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Astronomie - Black hole at the centre of our Galaxy imaged for the first time

12.05.2022

The Event Horizon Telescope network has captured the second-ever direct image of a black hole — called Sagittarius A* — at the centre of the Milky Way.

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Radio astronomers have imaged the super massive black hole at the centre of the Milky Way. It is only the second-ever direct image of a black hole, after the same team unveiled a historic picture of a more distant black hole in 2019.

The long-awaited results, presented today by the Event Horizon Telescope (EHT) collaboration, show an image reminiscent of the earlier one, with a ring of radiation surrounding a darker disk of precisely the size that was predicted from indirect observations and from Albert Einstein’s theory of gravity.

“Today, right this moment, we have direct evidence that this object is a black hole,” said astrophysicist Sara Issaoun of the Harvard Smithsonian Center for Astrophysics at a press conference in Garching, Germany.

“We’ve been working on this for so long, every once and a while you have to pinch yourself and remember that this is the black hole at the centre of our Universe,” said computational-imaging researcher and former EHT team member Katie Bouman at a press conference in Washington, DC. “I mean, what’s more cool than seeing the black hole at the centre of the Milky Way?”

Black-hole observations

During five nights in April 2017, the EHT collaboration used eight different observatories across the world to collect data from both the Milky Way’s black hole — called Sagittarius A* after the constellation in which it is found — as well as the one at the centre of the galaxy M87, called M87*.

The observing locations ranged from Spain to the South Pole and from Chile to Hawaii, and added up to nearly four petabytes (4,000 terabytes) of data, which was too much to be sent over the Internet and had to be carried by aeroplane on hard disks.

The EHT researchers unveiled their image of M87* in 2019, showing the first direct evidence of an event horizon, the spherical surface that shrouds a black hole’s interior.

But the Sagittarius A* data were more challenging to analyse. The two black holes have roughly the same apparent size in the sky, because M87* is nearly 2,000 times farther away but also roughly 1,600 times larger. This also means that any blobs of matter that spiral around M87* are covering much larger distances — larger than the orbit of Pluto around the Sun — and the radiation they emit is essentially constant over short time scales. But Sagittarius A* can change quickly even over the few hours the EHT observes it every day. “In M87* we saw very little variation within a week,” says Heino Falcke, an astrophysicist at Radboud University in Nijmegen, the Netherlands and a co-founder of the EHT collaboration. “Sagittarius A* varies on time scales of 5 to 15 minutes.”

Because of this variability, the EHT team generated not one image of Sagittarius A*, but thousands, and the image unveiled today is the result of a lot of processing. “By averaging them together we are able to emphasize common features,” said EHT member José Gómez of the Andalusian Institute of Astrophysics in Granada, Spain. The next aim of the project is to generate a movie of the black hole to learn more about its physical properties, said Feryal Özel, an astrophysicist at the University of Arizona in Tucson.

The EHT team conducted supercomputer simulations to compare with their data, and concluded that Sagittarius A* is probably rotating along an axis that roughly points along the line of sight to Earth. The direction of that rotation is anticlockwise, Gómez said.

“What blows my mind is that we’re seeing it face-on,” says Regina Caputo, an astrophysicist at NASA–Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland. NASA's Fermi Gamma-Ray Space Telescope, which Caputo works with, had previously detected giant glowing features above and below the centre of the galaxy, which could have been produced by Sagittarius A* during periods of intense activity in the past. But those features, known as Fermi bubbles, would seem to require matter to swirl around the black hole edge-on as seen from Earth, rather than face-on.

Extremely massive object

The first hints of the existence of Sagittarius A* were seen in the 1970s, when radio astronomers discovered a seemingly pointlike radio source in the central region of the Galaxy.

The source turned out to be unusually dim, dimmer than an average star. Still, decades-long observations of the motions of nearby stars revealed that the object was extremely massive. The most recent ones have measured it to be 4.15 million times the mass of the Sun, give or take 0.3%. These calculations, done by tracking how stars orbit Sagittarius A*, provided strong evidence that the radio source is so massive and dense that it could be nothing else than a black hole, and earned Andrea Ghez and Reinhard Genzel a share of the 2020 Nobel Prize in Physics. (The EHT image shows that the black hole weighs around 4 million solar masses, which is consistent with those earlier estimates, although not as precise.)

