Ein neues Bild der Event Horizon Telescope-Kollaboration, an der Forscher und Teleskope der University of Arizona beteiligt sind, hat starke und organisierte Magnetfelder entdeckt, die spiralförmig vom Rand des supermassiven Schwarzen Lochs Sagittarius A* oder Sgr A* ausgehen.
Die Event Horizon Telescope (EHT)-Kollaboration, die 2022 das erste Bild von Sagittarius A*, dem Schwarzen Loch im Zentrum unserer Milchstraße, präsentierte, hat eine neue Ansicht des massiven Objekts aufgenommen, dieses Mal in polarisiertem Licht. Zum ersten Mal konnten Astronomen die Polarisation, eine Signatur von Magnetfeldern, so nahe am Rand des Schwarzen Lochs messen. Die Linien markieren die Ausrichtung der Polarisation, die mit dem Magnetfeld um den Schatten des Schwarzen Lochs zusammenhängt. Bildnachweis: EHT Collaboration
Diese neue Ansicht des Monsters, das im Zentrum unserer Milchstraßengalaxie lauert, wurde zum ersten Mal in polarisiertem Licht gesehen und hat eine Magnetfeldstruktur offenbart, die der eines viel massereicheren Schwarzen Lochs, bekannt als M87*, im Zentrum verblüffend ähnlich ist der M87-Galaxie, was darauf hindeutet, dass starke Magnetfelder allen Schwarzen Löchern gemeinsam sein könnten. Diese Ähnlichkeit deutet auch auf einen versteckten Jet in Sgr A* hin. Die Ergebnisse wurden am 27. März in der Zeitschrift The Astrophysical Journal Letters veröffentlicht.
Wissenschaftler enthüllten im Jahr 2022 das erste Bild von Sgr A* – das etwa 27.000 Lichtjahre von der Erde entfernt ist – und enthüllten, dass das supermassive Schwarze Loch der Milchstraße zwar mehr als tausendmal kleiner und weniger massiv als das von M87 ist, aber bemerkenswert ähnlich aussieht. Wissenschaftler fragten sich daher, ob die beiden auch außerhalb ihres Aussehens gemeinsame Merkmale hatten. Um das herauszufinden, beschloss das Team, Sgr A* in polarisiertem Licht zu untersuchen. Frühere Untersuchungen des Lichts um M87* ergaben, dass die Magnetfelder um den Riesen des Schwarzen Lochs es ihm ermöglichten, starke Materialstrahlen zurück in die Umgebung zu schleusen. Aufbauend auf dieser Arbeit haben die neuen Bilder gezeigt, dass das Gleiche möglicherweise auch für Sgr A* zutrifft.
Boris Georgiev, ein EHT-Postdoktorand am Steward Observatory der UArizona und Co-Autor der Studie, sagte: „Die Konsistenz der Magnetfeldstrukturen um Sgr A* und M87* legt nahe, dass die Prozesse, durch die Schwarze Löcher Jets in ihre Umgebung einspeisen und ausstoßen.“ können trotz ihrer großen Unterschiede in Größe und Masse universell sein.“
„Was wir jetzt sehen, ist, dass es in der Nähe des Schwarzen Lochs im Zentrum der Milchstraße starke, verdrehte und organisierte Magnetfelder gibt“, sagte Sara Issaoun, Einstein Fellow des NASA Hubble Fellowship Program am Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian und Co-Leiter des Projekts. „Neben der Tatsache, dass Sgr A* eine auffallend ähnliche Polarisationsstruktur aufweist wie das viel größere und leistungsstärkere Schwarze Loch M87*, haben wir gelernt, dass starke und geordnete Magnetfelder entscheidend dafür sind, wie Schwarze Löcher mit dem Gas und der Materie um sie herum interagieren.“ ihnen.“
Licht ist eine bewegte Schwingung elektrischer und magnetischer Felder, die es uns ermöglicht, Objekte zu sehen. Manchmal schwingt Licht in einer bevorzugten Richtung
Orientierung, auch bekannt als polarisiert. Obwohl polarisiertes Licht uns umgibt, ist es für das menschliche Auge nicht von „normalem“ oder nicht polarisiertem Licht zu unterscheiden. Im Plasma um diese Schwarzen Löcher erzeugen Teilchen, die um magnetische Feldlinien wirbeln, ein Polarisationsmuster senkrecht zum Feld. Dies ermöglicht es Astronomen, immer detaillierter zu sehen, was in Schwarzlochregionen passiert, und ihre Magnetfeldlinien zu kartieren.
„Indem wir polarisiertes Licht aus heißem, leuchtendem Gas in der Nähe von Schwarzen Löchern abbilden, können wir direkt auf die Struktur und Stärke der Magnetfelder schließen, die den Fluss von Gas und Materie durchziehen, den das Schwarze Loch ernährt und ausstößt“, sagte Angelo Ricarte, Harvard Black Hole Initiative Fellow und Co-Leiter des Projekts. „Polarisiertes Licht lehrt uns viel mehr über die Astrophysik, die Eigenschaften des Gases und die Mechanismen, die bei der Nahrungsaufnahme eines Schwarzen Lochs ablaufen.“
Aber das Abbilden von Schwarzen Löchern in polarisiertem Licht ist nicht so einfach wie das Aufsetzen einer polarisierten Sonnenbrille, und das gilt insbesondere für Sgr A*, das sich so schnell verändert, dass es für Bilder nicht stillsteht. Die Abbildung des supermassereichen Schwarzen Lochs erfordert hochentwickelte Werkzeuge, die über die hinausgehen, die bisher für die Erfassung von M87*, einem viel stabileren Ziel, verwendet wurden. Dan Marrone, Co-Hauptforscher des EHT und Co-Autor der Arbeit, Professor für Astronomie am Steward Observatory, und sein Team entwickelten für dieses Ergebnis Instrumente, die die polarisierten Radiowellen detektierten.
