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ALMA geht den Rätseln der Jets aus riesigen Schwarzen Löchern auf den Grund

16.10.2013
Zwei internationale Astronomenteams mit deutscher Beteiligung haben dank der Leistungsfähigkeit des Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) sogenannte Jets - Ausströmungen aus gigantischen Schwarzen Löchern in den Zentren von Galaxien - untersuchen können und beobachtet, wie sie ihre Umgebung beeinflussen.

Sie haben jeweils den am besten sichtbaren Jet aus molekularem Gas um ein nahes, ruhiges Schwarzes Loch untersucht und dabei einen unerwarteten Blick auf die Austrittsfläche eines starken Jets in der Nähe eines entfernten Schwarzen Lochs erhascht.


Diese detaillierte Aufnahme zeigt die zentralen Teile der nahegelegenen aktiven Galaxie NGC 1433. Das bläuliche Hintergrundbild, das die zentralen Staubbanden der Galaxie zeigt, stammt vom NASA/ESA Hubble Space Telescope. Die farbigen Strukturen nahe des Zentrums stammen von neuen ALMA-Beobachtungen und machen nicht nur eine Spiralform, sondern erstmals auch eine unerwartete Ausströmung sichtbar.

ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/NASA/ESA/F. Combes

Im Herzen von fast allen Galaxien des Universums, einschließlich unserer eigenen Galaxie, der Milchstraße, gibt es supermassereiche Schwarze Löcher mit bis zu einigen Milliarden Sonnenmassen. In ferner Vergangenheit waren diese Objekte sehr aktiv und haben enorme Mengen an Materie aus ihrer Umgebung verschlungen, wodurch sie blendend hell aufleuchteten.

Gleichzeitig haben sie einen kleinen Teil der Materie durch extrem starke Jets wieder hinausgeschleudert. Im gegenwärtigen Universum sind die meisten supermassereichen Schwarzen Löcher viel weniger aktiv als sie in ihrer Jugend waren. Jedoch bestimmt das Zusammenspiel zwischen Jets und ihrer Umgebung immer noch die Entwicklung von Galaxien.

Zwei neue Untersuchungen, die beide heute in der Fachzeitschrift Astronomy & Astrophysics veröffentlicht wurden, haben sich mit Hilfe von ALMA mit den Jets von Schwarzen Löchern auf ganz unterschiedlichen Skalen beschäftigt: Zum einen bei einem nahen und relativ ruhigen Schwarzen Loch in der Galaxie NGC 1433 und zum anderen bei einem sehr weit entfernten und aktiven Objekt namens PKS 1830-211.

„ALMA hat eine überraschende Spiralstruktur im molekularen Gas nahe des Zentrums von NGC 1433 sichtbar gemacht”, erläutert Françoise Combes vom Observatoire de Paris in Frankreich, Ersttautorin des ersten Fachartikels. „Dies erklärt, wie das Material in das Schwarze Loch fließt und es antreibt.. Mit Hilfe der neuen, besonders scharfen ALMA-Beobachtungen haben wir einen Materiejet entdeckt, der vom Schwarzen Loch wegströmt und sich über 150 Lichtjahre erstreckt. Dabei handelt es sich um die kleinste derartige Ausströmung, die jemals in einer anderen Galaxie beobachtet wurde.”

Die Entdeckung dieser Ausströmung, die vom Jet aus dem zentralen Schwarzen Loch mitgezogen wird, zeigt wie solche Jets Sternentstehung und das Wachstum der zentralen Verdickung von Galaxien, des sogenannten Bulges, anhalten können [1].

In PKS 1830-211 haben Ivan Martí-Vidal von der Chalmers University of Technology bzw. dem Onsala Space Observatory in Schweden und sein Team ebenfalls ein supermassereiches Schwarzes Loch mit einem Jet beobachtet, das jedoch im frühen Universum deutlich heller und aktiver war [2]. Dieses Objekt ist insofern ungewöhnlich, als dass sein Licht auf dem Weg zur Erde eine weitere massereiche Galaxie durchquert und durch den Gravitationslinseneffekt in zwei Abbildungen geteilt wird [3].

