Teleskope auf der ganzen Welt zu einem virtuellen Teleskop in Erdgröße, dem EHT. Das Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), an dem die ESO beteiligt ist, und das von der ESO betriebene Atacama Pathfinder Experiment (APEX), beide im Norden Chiles, waren Teil des Netzwerks, das die Beobachtungen im Jahr 2017 durchführte.

„Als größtes und leistungsstärkstes Teleskop des EHT hat ALMA eine Schlüsselrolle bei der Erstellung dieses Bilds gespielt“, sagt María Díaz Trigo, Europäische ALMA-Programmwissenschaftlerin bei der ESO. „ALMA plant nun eine substanzielle Erweiterung, das Wideband Sensitivity Upgrade (Ausbau der Breitbandempfindlichkeit), das ALMA noch empfindlicher machen wird. Dadurch wird ALMA auch bei zukünftigen EHT-Beobachtungen von Sgr A* und anderen Schwarzen Löchern eine wichtige Rolle spielen.“

Das EHT hat seit 2017 mehrere Beobachtungen durchgeführt und wird Sgr A* voraussichtlich im April 2024 erneut ins Visier nehmen. Jedes Jahr werden die Bilder besser, da das EHT neue Teleskope, größere Bandbreiten und neue Beobachtungsfrequenzen einsetzt. Die für das nächste Jahrzehnt geplanten Erweiterungen werden hochwertige Filme von Sgr A* ermöglichen, möglicherweise einen verborgenen Jet aufdecken und es Astronom*innen ermöglichen, ähnliche Polarisationsmerkmale in anderen schwarzen Löchern zu beobachten. In der Zwischenzeit würde der Ausbau des EHT in den Weltraum schärfere Bilder von Schwarzen Löchern liefern als je zuvor.