Schwarzes Loch hinter Staub-Ring

Astronomen ist eine neue Entdeckung geglückt. Im Zentrum der Galaxie Messier 77 beobachteten sie eine Wolke aus kosmischem Staub, die ein supermassereiches Schwarzes Loch verbirgt. Das optisch einem Donut ähnelnde Objekt bestätigt den Forschern zufolge eine Jahrzehnte alte Theorie über "Aktive Galaxienkerne". Sie sind die hellsten rätselhaftesten Erscheinungen im Universum.

Aktive Galaxienkerne (Active Galactic Nuclei, AGN) sind extrem reich an Energie, werden von supermassereichen Schwarzen Löchern angetrieben und sind im Zentrum einiger Galaxien zu finden. Diese Schwarzen Löcher ernähren sich von Staub und Gas. Bevor das Material aufgesogen wird, bewegt es sich spiralförmig auf das Schwarze Loch zu. Dabei werden enorme Energiemengen freigesetzt, die oft alle Sterne in der Galaxie regelrecht in den Schatten stellen.

In den 1950er Jahren entdeckt

Seit sie in den 1950er Jahren erstmals diese hellen Objekte entdeckten, blicken Astronomen mit großer Neugier in die Zentren von Galaxien. Nun ist dem Forscherteam um Violeta Gámez Rosas von der Universität Leiden in den Niederlanden ein entscheidender Schritt gelungen, um zu verstehen, wie AGNs funktionieren und wie sie aus der Nähe aussehen. Darüber berichten die Wissenschafter im Fachblatt "Nature".

Der vor 30 Jahren aufgestellten Standardtheorie für AGNs zufolge haben alle "Aktiven Galaxienkerne" trotz ihrer Unterschiede die selbe Grundstruktur: nämlich ein supermassereiches Schwarzes Loch, das von einem dicken Ring aus Staub und Gas umgeben ist.

Das unterschiedliche Erscheinungsbild dieser Kerne ist dem Standardmodell zufolge darauf zurückzuführen, aus welchem Winkel man von der Erde aus das Schwarze Loch und seinen Staubring betrachtet.

Astronomen hatten bereits zuvor einige Beweise für das einheitliche Modell gefunden, darunter die Entdeckung von warmem Staub im Zentrum von Messier 77. Doch blieben Zweifel, ob dieser Staub ein Schwarzes Loch vollständig verdecken und somit erklären könnte, warum dieses AGN im sichtbaren Licht weniger hell leuchtet als andere.

Temperaturen gemessen

Ermöglicht wurden die Beobachtungen durch das Instrument Matisse (Multi Aper Ture Mid-Infrared SpectroScopic Experiment) am Very Large Telescope der europäischen Südsternwarte (ESO) in der chilenischen Atacama-Wüste. Matisse beobachtet das Zentrum der 47 Millionen Lichtjahre entfernten Galaxie Messier 77 - die auch als NGC 1068 bezeichnet wird liegt - im Infrarot-Bereich. Das Instrument kombiniert dabei mittel Interferometrie das Infrarotlicht, das von allen vier Teleskopen des VLT gesammelt wird.

Mit der Kombination der Daten wurde es möglich, ein detailliertes Bild des Staubs und seiner verschiedenen Temperaturen - von Raumtemperatur bis zu 1.200 Grad Celsius - zu erstellen und genau festzustellen, wo das Schwarze Loch liegen muss. Die Ergebnisse werten sie als Bestätigung des Standardmodells für Aktive Galaxienkerne. Die Studie sei "der bisher beste Beweis dafür, dass das Standardmodell korrekt ist", stellt auch Robert Antonucci von der University of California in Santa Barbara in einem Begleitkommentar in "Nature" fest.

"Matisse ist in der Lage, ein breites Spektrum an Infrarot-Wellenlängen zu erfassen, wodurch wir durch den Staub hindurchsehen und die Temperaturen genau messen können", so Mitautor Walter Jaffe von der Uni Leiden. "Die Bilder zeigen detailliert die Veränderungen der Temperatur und der Absorption der Staubwolken um das Schwarze Loch."

"Unsere Ergebnisse sollten zu einem besseren Verständnis des Innenlebens von AGNs führen", so Gámez Rosas. Sie könnten helfen, die Geschichte der Milchstraße besser zu verstehen, die in ihrem Zentrum ein supermassereiches Schwarzes Loch beherbergt, das in der Vergangenheit aktiv gewesen sein könnte, so die Forscher in ihrer Publikation.

Matisse wurde in zwölfjähriger Arbeit von Wissenschaftern aus Frankreich, Deutschland, Niederlande, Österreich und der ESO entwickelt. 2018 konnte der erste erfolgreiche Einsatz, die sogenannte "First-Light-Beobachtung", mit diesem Instrument durchgeführt werden.

ELT unterstützt Suche künftig

Die Uni Wien hat Teile der gekühlten Optik finanziert und die Wiener Forscher sind an der Kalibration des Instruments beteiligt. Bis zur Entwicklung von Matisse seien die erfolgten Beobachtungen technologisch nicht möglich gewesen - noch dazu im sehr großen Wellenbereich von drei bis zwölf Mikrometer, so Josef Hron vom Institut für Astrophysik.

Das Extremely Large Telescope (ELT) der ESO, das noch in diesem Jahrzehnt starten soll, wird die Suche ebenfalls unterstützen und Ergebnisse liefern, die die Erkenntnisse des Teams ergänzen und es ihnen ermöglichen, die Wechselwirkung zwischen AGNs und Galaxien zu untersuchen.