Bildnachweis: ESO
Ein Team von Astronomen hat einen ansonsten normalen Stern entdeckt, der mit dem supermassiven Schwarzen Loch, das im Zentrum unserer Milchstraßengalaxie lauert, einen engen Pass macht. Bei seiner nächsten Annäherung war der Stern nur 17 Lichtstunden vom Schwarzen Loch entfernt (dreimal so weit wie die Sonne von Pluto entfernt). Bilder der Region wurden über 10 Jahre mit dem adaptiven Optiksystem des Paranal Observatory des European Southern Observatory gesammelt.
Ein internationales Team von Astronomen [2] unter der Leitung von Forschern des Max-Planck-Instituts für außerirdische Physik (MPE) hat direkt einen ansonsten normalen Stern beobachtet, der das supermassereiche Schwarze Loch im Zentrum der Milchstraßengalaxie umkreist.
Zehn Jahre sorgfältiger Messungen wurden von einer Reihe einzigartiger Bilder gekrönt, die mit dem NAOS-CONICA (NACO) -Instrument [3] von Adaptive Optics (AO) am 8,2-m-VLT-YEPUN-Teleskop am ESO Paranal Observatory aufgenommen wurden. Es stellt sich heraus, dass sich der Stern Anfang dieses Jahres dem zentralen Schwarzen Loch innerhalb von 17 Lichtstunden näherte - nur dreimal so weit wie die Sonne und der Planet Pluto -, während er sich mit nicht weniger als 5000 km / s bewegte.
Frühere Messungen der Geschwindigkeit von Sternen in der Nähe des Zentrums der Milchstraße und der variablen Röntgenemission aus diesem Gebiet haben bisher die stärksten Beweise für die Existenz eines zentralen Schwarzen Lochs in unserer Heimatgalaxie und implizit für die dunkle Masse geliefert Konzentrationen, die in vielen Kernen anderer Galaxien beobachtet werden, sind wahrscheinlich auch supermassereiche Schwarze Löcher. Es war jedoch noch nicht möglich, mehrere alternative Konfigurationen auszuschließen.
In einem Durchbruchspapier, das am 17. Oktober 2002 im Forschungsjournal Nature erschien, berichtet das vorliegende Team über seine aufregenden Ergebnisse, einschließlich hochauflösender Bilder, mit denen zwei Drittel der Umlaufbahn eines Sterns mit der Bezeichnung „S2“ verfolgt werden können. Es ist derzeit der nächstgelegene beobachtbare Stern zur kompakten Radioquelle und zum massiven Schwarzlochkandidaten „SgrA *“ („Schütze A“) im Zentrum der Milchstraße. Die Umlaufzeit beträgt etwas mehr als 15 Jahre.
Die neuen Messungen schließen mit hoher Sicherheit aus, dass die zentrale dunkle Masse aus einer Ansammlung ungewöhnlicher Sterne oder Elementarteilchen besteht, und lassen wenig Zweifel an der Anwesenheit eines supermassiven Schwarzen Lochs im Zentrum der Galaxie, in der wir leben.
Quasare und schwarze Löcher
Seit der Entdeckung der Quasare (quasi-stellare Radioquellen) im Jahr 1963 haben Astrophysiker nach einer Erklärung für die Energieerzeugung in diesen leuchtendsten Objekten des Universums gesucht. Quasare befinden sich in den Zentren von Galaxien, und es wird angenommen, dass die enorme Energie, die von diesen Objekten emittiert wird, darauf zurückzuführen ist, dass Materie auf ein supermassives Schwarzes Loch fällt und durch intensive Strahlung Gravitationsenergie freisetzt, bevor dieses Material für immer im Loch verschwindet (in der physikalischen Terminologie: "Geht über den Ereignishorizont hinaus" [4]).
Um die erstaunliche Energieerzeugung von Quasaren und anderen aktiven Galaxien zu erklären, muss man das Vorhandensein von Schwarzen Löchern mit einer Masse von einer Million bis zu mehreren Milliarden der Masse der Sonne vermuten. In den letzten Jahren haben sich zahlreiche Belege für das oben genannte Modell des „akkretierenden Schwarzen Lochs“ für Quasare und andere Galaxien angesammelt, einschließlich des Nachweises von Konzentrationen dunkler Massen in ihren zentralen Regionen.