Sagittarius A* is practically invisible to optical telescopes, because of the dust and gas on the galactic disk. But beginning in the 1990s, Falcke and others realized that the shadow of the black hole might be just large enough to be imaged with short radio waves, which can pierce that veil. But to do so, researchers calculated, would require a telescope the size of Earth. Fortunately, the technique called interferometry could help. It involves pointing multiple, faraway telescopes at the same object simultaneously. Effectively, the telescopes work as if they were shards of one big dish.

The first attempts to observe Sagittarius A* with interferometry used relatively long, 7 millimetre radio waves, and observatories a few thousand kilometres apart. All astronomers could see was a blurred-out spot.

Teams worldwide then refined their techniques, and retrofitted some major observatories so that they could add them to the network. In particular, a group led by Shep Doeleman of Harvard University in Cambridge, Massachusetts, adapted the South Pole Telescope and the US$1.4-billion Atacama Large Millimetre/submillimetre Array (ALMA) in Chile to do the work. In 2008, Doeleman’s team also conducted the first observations at the more technically challenging 1.3 millimetre wavelength.

Then in 2015, groups joined forces as the EHT collaboration. Their 2017 observation campaign was the first one to span distances long enough to resolve details the size of Sagittarius A*.

Future plans

The EHT collected more data in 2018 but cancelled their planned observation campaigns in 2019 and 2020. They resumed observations in 2021 and 2022, with an improved network and more sophisticated instruments.

Remo Tilanus, an EHT member at the University of Arizona in Tucson, says that the team’s latest observations, in March, recorded signals at twice the rate as in 2017 — which should help to increase the resolution of the resulting images.

Researchers also hope to find out whether Sagittarius A* has jets. Many black holes, including M87*, display two beams of rapidly matter shooting out in opposite directions, presumably as a result of the intense heating of the in-falling gas. Sagittarius A* might have had large jets in the past — as heated clouds of matter above and below the galactic centre suggest. Its jets would now be much weaker, but their presence could still reveal important details about our Galaxy’s history.

“These jets can inhibit or induce star formation, they can move the chemical elements around,” and affect the evolution of an entire galaxy, says Falcke. “And we’re now looking at where it’s happening.”

Quelle: nature

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eso2208-eht-mwde — Pressemitteilung Wissenschaft

Astronomen enthüllen erstes Bild des schwarzen Lochs im Herzen unserer Galaxie

12. Mai 2022

 

Heute haben Astronomen bei gleichzeitigen Pressekonferenzen auf der ganzen Welt, darunter auch am Hauptsitz der Europäischen Südsternwarte (ESO) in Deutschland, das erste Bild des supermassereichen schwarzen Lochs im Zentrum unserer eigenen Milchstraßengalaxie präsentiert. Dieses Ergebnis liefert überwältigende Beweise dafür, dass es sich bei dem Objekt tatsächlich um ein schwarzes Loch handelt, und liefert wertvolle Hinweise auf die Funktionsweise solcher Giganten, von denen man annimmt, dass sie sich im Zentrum der meisten Galaxien befinden. Das Bild wurde von einem globalen Forschungsteam, der Event Horizon Telescope (EHT) Collaboration, unter Verwendung von Beobachtungen aus einem weltweiten Netzwerk von Radioteleskopen erstellt.

Das Bild ist ein lang erwarteter Blick auf das massereiche Objekt, das sich im Zentrum unserer Galaxie befindet. Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen hatten zuvor Sterne gesehen, die um ein unsichtbares, kompaktes und sehr massereiches Objekt im Zentrum der Milchstraße kreisen. Dies deutete stark darauf hin, dass es sich bei diesem Objekt – bekannt als Sagittarius A* (Sgr A*) – um ein schwarzes Loch handelt, und die heutige Aufnahme liefert den ersten direkten visuellen Beweis dafür.