„Ähnlich wie polarisiertes Licht uns die Ausrichtung der Oberfläche, von der es reflektiert wird, wie zum Beispiel Fenster oder Straßen, mitteilen kann, kann es uns auch die Ausrichtung von Magnetfeldern um Schwarze Löcher zeigen“, sagte Marrone. „Da sich die Magnetfelder um Sgr A* schnell ändern, war die Umwandlung von EHT-Beobachtungen in polarisierte Bilder eine große Herausforderung. Wir sind wirklich stolz darauf, dass unsere Daten genügend Informationen enthalten.“
Wissenschaftler sagen, sie freuen sich über Bilder beider supermassiver Schwarzer Löcher in polarisiertem Licht, weil diese Bilder und die damit verbundenen Daten neue Möglichkeiten zum Vergleich und Kontrast von Schwarzen Löchern unterschiedlicher Größe und Umgebung bieten. Wenn sich die Technologie verbessert, werden die Bilder wahrscheinlich noch mehr Geheimnisse über Schwarze Löcher und ihre Ähnlichkeiten oder Unterschiede enthüllen.
„Diese Erkenntnisse helfen uns, unsere Computermodelle und Theorien zu verbessern und geben uns eine bessere Vorstellung davon, was mit Materie in der Nähe des Ereignishorizonts eines Schwarzen Lochs passiert“, fügte Co-Autor Chi-kwan Chan hinzu, ein Astronomieprofessor an der UArizona, der sich auf theoretische Modellierung konzentriert von Schwarzen Löchern.
Das EHT hat seit 2017 mehrere Beobachtungen durchgeführt. Jedes Jahr werden die Bilder besser, da das EHT neue Teleskope, eine größere Bandbreite und neue Beobachtungsfrequenzen einbezieht.
„Wir entwickeln Hardware und Software, um EHT-Beobachtungen zu automatisieren und es dem EHT so zu ermöglichen, in Zukunft häufiger Beobachtungen durchzuführen, um Filme von Schwarzen Löchern aufzunehmen“, sagte Amy Lowitz, EHT-Forscherin am Steward Observatory und Leiterin der EHT Agility Projekt.
Laut Remo Tilanus, einem UArizona-Professor und EHT-Betriebsleiter, der die Beobachtungskampagnen und technischen Entwicklungen überwacht, sind solche Beobachtungen, die sich über mehrere Monate erstrecken, eines der Hauptziele des EHT für die kommenden Jahre.
„Mit den Fähigkeiten des Agility-Projekts sollten wir in der Lage sein zu sehen, wie Material um M87* herumwirbelt und in seine Düsen geschleudert wird“, sagte Tilanus.
Geplante Erweiterungen für das nächste Jahrzehnt werden auch hochauflösende Filme ermöglichen, möglicherweise einen versteckten Jet in Sgr A* aufdecken und es Astronomen ermöglichen, ähnliche Polarisationsmerkmale in anderen Schwarzen Löchern zu beobachten. Es gibt sogar Pläne, das EHT in den Weltraum auszudehnen, um viel schärfere Bilder von Schwarzen Löchern zu liefern und viel aussagekräftigere Untersuchungen der Rotation von Schwarzen Löchern und der Mechanismen, die die Jets von Schwarzen Löchern antreiben, zu ermöglichen.
Das EHT soll Sgr A* im April erneut beobachten und das EHT UArizona-Team auf Trab halten. Gemeinsam mit Lowitz und Georgiev bereiten der Postdoktorand Andrew Thomas West und die Doktorandin Jasmin Washington derzeit das Submillimeter-Teleskop auf dem Mount Graham und das 12-Meter-Radioteleskop des Arizona Radio Observatory auf dem Kitt Peak für die bevorstehende Beobachtung vor.
Washington, die als Studentin im ersten Studienjahr an der Beobachtungskampagne 2021 teilnahm, sagte, sie habe die Erfahrung genossen und freue sich, dieses Jahr wiederkommen zu können.
„Wir werden mit mehr Teleskopen als je zuvor beobachten, was uns eine bessere Abdeckung und eine höhere Empfindlichkeit für die Durchführung dieser Polarisationsmessungen bietet“, sagte sie.
West fügte hinzu: „Mit sehr hoher Genauigkeit zu messen, wie sich diese Quellen seit ihrer letzten Beobachtung verändert haben, wird unsere Modelle informieren und es uns ermöglichen, grundlegende Fragen zur Physik in diesen extremen Umgebungen zu beantworten – das ist sehr aufregend!“
Quelle: Universität von Arizona
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