Von Zeit zu Zeit verschlucken supermassereiche Schwarze Löcher eine riesige Menge an Materie [4], die den Jet verstärkt und die Strahlung bis hin zu den höchsten Energien treibt. Nun hat ALMA per Zufall eines dieser Ereignisse in PKS 1830-211 einfangen können.

„Die ALMA-Beobachtung dieser 'Verdauungsstörung' eines Schwarzen Lochs war ein absoluter Glücksfall. Wir haben PKS 1830-211 aus einem ganz anderen Grund beobachtet und haben dabei leichte Veränderungen in Farbe und Intensität zwischen den beiden Abbildungen der Gravitationslinse bemerkt. Ein sehr genauer Blick auf dieses unerwartete Verhalten hat uns zu dem Schluss geführt, dass wir durch einen sehr glücklichen Zufall unsere Beobachtungen genau zu dem Zeitpunkt durchgeführt haben, als frische Materie in den Jet-Austritt am Schwarzen Loch eingetreten ist”, erklärt Sebastien Muller, einer der Koautoren des zweiten Fachartikels.

Das Team hat auch überprüft, ob dieses gewaltige Ereignis von anderen Teleskopen registriert wurde und war überrascht zu erfahren, dass ein sehr klares Signal im Gammastrahlenbereich mit dem LAT-Instrument auf dem Fermi-Satelliten registriert wurde. Der Prozess, der den Strahlungsanstieg in dem von ALMA beobachteten langwelligen Spektralbereich verursacht hat, war auch für den drastischen Anstieg der Strahlungsintensität im Jet bis in den Bereich der höchsten Strahlungsenergien im Universum verantwortlich [5].

„Dies ist das erste Mal, dass man eine derart klare Verbindung zwischen Gammastrahlen und Submillimeterwellen hergestellen kann: Offenbar stammen sie vom Grund des Jets eines Schwarzen Lochs”, fügt Muller hinzu.

Die zwei neuen Beobachtungen sind nur der Anfang von ALMA-Untersuchungen der Vorgänge in solchen Jets nah und fern. Die Gruppe von Combes untersucht bereits weitere nahe aktive Galaxien mit ALMA. Man kann davon ausgehen, dass das einzigartige Objekt PKS 1830-211 in Zukunft im Fokus vieler wissenschaftlicher Untersuchungen mit ALMA und anderen Teleskopen sein wird.

„Es gibt noch viel darüber zu lernen, wie Schwarze Löcher diese riesigen energiereichen Materie- und Strahlungsjets ausbilden können”, schließt Martí-Vidal. „Unsere Ergebnisse, die noch aus einer Zeit stammen als ALMA noch gar nicht fertiggestellt war, zeigen, dass es ein einzigartig leistungsstarkes Werkzeug für die Untersuchungen dieser Jets ist – und die Entdeckungen fangen gerade erst an!”

Endnoten

[1] Dieser Prozess, Feedback genannt, könnte die rätselhafte Beziehung zwischen der Masse des Schwarzen Lochs im Zentrum einer Galaxie und der Masse des umgebenden Bulge erklären. Das Schwarze Loch akkretiert Gas und wächst stärker, produziert dann jedoch Jets, die das Gas in der Umgebung wegfegen und die Sternentstehung anhalten.

[2] PKS 1830-211 hat eine Rotverschiebung von 2,5, was bedeutet, dass ihr Licht etwa 11 Milliarden Jahre benötigt hat, bis es bei uns angekommen ist. Das Licht, das wir heute sehen, wurde also ausgesendet als das Universum gerade mal 20% seines heutigen Alters hatte. Im Vergleich braucht das Licht von NGC 1433 nur 30 Millionen Jahre bis zur Erde, auf galaktischen Skalen also eine sehr kurze Zeit.