Obwohl wir das schwarze Loch selbst nicht sehen können, weil es völlig dunkel ist, zeigt das umgebende glühende Gas eine verräterische Signatur: eine dunkle zentrale Region (Schatten genannt), die von einer hellen ringförmigen Struktur umgeben ist. Dieser neue Blick zeigt das Licht, das durch die starke Schwerkraft des schwarzen Lochs, das vier Millionen Mal massereicher als unsere Sonne ist, gebeugt wird.

Wir waren verblüfft, wie gut die Größe des Rings mit den Vorhersagen von Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorieübereinstimmte“, sagte EHT-Projektwissenschaftler Geoffrey Bower vom Institut für Astronomie und Astrophysik der Academia Sinica in Taipeh. „Diese beispiellosen Beobachtungen haben unser Verständnis dessen, was im Zentrum unserer Galaxie geschieht, erheblich verbessert und bieten neue Erkenntnisse darüber, wie diese riesigen schwarzen Löcher mit ihrer Umgebung in Verbindung stehen.“ Die Ergebnisse des EHT-Teams werden heute in einer Sonderausgabe der Zeitschrift The Astrophysical Journal Letters veröffentlicht.

Da das schwarze Loch etwa 27.000 Lichtjahre von der Erde entfernt ist, erscheint es uns am Himmel etwa so groß wie ein Krapfen auf dem Mond. Zur Abbildung des schwarzen Lochs schuf das Team das leistungsstarke EHT, das acht bestehende Radio-Observatorien auf der ganzen Welt zu einem einzigen virtuellen Teleskop in Erdgröße verband [1]. Das EHT beobachtete Sgr A* in mehreren Nächten im Jahr 2017 und sammelte viele Stunden am Stück Daten, ähnlich wie bei einer langen Belichtungszeit einer Kamera.

Neben anderen Einrichtungen umfasst das EHT-Netzwerk von Radioobservatorien auch das Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) und das Atacama Pathfinder EXperiment (APEX) in der Atacama-Wüste in Chile, die von der ESO im Namen ihrer europäischen Mitgliedsstaaten mitbetreut werden. Europa trägt auch mit anderen Radioobservatorien zu den EHT-Beobachtungen bei – dem 30-Meter-Teleskop IRAM in Spanien und, seit 2018, dem NOrthern Extended Millimeter Array (NOEMA) in Frankreich – sowie mit einem Supercomputer zur Kombination von EHT-Daten, der vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Deutschland betrieben wird. Darüber hinaus hat Europa das EHT-Konsortiumsprojekt durch Zuschüsse des Europäischen Forschungsrats und der Max-Planck-Gesellschaft in Deutschland finanziell unterstützt.

Es ist sehr faszinierend für die ESO, dass sie über so viele Jahre hinweg eine so wichtige Rolle bei der Entschlüsselung der Geheimnisse schwarzer Löcher und insbesondere von Sgr A* gespielt hat“, kommentierte ESO-Generaldirektor Xavier Barcons. „Die ESO hat nicht nur durch die ALMA- und APEX-Anlagen zu den EHT-Beobachtungen beigetragen, sondern mit ihren anderen Observatorien in Chile auch einige der früheren bahnbrechenden Beobachtungen des galaktischen Zentrums ermöglicht.[2]

Der EHT-Erfolg folgt auf die Veröffentlichung des ersten Bildes eines schwarzen Lochs, genannt M87*, im Zentrum der weiter entfernten Galaxie Messier 87 im Jahr 2019.

Die beiden schwarzen Löcher sehen sich bemerkenswert ähnlich, obwohl das schwarze Loch unserer Galaxie mehr als tausendmal kleiner und weniger massereich ist als M87* [3]. „Wir haben zwei völlig unterschiedliche Arten von Galaxien und zwei sehr unterschiedliche Massen von schwarzen Löchern, aber in der Nähe des Randes dieser schwarzen Löcher sehen sie sich verblüffend ähnlich“, sagt Sera Markoff, Co-Vorsitzende des EHT-Wissenschaftsrats und Professorin für theoretische Astrophysik an der Universität von Amsterdam in den Niederlanden. „Das sagt uns, dass die Allgemeine Relativitätstheorie im Nahbereich für diese Objekte dominiert und alle Unterschiede, die wir in größerer Entfernung sehen, auf Abweichungen im Material zurückzuführen sein müssen, das die schwarzen Löcher umgibt.

