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Erster Blick auf Magnetfelder am Ereignishorizont

Event Horizon Telescope enthüllt Polarisation des Lichtrings am Schwarzen Loch M87*

M87
Diese Aufnahme des Event Horizon Telescope zeigt, dass und wie das Licht im Ring um das Schwarze Licht M87 polarisiert ist – zu erkennen ist dies an den Linien im unteren rechten Teil des Lichtrings. © EHT Collaboration

Gedrehtes Licht: Die rasende Materie am Ereignishorizont des Schwarzen Lochs M87* ist stark magnetisiert – das enthüllen neue Aufnahmen des Event Horizon Telescope (EHT). Denn sie zeigen erstmals, dass das Licht im hellen Ring um das Schwarze Loch polarisiert ist. Das deutet auf den Einfluss von Magnetfeldern hin und liefert wertvolle Einblicke darin, wie solche Schwerkraftgiganten enorme Jets aus Strahlung und energiereichen Teilchen erzeugen können.

Im April 2019 sorgte das erste Foto eines Schwarzen Lochs für weltweites Aufsehen. Aufgenommen wurde es vom Event Horizon Telescope (EHT), einem weltumspannenden Zusammenschluss von acht Teleskopen. Er lieferte einzigartige Ansichten der hellen, ringförmigen Akkretionsscheibe um den dunklen Schatten des supermassereichen Schwarzen Lochs in der Galaxie M87. Weitere Aufnahmen enthüllten, dass der helle Ring um das Schwarze Loch leicht wackelt und dass sich in ihm ein schon von Einstein vorhergesagtes Phänomen verbirgt – ein Photonenring.

Polarisation
Polarisation des Lichtrings und eines Jets von M87*, aufgenommen in verschiedenen Frequenzen. © EHT Collaboration; ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), Goddi et al.; VLBA (NRAO), Kravchenko et al.; J. C. Algaba, I. Martí-Vidal

Wie schwingt das Licht am Schwarzen Loch?

Jetzt liefert das Event Horizon Telescope weitere Einblicke in die Vorgänge am Schwarzen Loch. Dafür visierten die Astronomen der EHT-Kollaboration erneut ihre acht gekoppelten Teleskope auf das Herz der 55 Millionen Lichtjahre entfernten Galaxie M87. Ziel war es diesmal, die Polarisation des Lichts im hellen Plasmaring zu messen. Denn eine Veränderung der Licht-Schwingungsrichtung kann verraten, welchen äußeren Einflüssen die um den Ereignishorizont kreisende Materie ausgesetzt ist – beispielsweise in Form von Magnetfeldern.

„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.“

Der Lichtring ist polarisiert

Jetzt liegen die neuen Aufnahmen vor. Sie enthüllen, dass ein signifikanter Anteil des Lichts um das Schwarze Loch von M87 linear polarisiert ist. Diese Polarisation ist 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.

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„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.

Indiz für starke Magnetfelder

Wie die Astronomen mithilfe ergänzender 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 starken Magnetfelder könnten auch ein weiteres Phänomen am Schwarzen Loch erklären: Wie viele andere aktive Galaxienzentren erzeugt auch M87* zwei energiereiche Ströme aus Strahlung und beschleunigten Teilchen, die senkrecht zur Ebene der Galaxie tausende Lichtjahre weit ins All hinausrasen. Bisher ist jedoch unklar, wie die Energie für diese Jets erzeugt wird und welche Mechanismen die Teilchen beschleunigen.

Triebkraft für energiereiche Jets

„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. Denn die neuen Beobachtungen legen nahe, dass die Interaktion des heißen Plasmas mit starken Magnetfeldern die Triebkraft dieser Jets ist.

Noch aber 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“, sagt EHT-Kollaborationsmitglied Jongho Park. „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.“ (The Astrophysical Journal, 2021; doi: 10.3847/2041-8213/abe71e; doi: 10.3847/2041-8213/abe4de)

Quelle: European Southern Observatory (ESO), Radboud University Nijmegen

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