[3] Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie sagt voraus, dass Lichtstrahlen abgelenkt werden, wenn sie massereiche Objekte wie Galaxien passieren. Diesen Effekt nennt man den Gravitationslinseneffekt und seit 1979 wurden zahlreiche solcher Gravitationslinsen bei fernen Galaxien und Quasaren entdeckt. Durch den Gravitationslinseneffekt können sowohl Mehrfachabbildungen als auch Verzerrungen und Verstärkungen der Lichtquellen im Hintergrund verursacht werden.

[4] Das hineinfallende Material könnte ein Stern oder eine Molekülwolke sein. Solche einfallenden Wolken wurden zum Beispiel im Zentrum der Milchstraße beobachtet (eso1151, eso1332).

[5] Diese Energie wird in Form von Gammastrahlen ausgesendet, der energiereichsten Form elektromagnetischer Strahlung mit kürzesten Wellenlängen.

Weitere Informationen
Das Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) ist eine internationale astronomische Einrichtung, die gemeinsam von Europa, Nordamerika und Ostasien in Zusammenarbeit mit der Republik Chile getragen wird. Von europäischer Seite aus wird ALMA über die Europäische Südsternwarte (ESO) finanziert, in Nordamerika von der National Science Foundation (NSF) der USA in Zusammenarbeit mit dem kanadischen National Research Council (NRC) und dem taiwanesischen National Science Council (NSC), und in Ostasien von den japanischen National Institutes of Natural Sciences (NINS) in Kooperation mit der Academia Sinica (AS) in Taiwan. Bei Entwicklung, Aufbau und Betrieb ist die ESO federführend für den europäischen Beitrag, das National Radio Astronomy Observatory (NRAO), das seinerseits von Associated Universities, Inc. (AUI) betrieben wird, für den nordamerikanischen Beitrag und das National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ) für den ostasiatischen Beitrag. Dem Joint ALMA Observatory (JAO) obliegt die übergreifende Projektleitung für den Aufbau, die Inbetriebnahme und den Beobachtungsbetrieb von ALMA.

Die Forschungsprojekte werden in den folgenden beiden Fachartikeln vorgestellt „ALMA observations of feeding and feedback in nearby Seyfert galaxies: an AGN-driven outflow in NGC1433”, von F. Combes et al. und „Probing the jet base of the blazar PKS 1830−211 from the chromatic variability of its lensed images: Serendipitous ALMA observations of a strong gamma-ray flare”, von I. Martí-Vidal et al. Beide Artikel erscheinen in der Fachzeitschrift Astronomy & Astrophysics.

Die Mitglieder der ersten Forschergruppe sind F. Combes (Observatoire de Paris, Frankreich), S. García-Burillo (Observatorio de Madrid, Spanien), V. Casasola (INAF–Istituto di Radioastronomia, Bologna, Italien), L. Hunt (INAF–Osservatorio Astrofisico di Arcetri, Florenz, Italien), M. Krips (IRAM, Saint Martin d’Hère, Frankreich), A. J. Baker (Rutgers, the State University of New Jersey, Piscataway, USA), F. Boone (CNRS, IRAP, Toulouse, Frankreich), A. Eckart (Universität zu Köln), I. Marquez (Instituto de Astrofísica de Andalucía, Granada, Spanien), R. Neri (IRAM), E. Schinnerer (Max-Planck-Institut für Astronomie, Heidelberg) und L. J. Tacconi (Max-Planck-Institut für Extraterrestrische Physik, Garching bei München).

