(openPR) Um zu beurteilen, wie genau die Entwicklung von Jets in den Zentren aktiver Galaxien mit supermassereichen Schwarzen Löchern vonstatten geht, hat ein internationales Forschungsteam unter der Leitung von Jan Röder (MPIfR und IAA-CSIC) Beobachtungen mit dem Event-Horizon-Teleskop mit früheren Studien mit dem Very Long Baseline Array und dem Global Millimeter VLBI Array verglichen, die viel größere räumliche Skalen untersuchen. Aus diesem Vergleich konnten sie ableiten, wie sich die Jets von ihrem Ursprung in der Nähe des Schwarzen Lochs bis zu einer Entfernung von vielen Lichtjahren in den interstellaren Raum entwickeln. Die Intensität der von einer bestimmten Himmelsregion ausgehenden Strahlung, gemessen als Helligkeitstemperatur, nimmt im Allgemeinen zu, wenn sich das Jet-Plasma, von dem die Strahlung emittiert wird, weiter vom Schwarzen Loch entfernt.
„Unsere Ergebnisse stellen langjährige Annahmen über das Verhalten von Jets in Frage“, sagt Jan Röder. „Durch die Analyse einer Stichprobe von sechzehn aktiven galaktischen Kernen konnten wir den Einfluss individueller Besonderheiten reduzieren und ein breiteres Bild vom Verhalten dieser Jets gewinnen.“
Im bisher gebräuchlichsten Modell wird davon ausgegangen, dass Jets konisch sind und ein Plasma enthalten, das sich mit konstanter Geschwindigkeit bewegt, während die magnetische Feldstärke und die Dichte des Jet-Plasmas mit zunehmender Entfernung von der zentralen Maschine abnehmen. Auf der Grundlage dieser Annahmen können Vorhersagen über die beobachtbaren Eigenschaften von Jets gemacht werden.
„Dieses Basismodell kann nicht alle Jets perfekt beschreiben – höchstwahrscheinlich nur einen kleinen Teil. Die Dynamik und die Substruktur von Jets sind kompliziert, und die Beobachtungsergebnisse können durch astrophysikalische Entartungen stark beeinträchtigt werden“, fährt Jan Röder fort. „Wir wissen zum Beispiel, dass viele Jets zu beschleunigen scheinen. Entweder beschleunigt das Plasma selbst, oder es kann ein Effekt der Geometrie sein: Wenn sich der Jet krümmt, kann er direkter auf uns gerichtet sein, was den Eindruck einer schnelleren Bewegung vermittelt.“
„Durch die Verwendung einer Stichprobe von sechzehn Aktiven Galaktischen Kernen konnten wir uns ein umfassenderes Bild vom Verhalten der Jets machen, als wenn wir nur einzelne Quellen untersucht hätten. Auf diese Weise sind die Ergebnisse weniger anfällig für die Beeinflussung durch ihre jeweiligen individuellen Eigenschaften“, sagt Maciek Wielgus vom IAA-CSIC, der Co-Leiter des Projekts. „Wir haben festgestellt, dass die Helligkeit der Jets typischerweise mit zunehmender Entfernung vom Schwarzen Loch zunimmt, was einen starken Hinweis auf eine Beschleunigung darstellt.“
Eduardo Ros, vom MPIfR, der europäische Planer des Global Millimeter VLBI Array, betont die Bedeutung der Beobachtungen im mittleren Maßstab: „Das Global Millimeter VLBI Array, das bei einer Wellenlänge von 3,5 mm arbeitet, liefert Schlüsselinformationen zwischen den höchsten Auflösungen, die das EHT erreicht, und dem allgemeineren Bild der Jets, das das Very Long Baseline Array liefert. Dies wurde im Fall von M87 deutlich, wie von RuSen Lu und Mitarbeitern in einer früheren Arbeit gezeigt werden konnte.“
Aktive galaktische Kerne, die hellen Zentralquellen einiger Galaxien, werden von supermassereichen Schwarzen Löchern angetrieben. Aus einigen dieser Objekte treten mächtige Plasmastrahlen aus, die viele tausend Lichtjahre weit in den intergalaktischen Raum reichen. Um die komplizierte Physik hinter diesem Phänomen zu verstehen, sind Beobachtungen mit extremer Winkelauflösung erforderlich, die es den Astronomen ermöglichen, in die Nähe des Ursprungs für den Jet zu blicken.
Das Event-Horizon-Teleskop (EHT) ist eine Anordnung von Radioteleskopen, die über die ganze Welt verstreut sind. Zusammen bilden sie ein virtuelles Teleskop von der Größe der Erde, das die erforderliche Auflösung für die Untersuchung von Schwarzen Löchern und ihren Jets bietet. Das EHT wird von einer internationalen Zusammenarbeit von Hunderten von Wissenschaftlern betrieben und lieferte die ersten Bilder von supermassereichen Schwarzen Löchern in den Zentren der Milchstraße (Sagittarius A*) und der Galaxie M87. Neben diesen Hauptzielen beobachtete das EHT während seiner Kampagne 2017 auch eine Reihe weiterer Aktiver Galaktischer Kerne.
Um zu beurteilen, wie genau – oder ungenau – das Verständnis für die Entwicklung von Jets ist, verglichen die Forscher die EHT-Ergebnisse mit früheren Beobachtungen der gleichen Quellen. Diese wurden mit dem Very Long Baseline Array und dem Global Millimeter VLBI Array durchgeführt, mit denen viel größere räumliche Skalen untersucht werden können als mit dem EHT. Aus diesem Vergleich konnte die Entwicklung der Jets von der Nähe ihres Ursprungs bis hin zu vielen Lichtjahren Entfernung im interstellaren Raum abgeleitet werden. Die durch die Helligkeitstemperatur gemessene Strahlungsleistung pro Raumwinkel, die von einer bestimmten Quelle ausgeht, nimmt allmählich zu, wenn sich das strahlende Jet-Plasma immer weiter vom Schwarzen Loch entfernt.
