Magnetfelder am Rand von schwarzem Loch Auf der Spur der kosmischen Fackel

Forscher haben das erste Bild eines schwarzen Lochs neu ausgewertet. Dabei kamen sie dem Ursprung von mächtigen Plasmastrahlen so nah wie nie zuvor.
Bild des Schattens von M87 mit Polarisationsdaten: Sie zeigen die Schwingung der Radiostrahlung an

Bild des Schattens von M87 mit Polarisationsdaten: Sie zeigen die Schwingung der Radiostrahlung an

Foto: EHT Collaboration

Große schwarze Löcher werden gern als die Staubsauger des Alls bezeichnet, die alles einsammeln, was ihnen zu nahe kommt. Das stimmt nur bedingt. Denn von der Materie, die in den supermassereichen Gebilden, die einst sehr große Sterne waren, verschwindet, kann ein Teil entkommen.

Sie strömt wieder ins All, Astronomen sprechen von sogenannten Jets. Dieser Strahl aus Plasma ist ein Gemisch aus glühendem Gas und Materie. Er erreicht oft beachtliche Ausmaße, je nachdem wie aktiv ein supermassereiches schwarzes Loch gerade ist. Der Jet, der aus dem Kern der Galaxie M87, einem riesigen schwarzen Loch, strömt, erstreckt sich mindestens 100.000 Lichtjahre ins All. Manches über den Ursprung dieser Jets ist immer noch unklar. Beispielsweise, wo genau sie entspringen und wie sie gestartet werden. Dabei spielen Magnetfelder eine große Rolle, so die Annahme.

Ein internationales Forschungsteam des Event Horizon Telescope (EHT) hat nun Daten vorgelegt, die mehr zum Verständnis dieser kosmischen Fackeln beitragen sollen. Dafür hat die Kollaboration, die 2019 das erste Bild eines schwarzen Lochs präsentierte, die Daten ihrer damaligen Messkampagne noch einmal auf besondere Weise ausgewertet. Über das Ergebnis berichten sie in zwei Artikeln im Fachmagazin »The Astrophysical Journal Letters« .

Im Frühjahr 2017 richteten Astronomen acht Radioteleskope rund um die Welt gleichzeitig auf das Zentrum der Galaxie M87. Durch die Zusammenschaltung der Geräte erreichten sie eine Auflösung, die groß genug war, um das supermassereiche Schwarze Loch in rund 55 Millionen Lichtjahren Entfernung abzubilden. Diese polarisierten Radiosignale haben die Forscher nun in einem aufwendigen Verfahren gemessen – vereinfacht könnte man sagen, sie haben der Erde eine Brille mit Polarisationsfilter aufgesetzt.

Denn im Kleinen kennt jeder solche Filter von Sonnenbrillen. Sie sorgen dafür, dass irritierendes Streulicht in Form von Reflexionen und Blendungen unser Auge nicht stört. Licht ist elektromagnetische Strahlung, die schwingt. »Die Polarisation des Lichts trägt Informationen, die es uns ermöglichen, die Physik hinter dem Bild besser zu verstehen«, zitiert eine Mitteilung des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie in Bonn die Astronomin Monika Mościbrodzka von der Radboud-Universität in den Niederlanden. Durch die Polarisation erkennen die Astronomen, in welche Richtung das Licht schwingt, und können so Rückschlüsse auf die Magnetfelder schließen, die dort wirken.

Der Startmechanismus des Jets von M87 ist in einer kompakten, überschaubaren Region verborgen und bringt einen Plasmastrahl empor, der größer als die gesamte Galaxie ist. »Wir konnten jetzt tatsächlich erkennen, dass der Jet direkt am schwarzen Loch entsteht, ein Stück vor dem Ereignishorizont«, sagt Radboud-Professor Heino Falcke. Das ist jener Bereich, ab dem Materie unwiederbringlich in das Gravitationsmonster fällt.

Durch die Polarisation wissen die Forscher nun etwas über die Ausrichtung der Magnetfelder, die an diesem Mechanismus beteiligt sind. Sie liegen jeweils senkrecht zu den Schwingungen der Radiowellen. Diese sind als helle, strukturierte Bereiche auf dem Bild zu erkennen und werden wie eine Schraube gedreht: Das Licht wird also etwas gewunden, wenn es durch das Plasma dringt. Der gesamte Ring ist magnetisiert. Auch die Temperatur des Jets konnten die Forscher nun messen. Sie beträgt 100 Milliarden Grad Celsius.

»Es ist erstaunlich, dass die Magnetwirkung so stark ist, dass sie sich gegen die Gravitation durchsetzt«, sagt Falcke. Das Magnetfeld, das bis zu hundertmal stärker ist als das der Erde, bremse die Rotation des schwarzen Lochs sogar, vermuten die Forscher. Gleichzeitig wird diese Rotationsgeschwindigkeit wohl dazu verwendet, das Plasma ins All zu schießen. Einen Beleg gebe es dafür aber noch nicht, betont Falcke. Aber die Daten würden gut mit ihren Modellen übereinstimmen. Doch erst der Vergleich mit weiteren Messungen dieser Art könne Gewissheit bringen.

Erst der Vergleich bringt mehr Erkenntnisse

Die soll es in Zukunft noch geben. Ursprünglich hatten die EHT-Forscher geplant, das schwarze Loch in unserer Galaxie zu beobachten, Sagittarius A* . Wenn die Polarisationen für das galaktische Zentrum der Milchstraße vorliegen und möglicherweise weitere ähnliche Messungen, dann werde sich der Wert der aktuellen Ergebnisse zeigen, so die Hoffnung der Forscher. Gerade bei Sagittarius A* bestehen aber Zweifel, ob dort auch ein Jet entsteht. Dieses schwarze Loch ist mit etwas weniger als vier Millionen Sonnenmassen viel kleinen als M87 (über sechseinhalb Milliarden Sonnenmassen) und schwerer zu beobachten. Zudem ist es auch weniger aktiv und verschlingt kaum Materie. Wenn Sagittarius A* einen Jet hat, dann ist er wohl sehr viel kleiner.

Genau wie bei dem Bild des Schattens von M87 haben die EHT-Forscher ein aufwendiges Verfahren gewählt, was auch den großen zeitlichen Abstand der Veröffentlichungen erklärt. Für die Polarisation wurden fünf unterschiedliche Algorithmen verwendet und die Daten jedes Teleskops einzeln geprüft, um Fehler zu vermeiden.

Die EHT-Kollaboration besteht aus mehr als 300 Forschern aus verschiedenen Organisationen und Universitäten, darunter auch das Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn. Bei den Messungen hatte diese Wissenschaftler Teleskope in Chile, Mexiko, Hawaii, den USA, auf dem Pico Veleta in Spanien und vom Südpol zu einem virtuellen Observatorium von Erdgröße zusammengeschaltet. Dabei erreichten sie eine Auflösung von 20 Mikro-Bogensekunden Abweichung. Damit wäre es möglich, die Länge einer Kreditkarte auf der Mondoberfläche zu messen.