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| Galaxien und Schwarze Löcher |
| Das erste Bild eines schwarzen Lochs |
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Max-Planck-Forscher sind an der direkten Beobachtung der gewaltigen Schwerkraftfalle in der Galaxie Messier 87 beteiligt
Schwarze Löcher verschlucken alles Licht und sind daher unsichtbar. Was plausibel klingt, ist in der Praxis zum Glück für die Astronomen doch ein wenig anders. Denn schwarze Löcher sind von leuchtenden Gasscheiben umgeben und heben sich daher vom dunklen Hintergrund ab, ähnlich wie eine schwarze Katze auf einem weissen Sofa. Und so ist es mit dem Event Horizon Telescope jetzt erstmals gelungen, ein schwarzes Loch zu fotografieren. Dabei nahm dieses weltweite Netzwerk von acht bodengebundenen Radioteleskopen die rund 55 Millionen Lichtjahre entfernte Galaxie Messier 87 ins Visier. An der Beobachtung beteiligt sind auch Forschende des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie und des Instituts für Radioastronomie im Millimeterbereich (IRAM).
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Im April 2017 verlinkten die Wissenschaftler zum ersten Mal acht Teleskope rund um den Globus und bildeten auf diese Weise ein virtuelles Teleskop, dessen Öffnung nahezu dem Durchmesser der Erde entsprach. Very-Long-Baseline-Interferometrie (VLBI) heisst diese Technik, in der die Signale der Einzelantennen gleichsam überlagert werden. Diese Synchronisation geschieht mithilfe von hochpräzisen Atomuhren auf die Nanosekunde genau. Dabei lässt sich eine extreme Winkelauflösung von weniger als 20 Mikro-Bogensekunden erreichen; hätten unsere Augen ein derartiges Leistungsvermögen, könnten wir die einzelnen Moleküle in unserer Hand sehen.
Zum Verbund dieses sogenannten Event Horizon Telescope (EHT) gehörten unter anderem der 30-Meter-Spiegel von IRAM in Spanien sowie das APEX-Teleskop in Chile, an dem das Max-Planck-Institut für Radioastronomie beteiligt ist. Insgesamt haben die Teleskope allein bei den Beobachtungen im Jahr 2017 etwa vier Petabytes an Daten aufgenommen - eine solch grosse Menge, dass der Transport auf dem Postweg tatsächlich schneller und effektiver ist, als das Senden der Daten per Internet. Die Messdaten wurden am Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn mittels eines Supercomputers, dem Korrelator, kalibriert und ausgewertet.
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"Die Ergebnisse geben uns zum ersten Mal einen klaren Blick auf ein supermassives schwarzes Loch und sie markieren einen wichtigen Meilenstein für unser Verständnis der fundamentalen Prozesse, welche die Bildung und die Entwicklung von Galaxien im Universum bestimmen", sagt Anton Zensus, Direktor am Bonner Max-Planck-Institut und Vorsitzender des EHT-Kollaborationsrats. Es sei bemerkenswert, dass in diesem Projekt astronomische Beobachtungen und theoretische Interpretation schneller als erwartet zum erhofften Resultat geführt hätten.
Nach den Worten von IRAM-Direktor Karl Schuster basiert der Erfolg auf einer "jahrzehntelangen europäischen Fachkompetenz" in der Millimeterastronomie: "Schon in den 1990er-Jahren haben das Max-Planck-Institut in Bonn und unser Institut mit seinen beiden Observatorien technisch und wissenschaftlich gezeigt, dass wir mit hochauflösenden Radiobeobachtungen eine einzigartige Methode besitzen, die unmittelbare Umgebung von supermassiven schwarzen Löchern zu analysieren.” IRAM als eine von der Max-Planck-Gesellschaft mitfinanzierte Einrichtung nahm mit dem 30-Meter-Teleskop an der Kampagne aktiv teil. Dieses Teleskop spielte mit seinem in Europa gelegenen Standort und seiner ausserordentlichen Empfindlichkeit eine entscheidende Rolle für den Erfolg der EHT-Beobachtung.
