Die internationale Multi-Instrument Event Horizon Telescope Collaboration (EHT) hat neue Beobachtungen vorgestellt, die sie von einem spektakulären Gammablitz ausgelöst durch einen starken relativistischen Jets aus dem Zentrum der Galaxie M87 bei verschiedenen Wellenlängen gemacht haben. Sie könnten zu einem besseren Verständnis darüber führen, wie und wo Teilchen in dieser Art von Jets beschleunigt werden.

M87, auch bekannt als Virgo A oder NGC 4486, ist das hellste Objekt im Virgo-Galaxienhaufen, der größten durch Gravitation gebundenen Art von Struktur im Universum. Es wurde im April 2019 berühmt, nachdem Wissenschaftlerinen und Wissenschaftler der EHT das erste Bild vom Schwarzen Loch in seinem Zentrum veröffentlicht hatten. Die von der EHT-„Multi-Wavelength“-Arbeitsgruppe geleitete Studie, die im Astronomy and Astrophysics Journal veröffentlicht wurde, präsentiert die Daten der zweiten EHT-Beobachtungskampagne, die im April 2018 durchgeführt wurde und an der über 25 Teleskope auf der Erde und im Weltall beteiligt waren. Die Autorinnen und Autoren melden die erste Beobachtung einer hochenergetischen Gammastrahlenflare seit über einem Jahrzehnt aus dem supermassereichen Schwarzen Loch M87*, nachdem sie nahezu simultane Spektren der Galaxie mit dem breitesten jemals gesammelten Wellenlängenbereich erhalten haben. Eine hochenergetische Gammastrahlenflare hat die bis zu tausendmilliardenfache Energie von sichtbarem Licht. Die Forschenden untersuchen die unmittelbare Umgebung, um die Schwerkrafteffekte zu verstehen, die in der Nähe eines Schwarzen Lochs zu erwarten sind, sowie die Dynamik in der Nähe des Schwarzen Lochs, wenn die Materie mit annähernd Lichtgeschwindigkeit um das Loch kreist. Diese Erkenntnisse versprechen, ein neues Licht auf die Erforschung der allgemeinen Relativitätstheorie zu werfen.

 „Wir hatten das Glück, während der Multi-Wellenlängen-Kampagne des Event Horizon Telescope eine Gammastrahlenflare von M87 zu entdecken. Dies ist seit über einem Jahrzehnt die erste Gammastrahlenflare, das bei dieser Quelle entdeckt wurde. Die Beobachtungen, darunter auch die mit einem empfindlicheren Array in den Jahren 2021 und 2022 sowie die für die kommenden Jahre geplanten, werden uns weitere Einblicke und eine unglaubliche Gelegenheit bieten, die Physik rund um das supermassive Schwarze Loch M87* zu untersuchen und die Verbindung zwischen Scheibe und Jet sowie den Ursprung und die Mechanismen, die für die Emission von Gammastrahlenphotonen verantwortlich sind, zu beleuchten“, sagt Giacomo Principe, Koordinator der Studie und Forscher an der Universität Triest, der mit INAF und INFN verbunden ist. 

Der von den Forscherinnen und Forschern untersuchte kosmische Jet ist überraschend groß: Er übertrifft den Ereignishorizont des Schwarzen Lochs um das Zehnmillionenfache oder sieben Größenordnungen - das entspricht dem Unterschied zwischen der Größe eines Bakteriums und dem größten bekannten Blauwal.