Diese Leistung war wesentlich schwieriger als bei M87*, obwohl uns Sgr A* viel näher ist. Der EHT-Wissenschaftler Chi-kwan ('CK') Chan vom Steward Observatory und dem Department of Astronomy und dem Data Science Institute der University of Arizona, USA, erklärt: „Das Gas in der Nähe der schwarzen Löcher bewegt sich mit der gleichen Geschwindigkeit – fast so schnell wie das Licht – sowohl um Sgr A* als auch um M87*. Aber während das Gas Tage bis Wochen braucht, um das größere M87* zu umkreisen, vollendet es eine Umkreisung um das viel kleinere Sgr A* in nur wenigen Minuten. Das bedeutet, dass sich die Helligkeit und das Muster des Gases um Sgr A* schnell änderten, während die EHT Collaboration es beobachtete – ein bisschen wie der Versuch, ein klares Bild von einem Welpen zu machen, der schnell seinem Schwanz nachjagt.

Die Forschenden mussten raffinierte neue Methoden entwickeln, um die Gasbewegung um Sgr A* zu berücksichtigen. Während M87* ein einfacheres, stabileres Ziel war, bei dem fast alle Bilder gleich aussahen, war dies bei Sgr A* nicht der Fall. Das Bild des schwarzen Lochs Sgr A* ist ein Durchschnitt der verschiedenen Bilder, die das Team extrahiert hat, und offenbart schließlich zum ersten Mal den Riesen, der im Zentrum unserer Galaxie lauert.

Dieser Erfolg wurde durch den Einfallsreichtum von mehr als 300 Forschenden aus 80 Instituten auf der ganzen Welt ermöglicht, die zusammen die EHT Collaboration bilden. Neben der Entwicklung komplexer Werkzeuge zur Bewältigung der Herausforderungen bei der Abbildung von Sgr A* hat das Team fünf Jahre lang sorgfältig gearbeitet und Supercomputer zur Kombination und Analyse ihrer Daten eingesetzt. Gleichzeitig hat es eine noch nie dagewesene Bibliothek simulierter schwarzer Löcher zum Vergleich mit den Beobachtungen zusammengestellt.

Die Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen freuen sich besonders darüber, dass sie nun endlich Bilder von zwei schwarzen Löchern sehr unterschiedlicher Größe haben, was ihnen die Möglichkeit gibt, zu verstehen, worin sie sich ähneln und unterscheiden. Sie haben auch begonnen, die neuen Daten zu nutzen, um Theorien und Modelle darüber zu testen, wie sich Gas in der Umgebung supermassereicher schwarzer Löcher verhält. Dieser Prozess ist noch nicht vollständig verstanden, aber es wird angenommen, dass er eine Schlüsselrolle bei der Entstehung und Entwicklung von Galaxien spielt.

Jetzt können wir die Unterschiede zwischen diesen beiden supermassereichen schwarzen Löchern untersuchen, um wertvolle neue Erkenntnisse darüber zu gewinnen, wie dieser wichtige Prozess funktioniert“, sagte EHT-Wissenschaftler Keiichi Asada vom Institut für Astronomie und Astrophysik der Academia Sinica in Taipeh. „Wir haben Bilder von zwei schwarzen Löchern – eines am oberen und eines am unteren Ende der supermassereichen schwarzen Löcher im Universum – so dass wir bei der Untersuchung des Verhaltens der Schwerkraft in diesen extremen Umgebungen viel weiter vorankommen können als jemals zuvor.