Das Herz der supermassiven Galaxie M 87 besitzt zwei spezielle Eigenschaften, die es zu einem geeigneten Kandidaten für das Projekt machen: Es ist zum einen dank seiner ungewöhnlichen Grösse und zum anderen wegen seiner relativen Nähe zur Erde gut zu sehen und damit ein perfektes Studienobjekt für Wissenschaftler, die mit dem weltumspannenden Teleskopverbund nun endlich ein Instrument besitzen, um ein solch exotisches Objekt direkt zu beobachten.
Die Regionen um supermassive schwarze Löcher sind den extremsten Bedingungen ausgesetzt, die wir im Weltall kennen. Schwarze Löcher sind faszinierende kosmische Objekte, die eine unglaubliche Gesamtmasse innerhalb eines winzigen Raumbereichs umfassen. Ihre Masse und damit ihre Anziehungskraft sind so gross, dass selbst Licht ihnen nicht entkommen kann. Daher bleiben sie schwarz - und es ist unmöglich, sie direkt wahrzunehmen.
Die einzige Chance, schwarze Löcher zu sehen, besteht darin, ihren "Schatten" abzubilden. Dieser entsteht durch die extrem starke Beugung des Lichts - und zwar kurz bevor es unwiderruflich im schwarzen Loch verschwindet. Hochauflösende Radiobeobachtungen im Bereich von Millimeterwellen erlauben es den Astronomen, ungestört von dichten Staub- und Gaswolken bis an die Ränder von schwarzen Löchern vorzudringen.
Das jetzt veröffentlichte Bild wurde bei 1,3 Millimeter Wellenlänge gewonnen und zeigt klar eine ringförmige Struktur mit einer dunklen Zentralregion - eben den Schatten des schwarzen Lochs. Um dieses sehr massereiche und kompakte Objekt bewegt sich mit hohen Geschwindigkeiten ein heisses Gasplasma. Die ringförmige Struktur auf dem Bild ist nichts anderes als die stark erhitzte Materie um das Massemonster, dessen Licht von ihm selbst wie durch eine Linse umgelenkt und verstärkt wird. Nach einer rund 55 Millionen Lichtjahre langen Reise trifft es auf die Teleskope des EHT-Verbundes.
Der Ursprungsort, M 87, ist eine elliptische Riesengalaxie nahe dem Zentrum des Virgo-Galaxienhaufens. Charles Messier trug im Jahr 1781 das Objekt unter der Nummer 87 in seinen Katalog ein. Die Galaxie ist auch als starke Radioquelle namens Virgo A bekannt und sehr aktiv. Aus ihrem Kern schiesst ein mindestens 5'000 Lichtjahre langer Jet - Materie, die in der Akkretionsscheibe des schwarzen Lochs im Zentrum beschleunigt wird und in Form eines stark gebündelten Strahls senkrecht zu dieser Scheibe mit hoher Geschwindigkeit ausströmt.
Der Schatten verrät den Forschenden eine Menge über die Natur der zentralen Maschinerie und ermöglicht es ihnen, die enorme Gesamtmasse des schwarzen Lochs von M 87 präzise zu bestimmen. Sie liegt bei 6,5 Milliarden Sonnenmassen. Dieser Wert deckt sich gut mit dem aus anderen Beobachtungen gewonnen.
"Über viele Jahrzehnte konnten wir schwarze Löcher nur indirekt nachweisen", sagt Michael Kramer, Direktor am Max-Planck-Institut für Radioastronomie. Dann haben Detektoren vor ein paar Jahren zum ersten Mal Gravitationswellen gemessen und die Auswirkungen von schwarzen Löchern auf die Raumzeit bei deren Verschmelzung gleichsam hörbar gemacht. "Nun können wir sie endlich auch sehen und haben die Möglichkeit, diese exotischen Objekte und deren extreme Raumzeitkrümmung mit all ihrer Faszination auf einzigartige Weise zu untersuchen", sagt der Wissenschaftler, einer der Hauptverantwortlichen von BlackHoleCam. Dieses Projekt ist Teil des EHT, dem rund 200 Forschende angehören.
Die Beobachtungen gehen weiter. Seit Ende 2018 ist auch NOEMA, das zweite IRAM-Observatorium in den französischen Alpen, Teil des weltweiten Verbundes. Mit seinen zwölf hochempfindlichen Antennen wird dieses Observatorium das leistungsfähigste des EHT auf der nördlichen Hemisphäre sein. "Dank NOEMA werden wir in einen neuen Empfindlichkeitsbereich vorstossen und damit noch mehr faszinierende Erkenntnisse gewinnen", sagt Karl Schuster.