Die energiereiche Flare, die etwa drei Tage andauerte, zeigte, dass die Emission einen hellen Lichtblitz mit höherer Energie aufweist als die, die typischerweise von Radioteleskopen in der Region des Schwarzen Lochs entdeckt wird. „Die Dauer der Flares begrenzt normalerweise die Größe der Emissionsregion, das heißt, je schneller die Flare, desto kleiner muss die Emissionsregion sein. Die schnelle Variabilität der Gammastrahlung deutet auf eine sehr kleine Emissionsregion hin, die nur etwa zwanzigmal so groß ist wie das zentrale Schwarze Loch. Interessanterweise wurde diese dreitägige Variabilität bei den anderen Wellenlängen nicht festgestellt, was auf eine komplexe Morphologie der Emissionsregion bei verschiedenen Wellenlängen hinweisen könnte und nicht auf eine einzelne Zone, die für die gesamte Emission verantwortlich ist“, betont Victor Barbosa Martins, Mitautor und Forscher bei DESY in Zeuthen, jetzt an der Ruhr-Universität Bochum. An der zweiten EHT- und Multi-Wellenlängen-Kampagne im Jahr 2018 waren mehr als zwei Dutzend hochkarätige Beobachtungseinrichtungen beteiligt, darunter die NASA-Teleskope Fermi-LAT, NuSTAR, Chandra und Swift sowie die drei weltweit größten Imaging Atmospheric Cherenkov Telescope Arrays (H.E.S.S., MAGIC und VERITAS). Diese Observatorien sind empfindlich für Röntgen- bzw. sehr energiereiche (VHE) Gammastrahlen. Während der Kampagne entdeckte das LAT-Instrument an Bord des Fermi-Weltraumobservatoriums einen Anstieg des hochenergetischen Gammastrahlenflusses mit Energien, die bis zu einem Milliardenfachen des sichtbaren Lichts betragen. Chandra und NuSTAR sammelten dann wichtige Daten im Röntgenbereich. Die VLBA-Radiobeobachtungen zeigen eine scheinbare jährliche Änderung des Positionswinkels des Jets innerhalb weniger Mikrosekunden des Bogens vom Galaxienkern.

„Diese Arbeit bietet der astrophysikalischen Gemeinschaft einen reichhaltigen und quasi-simultanen Datensatz, der es Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern aus aller Welt ermöglicht, ihre theoretischen Modelle zur Erklärung der Strahlung und der physikalischen Umgebung in der Nähe des Schwarzen Lochs in M87 weiter zu testen. 

Die Daten zeigen auch eine signifikante Variation des Positionswinkels der Asymmetrie des Rings (des so genannten 'Ereignishorizonts' des Schwarzen Lochs) und der Position des Jets, was Zusammenhänge zwischen diesen Strukturen auf sehr unterschiedlichen Skalen offenbart. Principe erklärt: „Auf dem ersten Bild, das während der Beobachtungskampagne 2018 aufgenommen wurde, war dieser Ring nicht homogen. Er wies Asymmetrien auf, zum Beispiel hellere Bereiche. Nachfolgende Beobachtungen, die 2018 im Zusammenhang mit dieser Arbeit durchgeführt wurden, bestätigten die Daten und zeigten, dass sich der Positionswinkel der Asymmetrie verändert hatte.“

„Wie und wo Teilchen in kosmischen Jets von supermassiven Schwarzen Löchern beschleunigt werden, ist ein altes Rätsel.  Zum ersten Mal können wir die direkte Abbildung der ereignishorizontnahen Regionen während Gammastrahlenflares mit Teilchenbeschleunigungsereignissen kombinieren und Theorien über die Ursprünge der Flares testen“, sagt Sera Markoff, Professorin an der Universität Amsterdam und Mitautorin der Studie.

Diese Entdeckung ebnet den Weg für zukünftige Forschungen und mögliche Durchbrüche beim Verständnis des Universums.

Originalveröffentlichung:

Algaba et al, Broadband multi-wavelength properties of M87 during the 2018 EHT campaign including a very high energy flaring episode. Astronomy & Astrophysics 2024. DOI: 10.1051/0004-6361/202450497

https://doi.org/10.1051/0004-6361/202450497
https://doi.org/10.1051/0004-6361/202450497
https://doi.org/10.1051/0004-6361/202450497Published online13 December 2024