Das Schwarze Loch im Zentrum unserer Galaxie ist Gegenstand eines bahnbrechenden neuen Bildes aus der Zusammenarbeit mit Event Horizon Telescope.
Während das Event Horizon Telescope Daten für sein bemerkenswertes neues Bild des supermassiven Schwarzen Lochs der Milchstraße sammelte, schauten auch eine Legion anderer Teleskope, darunter drei NASA-Röntgenobservatorien im Weltraum, zu.
Astronomen nutzen diese Beobachtungen, um mehr darüber zu erfahren, wie das Schwarze Loch im Zentrum der Milchstraße – bekannt als Sagittarius A * (kurz Sgr A*) – mit seiner Umgebung in etwa 27.000 Lichtjahren Entfernung von der Erde interagiert und sich von ihr ernährt .
Als das Event Horizon Telescope (EHT) im April 2017 Sgr A* beobachtete, um das neue Bild zu machen, spähten Wissenschaftler in der Kollaboration auch auf dasselbe Schwarze Loch mit Einrichtungen, die unterschiedliche Lichtwellenlängen detektieren. In dieser Beobachtungskampagne mit mehreren Wellenlängen sammelten sie Röntgendaten vom Chandra X-ray Observatory der NASA, dem Nuclear Spectroscopic Telescope Array (NuSTAR) und dem Neil Gehrels Swift Observatory; Funkdaten aus dem East Asian Very Long-Baseline Interferometer (VLBI)-Netzwerk und dem globalen 3-Millimeter-VLBI-Array; und Infrarotdaten vom Very Large Telescope der Europäischen Südsternwarte in Chile.
„Das Event Horizon Telescope hat ein weiteres bemerkenswertes Bild aufgenommen, diesmal von dem riesigen Schwarzen Loch im Zentrum unserer eigenen Heimatgalaxie“, sagte NASA-Administrator Bill Nelson. „Eine umfassendere Betrachtung dieses Schwarzen Lochs wird uns helfen, mehr über seine kosmischen Auswirkungen auf seine Umgebung zu erfahren, und veranschaulicht die internationale Zusammenarbeit, die uns in die Zukunft tragen und Entdeckungen enthüllen wird, die wir uns nie hätten vorstellen können.“
Ein wichtiges Ziel war es, Röntgeneruptionen einzufangen, von denen angenommen wird, dass sie durch magnetische Prozesse angetrieben werden, die denen auf der Sonne ähneln, aber zig Millionen Mal stärker sein können. Diese Eruptionen treten ungefähr täglich innerhalb des vom EHT beobachteten Himmelsbereichs auf, einer Region, die etwas größer ist als der Ereignishorizont von Sgr A*, dem Punkt ohne Wiederkehr für nach innen fallende Materie. Ein weiteres Ziel war es, einen kritischen Blick auf das Geschehen in größeren Maßstäben zu werfen. Während das EHT-Ergebnis auffallende Ähnlichkeiten zwischen Sgr A* und dem zuvor abgebildeten Schwarzen Loch M87* zeigt, ist das Gesamtbild viel komplexer.
„Wenn uns das neue EHT-Bild das Auge eines Schwarzloch-Hurrikans zeigt, dann zeigen diese Multiwellenlängen-Beobachtungen Winde und Regen, die Hunderte oder sogar Tausende von Kilometern entfernt sind“, sagte Daryl Haggard von der McGill University in Montreal, Kanada, der einer ist der leitenden Wissenschaftler der Multiwellenlängenkampagne. „Wie interagiert dieser kosmische Sturm mit seiner galaktischen Umgebung und stört sie sogar?“
Eine der größten laufenden Fragen rund um Schwarze Löcher ist genau, wie sie Material sammeln, aufnehmen oder sogar ausstoßen, das sie mit nahezu Lichtgeschwindigkeit umkreist, in einem Prozess, der als „Akkretion“ bekannt ist. Dieser Prozess ist grundlegend für die Entstehung und das Wachstum von Planeten, Sternen und Schwarzen Löchern aller Größen im gesamten Universum.
Chandra-Bilder von heißem Gas um Sgr A* sind entscheidend für Akkretionsstudien, weil sie uns sagen, wie viel Material von nahen Sternen durch die Schwerkraft des Schwarzen Lochs eingefangen wird und wie viel es schafft, seinen Weg in die Nähe des Ereignishorizonts zu finden. Diese kritischen Informationen sind mit aktuellen Teleskopen für kein anderes Schwarzes Loch im Universum verfügbar, einschließlich M87*.
„Astronomen können sich weitgehend auf die Grundlagen einigen – dass schwarze Löcher Material um sich herumwirbeln und ein Teil davon für immer über den Ereignishorizont fällt“, sagte Sera Markoff von der Universität Amsterdam in den Niederlanden, eine weitere Koordinatorin der Multiwellenlängen-Beobachtungen. „Mit all den Daten, die wir für Sgr A * gesammelt haben, können wir viel weiter gehen als dieses grundlegende Bild.“
Wissenschaftler in der großen internationalen Kollaboration verglichen die Daten der Hochenergiemissionen der NASA und der anderen Teleskope mit modernsten Rechenmodellen, die Faktoren wie Einsteins allgemeine Relativitätstheorie, Auswirkungen von Magnetfeldern und Vorhersagen von wie viel Strahlung das Material um das Schwarze Loch bei verschiedenen Wellenlängen erzeugen soll.
Der Vergleich der Modelle mit den Messungen gibt Hinweise darauf, dass das Magnetfeld um das Schwarze Loch stark ist und dass der Winkel zwischen der Sichtlinie zum Schwarzen Loch und seiner Drehachse gering ist – weniger als etwa 30 Grad. Wenn dies bestätigt wird, bedeutet dies, dass wir von unserem Standpunkt aus mehr auf Sgr A* und seinen Ring blicken als von der Seite, was dem ersten Ziel von EHT, M87*, überraschend ähnlich ist.
„Keines unserer Modelle passt perfekt zu den Daten, aber jetzt haben wir spezifischere Informationen, mit denen wir arbeiten können“, sagte Kazuhiro Hada vom National Astronomical Observatory of Japan. „Je mehr Daten wir haben, desto genauer werden unsere Modelle und letztendlich unser Verständnis der Akkretion von Schwarzen Löchern.“
Den Forschern gelang es auch, Röntgenausbrüche – oder Ausbrüche – von Sgr A* während der EHT-Beobachtungen einzufangen: einen schwachen, der bei Chandra und Swift zu sehen war, und einen mäßig hellen, der bei Chandra und NuSTAR zu sehen war. Röntgenfackeln mit einer ähnlichen Helligkeit wie letztere werden regelmäßig mit Chandra beobachtet, aber dies ist das erste Mal, dass das EHT gleichzeitig Sgr A* beobachtete, was eine außergewöhnliche Gelegenheit bietet, den verantwortlichen Mechanismus anhand tatsächlicher Bilder zu identifizieren.
Die mit EHT beobachtete Millimeterwellenintensität und -variabilität nimmt in den wenigen Stunden unmittelbar nach dem helleren Röntgenstrahl zu, ein Phänomen, das einige Tage zuvor bei Millimeterbeobachtungen nicht beobachtet wurde. Über die Analyse und Interpretation der EHT-Daten unmittelbar nach der Fackel wird in zukünftigen Veröffentlichungen berichtet.
Die Ergebnisse des EHT-Teams werden am 12. Mai in a veröffentlicht Sonderausgabe von Die Briefe des astrophysikalischen Journals. Die Multiwellenlängenergebnisse werden hauptsächlich in den Arbeiten II und V beschrieben.