Für Anton Zensus bedeutet der Erfolg eine Zäsur in der Astronomie. "In Zukunft werden sich Forscher weit über unser Arbeitsgebiet hinaus klar an eine Zeit vor und nach dieser Entdeckung erinnern”, sagt der Max-Planck-Direktor. Seiner Meinung nach werden die Astronomen die galaktischen Zentren besser verstehen und ein vollständiges Bild von Entstehung und Entwicklung aktiver Galaxien gewinnen. Zudem werde man die allgemeine Relativitätstheorie auf Herz und Nieren testen können. "Denn schwarze Löcher sind ein ideales Labor für Messungen unter starker Schwerkraft."
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| Quelle:
Text HOR / NJ / ZA, Max-Planck-Institut für Radioastronomie, 10. April 2019 |
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| Das 30-Meter-Auge in der Sierra Nevada |
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Die Antenne von IRAM ist am Event Horizon Telescope beteiligt
Erstmals haben Forscher den Schatten eines schwarzen Lochs beobachtet. Es steckt in der Galaxie Messier 87 und wurde mit dem Event Horizon Telescope unter die Lupe genommen. Zu einem Riesenteleskop verbunden sind darin insgesamt acht Observatorien auf der ganzen Welt, von Europa über Chile und Hawaii bis hin zum Südpol. Das 30-Meter-Teleskop des Instituts für Radioastronomie im Millimeterbereich (IRAM) in der spanischen Sierra Nevada, einer von der Max-Planck-Gesellschaft mitfinanzierten Einrichtung, nahm als einzige Station in Europa an der Beobachtungskampagne teil.
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Der Schatten des schwarzen Lochs in der Riesengalaxie M 87 erscheint auf der Erde wegen der grossen Distanz unter einem extrem kleinen Winkel. Um dennoch erfolgreich zu beobachten, nutzen Forscher die Interferometrie. Das Prinzip dieser Technik: Statt ein riesiges Teleskop zu verwenden, kombiniert man mehrere Observatorien so, als wären sie kleine Einzelteile einer einzigen gigantischen Antenne. Auf diese Weise können Wissenschaftler ein Teleskop simulieren, das im besten Fall dem Durchmesser unserer Erde entspricht. Denn: Je grösser das Teleskop, desto feinere Details lassen sich wahrnehmen; die sogenannte Winkelauflösung nimmt zu.
Das EHT-Projekt wendet dieses Verfahren an und arbeitet im Interferometrie-Modus bei einer Frequenz von 230 Gigahertz, entsprechend einer Wellenlänge von 1,3 Millimetern. Derlei Messungen an der Grenze des Beobachtbaren sind nur unter optimalen Bedingungen möglich, das heisst, in trockenen hohen Lagen. Diese bietet das zum Teil von der Max-Planck-Gesellschaft finanzierte IRAM-Observatorium mit seiner 30-Meter-Antenne auf dem 2800 Meter hohen Berg Pico Veleta in der spanischen Sierra Nevada. Das Teleskop ist das empfindlichste Einzelteleskop des EHT-Verbundes. "Die Oberfläche unserer Antenne ist mit einer Genauigkeit justiert, die der Feinheit eines menschlichen Harres entspricht", sagt der IRAM-Astronom Pablo Torne.
Im April 2017 haben die Forscher den 30-Meter-Spiegel im Gleichtakt mit den über den Globus verteilten anderen EHT-Stationen das erste Mal auf das Zentrum von M 87 und sein gigantisches schwarzes Loch gerichtet. "Wir hätten uns keine besseren Wetterbedingungen für die Jahreszeit wünschen können, vor allem aber hat die Technik am Observatorium von der hochpräzisen Atomuhr über die Empfangssysteme und die Datenrekorder perfekt funktioniert", sagt Torne. Insgesamt wurden bei diesen Beobachtungen allein am IRAM-Teleskop mehr als 500 Terabytes an Daten aufgenommen.