Die Fortschritte beim EHT gehen weiter: Eine große Beobachtungskampagne im März 2022 umfasste mehr Teleskope als je zuvor. Der kontinuierliche Ausbau des EHT-Netzwerks und bedeutende technologische Modernisierungen werden es den Wissenschaftlern und Wissenschaftlerinnen ermöglichen, in naher Zukunft noch weitere beeindruckende Bilder und Filme von schwarzen Löchern zu präsentieren.

Endnoten

[1] Die einzelnen Teleskope, die im April 2017, als die Beobachtungen durchgeführt wurden, am EHT beteiligt waren, sind:: das Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), das Atacama Pathfinder EXperiment (APEX), das IRAM 30-Meter-Teleskop, das James Clerk Maxwell Teleskop (JCMT), das Large Millimeter Telescope Alfonso Serrano (LMT), das Submillimeter Array (SMA), das UArizona Submillimeter Telescope (SMT), das South Pole Telescope (SPT). Seitdem hat das EHT das Grönland-Teleskop (GLT), das NOrthern Extended Millimeter Array (NOEMA) und das 12-Meter-Teleskop der UArizona auf dem Kitt Peak in sein Netzwerk aufgenommen.

ALMA ist eine Partnerschaft zwischen der Europäischen Südsternwarte (ESO; Europa, stellvertretend für seine Mitgliedsstaaten), der U.S. National Science Foundation (NSF) und den National Institutes of Natural Sciences (NINS) von Japan, zusammen mit dem National Research Council (Kanada), dem Ministerium für Wissenschaft und Technologie (MOST; Taiwan), dem Academia Sinica Institute of Astronomy and Astrophysics (ASIAA; Taiwan) und dem Korea Astronomy and Space Science Institute (KASI; Republik Korea), in Zusammenarbeit mit der Republik Chile. Das gemeinsame ALMA-Observatorium wird von der ESO, der Associated Universities, Inc./National Radio Astronomy Observatory (AUI/NRAO) und dem National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ) betrieben. APEX, eine Zusammenarbeit zwischen dem Max-Planck-Institut für Radioastronomie (Deutschland), dem Onsala Space Observatory (Schweden) und der ESO, wird von der ESO betrieben. Das 30-Meter-Teleskop wird von IRAM betrieben (die IRAM-Partnerorganisationen sind MPG [Deutschland], CNRS [Frankreich] und IGN [Spanien]). Das JCMT wird von der Ostasiatischen Sternwarte im Auftrag des Nationalen Astronomischen Observatoriums von Japan, der ASIAA, der KASI, des Nationalen Astronomischen Forschungsinstituts von Thailand, des Zentrums für astronomische Megawissenschaften und von Organisationen in Großbritannien und Kanada betrieben. Das LMT wird von INAOE und UMass betrieben, das SMA wird vom Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian und ASIAA betrieben und das UArizona SMT wird von der Universität von Arizona betrieben. Das SPT wird von der Universität von Chicago betrieben, wobei die Universität von Arizona spezielle EHT-Instrumente bereitstellt.

Das Greenland Telescope (GLT) wird von der ASIAA und dem Smithsonian Astrophysical Observatory (SAO) betrieben. Das GLT ist Teil des ALMA-Taiwan-Projekts und wird zum Teil von der Academia Sinica (AS) und MOST unterstützt. NOEMAwird von IRAM betrieben und das 12-Meter-Teleskop auf dem Kitt Peak wird von der University of Arizona betrieben.

[2] Eine gute Grundlage für die Interpretation dieses neuen Bildes lieferten frühere Forschungen zu Sgr A*. Astronomen kennen die helle, dichte Radioquelle im Zentrum der Milchstraße in Richtung des Sternbilds Sagittarius seit den 1970er Jahren. Durch die Vermessung der Umlaufbahnen mehrerer Sterne in unmittelbarer Nähe unseres galaktischen Zentrums über einen Zeitraum von 30 Jahren konnten die Teams um Reinhard Genzel (Direktor am Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik in Garching bei München) und Andrea M. Ghez (Professorin im Fachbereich Physik und Astronomie an der University of California, Los Angeles, USA) zu dem Schluss kommen, dass die wahrscheinlichste Erklärung für ein Objekt mit dieser Masse und Dichte ein supermassereiches schwarzes Loch ist. Die Einrichtungen der ESO (einschließlich des Very Large Telescope und des Very Large Telescope Interferometer) und des Keck-Observatoriums wurden für diese Forschung genutzt, für die sie gemeinsam den Nobelpreis für Physik 2020 erhielten.