Es gibt zwar alternative Erklärungen für diese neuen Beobachtungen, wie etwa eine Abweichung von der konischen Geometrie, aber das grundlegende theoretische Modell kann die Eigenschaften von Jets in der Nähe ihres Ursprungs mit Sicherheit nicht vollständig reproduzieren. „Es sind weitere Studien erforderlich, um den Beschleunigungsmechanismus, den Energiefluss, und die Rolle von Magnetfeldern in den Jets aktiver galaktischer Kerne und ihre Geometrien vollständig zu verstehen. Das expandierende EHT-Netzwerk wird eine wichtige Rolle bei der zukünftigen Entdeckung dieser faszinierenden Objekte spielen“, sagt Jan Röder.
J. Anton Zensus, Direktor am MPIfR und Gründungsvorsitzender der EHT-Kollaboration, fasst zusammen: „Diese Ergebnisse beruhen auf den laufenden Arbeiten des EHT und werden durch die Studien des Global Millimeter VLBI Array bestätigt. Sie zeigen, wie wichtig globale Partnerschaften, Spitzentechnologien und beharrliche Forschung für den wissenschaftlichen Fortschritt sind. Mit neuen Teleskopen und der nächsten Generation von Netzwerken werden wir unser Verständnis für diese faszinierenden kosmischen Phänomene weiter vertiefen.“
An der EHT-Kollaboration sind mehr als 400 Forschende aus Afrika, Asien, Europa, Nord- und Südamerika beteiligt, davon fast 300 an der vorliegenden Arbeit. Die internationale Zusammenarbeit hat sich zum Ziel gesetzt, die detailliertesten Bilder von Schwarzen Löchern mit einem virtuellen Teleskop von der Größe der Erde einzufangen, und hat dabei auch beispiellose Ergebnisse über aktive galaktische Kerne erzielt. Unterstützt durch beträchtliche internationale Anstrengungen verknüpft das EHT bestehende Teleskope mit neuartigen Techniken und schafft so ein grundlegend neues Instrument, das eine extreme Winkelauflösung erreicht.
Das EHT-Konsortium besteht aus 13 beteiligten Instituten: dem Academia Sinica Institute of Astronomy and Astrophysics, der University of Arizona, dem Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian, der University of Chicago, dem East Asian Observatory, der Goethe-Universität Frankfurt am Main, dem Institut de Radioastronomie Millimétrique, dem Large Millimeter Telescope, dem Max-Planck-Institut für Radioastronomie, dem MIT Haystack Observatory, dem National Astronomical Observatory of Japan, dem Perimeter Institute for Theoretical Physics, und der Radboud University.
Die in dieser Studie analysierten AGN wurden mit Untergruppen der acht Teleskopstationen des EHT 2017-Netzwerks beobachtet: dem Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), dem Atacama Pathfinder Experiment (APEX), dem Institut de Radioastronomie Millimetrique (IRAM) 30-Meter-Teleskop, dem James Clerk Maxwell Teleskop (JCMT), dem Large Millimeter Telescope Alfonso Serrano (LMT), dem Submillimeter Array (SMA), dem Submillimeter Telescope der University of Azizona (SMT) und dem South Pole Telescope (SPT).
Die Daten wurden an den Korrelatoreinrichtungen des MPIfR in Bonn und des MIT/Haystack Observatory in Massachusetts, USA, verarbeitet. Seit 2017 hat das EHT das Greenland Telescope (GLT), das IRAM Northern Extended Millimeter Array (NOEMA) und das 12-Meter-Teleskop der University of Arizona auf dem Kitt Peak zusätzlich in sein Netzwerk aufgenommen.
Autoren der Veröffentlichung mit einer MPIfR-Affiliation sind Jan Röder, der Erstautor, sowie Maciek Wielgus, Andrei P. Lobanov, Thomas P. Krichbaum, Dhanya G. Nair, Eduardo Ros, Michael Janssen, Anne-Kathrin Baczko, Ru-Sen Lu, Georgios F. Paraschos, Efthalia Traianou, Daewon Kim und Yuri Y. Kovalev. Die folgenden Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler mit MPIfR-Affiliation sind ebenfalls als Koautoren beteiligt: Walter Alef, Rebecca Azulay, Uwe Bach, Silke Britzen, Gregory Desvignes, Sergio A. Dzib, Ralph Eatough, Christian M. Fromm, Dong-Jin Kim, Jae-Young Kim, Joana A. Kramer, Michael Kramer, Mikhail Lisakov, Jun Liu, Kuo Liu, Nicholas R. MacDonald, Nicola Marchili, Karl M. Menten, Cornelia Müller, Gisela Ortiz-Leon, Helge Rottmann, Alan L. Roy, Lijing Shao, Pablo Torne, Jan Wagner, Robert Wharton, Gunther Witzel, J. Anton Zensus, und Guang-Yao Zhao.
wissenschaftliche Ansprechpartner: Dr. Jan Röder Instituto de Astrofísica de Andalucía & Max-Planck-Institut für Radioastronomie, Bonn E-mail:
Prof. Dr. Eduardo Ros Max-Planck-Institut für Radioastronomie, Bonn Fon: +49 228 525-125
Dr. Thomas Krichbaum Max-Planck-Institut für Radioastronomie, Bonn Fon: +49 228 525-295
Originalpublikation: “A multi-frequency study of sub-parsec jets with the Event Horizon Telescope“, J. Röder et al., in: Astronomy & Astrophysics (2025). DOI: 10.1051/0004-6361/202452600