Die Mitglieder der zweiten Forschergruppe sind I. Martí-Vidal (Chalmers University of Technology, Onsala Space Observatory, Onsala, Schweden), S. Muller (Onsala), F. Combes (Observatoire de Paris, Frankreich), S. Aalto (Onsala), A. Beelen (Institut d’Astrophysique Spatiale, Université Paris-Sud, Frankreich), J. Darling (University of Colorado, Boulder, USA), M. Guélin (IRAM, Saint Martin d’Hère, Frankreich; Ecole Normale Supérieure/LERMA, Paris, Frankreich), C. Henkel (Max-Planck-Institut für Radioastronomie [MPIfR], Bonn; King Abdulaziz University, Jeddah, Saudi-Arabien), C. Horellou (Onsala), J. M. Marcaide (Universitat de València, Spanien), S. Martín (ESO, Santiago, Chile), K. M. Menten (MPIfR), Dinh-V-Trung (Vietnam Academy of Science and Technology, Hanoi, Vietnam) und M. Zwaan (ESO, Garching).

Die Europäische Südsternwarte ESO (European Southern Observatory) ist die führende europäische Organisation für astronomische Forschung und das wissenschaftlich produktivste Observatorium der Welt. Getragen wird die Organisation durch ihre 15 Mitgliedsländer: Belgien, Brasilien, Dänemark, Deutschland, Finnland, Frankreich, Großbritannien, Italien, die Niederlande, Österreich, Portugal, Spanien, Schweden, die Schweiz und die Tschechische Republik. Die ESO ermöglicht astronomische Spitzenforschung, indem sie leistungsfähige bodengebundene Teleskope entwirft, konstruiert und betreibt. Auch bei der Förderung internationaler Zusammenarbeit auf dem Gebiet der Astronomie spielt die Organisation eine maßgebliche Rolle. Die ESO betreibt drei weltweit einzigartige Beobachtungsstandorte in Nordchile: La Silla, Paranal und Chajnantor. Auf dem Paranal betreibt die ESO mit dem Very Large Telescope (VLT) das weltweit leistungsfähigste Observatorium für Beobachtungen im Bereich des sichtbaren Lichts und zwei Teleskope für Himmelsdurchmusterungen: VISTA, das größte Durchmusterungsteleskop der Welt, arbeitet im Infraroten, während das VLT Survey Telescope (VST) für Himmelsdurchmusterungen ausschließlich im sichtbaren Licht konzipiert ist. Die ESO ist der europäische Partner bei den neuartigen Teleskopverbund ALMA, dem größten astronomischen Projekt überhaupt. Derzeit entwickelt die ESO ein Großteleskop mit 39 Metern Durchmesser für Beobachtungen im Bereich des sichtbaren und Infrarotlichts, das einmal das größte optische Teleskop der Welt werden wird: das European Extremely Large Telescope (E-ELT).

Die Übersetzungen von englischsprachigen ESO-Pressemitteilungen sind ein Service des ESO Science Outreach Network (ESON), eines internationalen Netzwerks für astronomische Öffentlichkeitsarbeit, in dem Wissenschaftler und Wissenschaftskommunikatoren aus allen ESO-Mitgliedsländern (und einigen weiteren Staaten) vertreten sind. Deutscher Knoten des Netzwerks ist das Haus der Astronomie in Heidelberg.

Kontaktinformationen
Carolin Liefke
ESO Science Outreach Network - Haus der Astronomie
Heidelberg, Deutschland
Tel: 06221 528226
E-Mail: eson-germany@eso.org
Françoise Combes
Observatoire de Paris, LERMA
Paris, France
Tel: +33 1 4051 2077
E-Mail: francoise.combes@obspm.fr
Ivan Martí-Vidal
Chalmers University of Technology
Onsala Space Observatory, Onsala, Sweden
Tel: +46 31 772 5557
E-Mail: ivan.marti-vidal@chalmers.se
Richard Hook
ESO, Public Information Officer
Garching bei München, Germany
Tel: +49 89 3200 6655
Handy: +49 151 1537 3591
E-Mail: rhook@eso.org
Dies ist eine Übersetzung der ESO-Pressemitteilung eso1344.

Carolin Liefke | ESO Science Outreach Network
Weitere Informationen:
http://www.eso.org
http://www.eso.org/public/germany/news/eso1344/

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