[3] Schwarze Löcher sind die einzigen uns bekannten Objekte, bei denen die Masse mit der Größe skaliert. Ein schwarzes Loch, das tausendmal kleiner ist als ein anderes, ist auch tausendmal weniger massereich. 

Quelle: ESO

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Entstehung des Bildes des schwarzen Lochs im Zentrum der Milchstraße

 

Die Event Horizon Telescope (EHT) Collaboration hat ein einzelnes Bild (oberes Bild) des supermassereichen schwarzen Lochs im Zentrum unserer Galaxie, Sagittarius A* oder kurz Sgr A* genannt, erstellt, indem sie Bilder aus den EHT-Beobachtungen kombiniert hat.

Das Hauptbild wurde durch die Mittelung von Tausenden von Bildern erstellt, die mit verschiedenen Berechnungsmethoden erstellt wurden - die alle genau zu den EHT-Daten passten. Dieses gemittelte Bild enthält Merkmale, die in den verschiedenen Bildern häufiger zu sehen sind, und unterdrückt Merkmale, die seltener auftreten.

Die Bilder können außerdem auf der Grundlage ähnlicher Merkmale in vier Gruppen eingeteilt werden. Ein gemitteltes, repräsentatives Bild für jede der vier Gruppen ist in der unteren Reihe zu sehen. Drei der Gruppen zeigen eine Ringstruktur, allerdings mit unterschiedlich verteilter Helligkeit rund um den Ring. Die vierte Gruppe enthält Bilder, die ebenfalls zu den Daten passen, aber nicht ringförmig erscheinen.

Die Balkendiagramme zeigen die relative Anzahl der Bilder, die zu den einzelnen Gruppen gehören. Die ersten drei Cluster enthalten jeweils Tausende von Bildern, während die vierte und kleinste Gruppe nur Hunderte von Bildern enthält. Die Höhe der Balken zeigt die relativen „Gewichte“ oder Beiträge jeder Gruppe zu dem gemittelten Bild oben an.

Das EHT-Netzwerk von Radioobservatorien, das dieses Bild ermöglicht hat, umfasst neben anderen Einrichtungen auch das Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array (ALMA) und das Atacama Pathfinder EXperiment (APEX) in der Atacama-Wüste in Chile, an dem die ESO im Auftrag ihrer europäischen Mitgliedsstaaten als Partner beteiligt ist und mitarbeitet.

Herkunftsnachweis:

EHT Collaboration

Quelle: ESO

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Größenvergleich von zwei schwarzen Löchern: M87* und Sagittarius A*

 

Größenvergleich der beiden schwarzen Löcher, die von der Event Horizon Telescope (EHT) Collaboration aufgenommen wurden: M87*, im Herzen der Galaxie Messier 87, und Sagittarius A* (Sgr A*), im Zentrum der Milchstraße. Das Bild zeigt die Größe von Sgr A* im Vergleich zu M87* und anderen Elementen des Sonnensystems wie den Bahnen von Pluto und Merkur. Außerdem werden der Durchmesser der Sonne und die aktuelle Position der Raumsonde Voyager 1, des am weitesten von der Erde entfernten Raumfahrzeugs, angezeigt. M87*, das 55 Millionen Lichtjahre entfernt liegt, ist eines der größten schwarzen Löcher, die bekannt sind. Während das 27.000 Lichtjahre entfernte Sgr A* eine Masse hat, die etwa dem Viermillionenfachen der Masse der Sonne entspricht, wiegt M87* das Sechshundertfache dieser Zahl. Aufgrund ihrer relativen Entfernung von der Erde erscheinen beide schwarzen Löcher am Himmel gleich groß.

Herkunftsnachweis:

EHT collaboration (acknowledgment: Lia Medeiros, xkcd)

Quelle: ESO

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