Aber nicht nur im Rahmen des EHT hat IRAM wegweisende Pionierarbeit geleistet. So etwa wurden im Jahr 1995 die ersten hochauflösenden Radiobeobachtungen des Herzens unserer Milchstrasse und seines schwarzen Lochs namens Sagittarius A* gemacht, und zwar mit einer Kombination der 30-Meter-Antenne und der Anlage NOEMA. Letztere ist das derzeit beste und leistungsfähigste Radioteleskop dieser Art in der nördlichen Hemisphäre. Seine zehn 15-Meter-Antennen stehen auf einem Hochplateau in den französischen Alpen.
Seit Herbst 2018 ist das Observatorium ebenfalls Teil des EHT-Verbundes. "Mit dem Ausbau von NOEMA fängt auch für das EHT eine neue Ära an. Mit NOEMA wird dieses einzigartige Netzwerk eine nie dagewesene räumliche Auflösung und Empfindlichkeit erreichen", sagt Karl Schuster, IRAM-Direktor und Mitglied des EHT-Vorstandes.
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| Quelle:
Text HOR / ZA, Max-Planck-Institut für Radioastronomie, 10. April 2019 |
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Schwarze Löcher |
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| Schwarzes Loch
Supermassereicher Raum im Zentrum einer Galaxie.
Um Schwarze Löcher herum bewegen sich Gaswolken. Wenn das Gas am schwarzen Loch vorbei fliegt, kehrt es seine Geschwindigkeit um.
Die ersten superschweren Schwarzen Löcher sind kurz nach dem Urknall entstanden. Die superschweren Schwarzen Löcher haben sich vor 13 Milliarden Jahren durch die Kollision von Galaxien gebildet.
Riesige Galaxien und supermassive Schwarze Löcher entstehen schnell. Kleine Galaxien dagegen - wie z.B. unsere eigene Galaxie, die Milchstrasse, und ihr vergleichsweise kleines Schwarze Loch im Zentrum - sind langsamer entstanden. Dieses ist mit etwa 1 Million Sonnenmasse deutlich kleiner als die 1 Milliarde Sonnenmasse, welche diesimulierten Schwarzen Löcher wiegen. |
Gravitationswellen
Gravitationswellen sind eine wichtige Vorhersage von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie. Danach erzeugen beschleunigte Bewegungen grosser Massen Kräuselungen in der Raumzeit, die sich noch in grosser Entfernung als winzige Abstandsänderungen zwischen Objekten nachweisen lassen. Doch selbst Gravitationswellen, die von astrophysikalischen Quellen - wie Sternexplosionen oder verschmelzenden schwarzen Löchern - erzeugt werden, verändern die Länge einer einen Kilometer langen Messstrecke nur um den Tausendstel Durchmesser eines Protons (10-18 Meter). Erst jetzt haben die Detektoren die erforderliche Empfindlichkeit erreicht, um Gravitationswellen zu messen. Die Beobachtung des bislang dunklen "gravitativen Universums" läutet ein neues Zeitalter der Astronomie ein. |
| Quelle: Leibniz Universität Hannover |
Dunkle Materie
95 Prozent der bisher gewonnenen Erkenntnissen der Kosmologie bilden so genannte Dunkle Energie und Dunkle Materie, deren physikalische Natur bislang völlig ungeklärt ist. Die Dunkle Energie erfüllt das Universum homogen und bewirkt, dass es beschleunigt expandiert. Die Dunkle Materie macht sich bei vielen astrophysikalischen Beobachtungen durch ihre Schwerkraftwirkung bemerkbar. |
| Quelle: Karlsruhe Institute of Technology |
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Spiralgalaxien
Das
Bild zeigt zwei Spiralgalaxien, links die grössere (NGC 2207) und
rechts die kleinere (IC 2163). Die unvorstellbar starken Gravitationskräfte
von NGC 2207 verändern deutlich die Gestalt von IC 2163. In Milliarden
von Jahren werden diese beiden Galaxien eins sein. Die Aufnahme stammt
vom Hubble-Space-Teleskop. (Bild: NASA) |
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| Der Himmel wie Planck ihn sieht |
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Der ESA-Satellit Planck kartiert das Universum. Am Ende seiner Mission im Jahr 2012 hat der Satellit den Himmel insgesamt viermal vollständig abgetastet. Der erste komplette Datensatz der kosmischen Mikrowellen- Hintergrundstrahlung steht ab 2012 zur Verfügung stehen. |
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