Ein eindeutiger Beweis erfordert jedoch den Ausschluss aller möglichen anderen, nicht schwarzen Lochkonfigurationen der zentralen Massenkonzentration. Dazu ist es unbedingt erforderlich, die Form des Gravitationsfeldes sehr nahe am zentralen Objekt zu bestimmen - und dies ist für die entfernten Quasare aufgrund der technologischen Einschränkungen der derzeit verfügbaren Teleskope nicht möglich.
Das Zentrum der Milchstraße
Das Zentrum unserer Milchstraßengalaxie befindet sich in der südlichen Konstallation Schütze (Der Bogenschütze) und ist „nur“ 26.000 Lichtjahre entfernt [5]. Auf hochauflösenden Bildern können Tausende einzelner Sterne in der zentralen, ein Lichtjahr breiten Region erkannt werden (dies entspricht etwa einem Viertel der Entfernung zu „Proxima Centauri“, dem dem Sonnensystem am nächsten gelegenen Stern). .
Verwenden Sie die Bewegungen dieser Sterne, um das Gravitationsfeld zu untersuchen, und beobachten Sie mit dem 3,5-m-Teleskop für neue Technologien (NTT) am ESO La Silla-Observatorium (Chile) (und anschließend am 10-m-Keck-Teleskop, Hawaii, USA) Das letzte Jahrzehnt hat gezeigt, dass eine Masse, die etwa 3 Millionen Mal so groß ist wie die der Sonne, in einem Radius von nur 10 Lichttagen [5] der kompakten Radio- und Röntgenquelle SgrA * („Schütze A“) im Zentrum konzentriert ist des Sternhaufens.
Dies bedeutet, dass SgrA * das wahrscheinlichste Gegenstück zum mutmaßlichen Schwarzen Loch ist und gleichzeitig das Galaktische Zentrum zum besten Beweis für die Existenz solcher supermassiven Schwarzen Löcher macht. Diese früheren Untersuchungen konnten jedoch mehrere andere, nicht schwarze Lochkonfigurationen nicht ausschließen.
„Wir brauchten dann noch schärfere Bilder, um die Frage zu klären, ob eine andere Konfiguration als ein Schwarzes Loch möglich ist, und wir haben uns darauf verlassen, dass das ESO VLT-Teleskop diese liefert“, erklärt Reinhard Genzel, Direktor am Max-Planck-Institut für außerirdische Physik ( MPE) in Garching bei München (Deutschland) und Mitglied des gegenwärtigen Teams. „Das neue Instrument NAOS-CONICA (NACO), das in enger Zusammenarbeit zwischen unserem Institut, dem Max-Planck-Institut für Astronomie (MPIA: Heidelberg, Deutschland), der ESO und den Observatorien Paris-Meudon und Grenoble (Frankreich) gebaut wurde, war genau das Richtige was wir brauchten, um diesen entscheidenden Schritt nach vorne zu machen “.
Die NACO-Beobachtungen des Milchstraßenzentrums
Das neue NACO-Instrument [3] wurde Ende 2001 am 8,2-m-YEPUN-Teleskop VLT installiert. Bereits während der ersten Tests wurden viele beeindruckende Bilder erstellt, von denen einige Gegenstand früherer ESO-Pressemitteilungen waren [6].
„Die ersten Beobachtungen in diesem Jahr mit NACO haben uns sofort die schärfsten und 'tiefsten' Bilder des Milchstraßenzentrums geliefert, die jemals aufgenommen wurden und eine große Anzahl von Sternen in diesem Gebiet detailliert zeigen“, sagt Andreas Eckart von der Universität zu Köln. ein weiteres Mitglied des internationalen Teams unter der Leitung von Rainer Sch? del, Thomas Ott und Reinhard Genzel von MPE. "Aber wir sollten immer noch von dem wunderbaren Ergebnis dieser Daten überwältigt sein!"
Durch die Kombination ihrer Infrarotbilder mit hochauflösenden Funkdaten konnte das Team über einen Zeitraum von zehn Jahren sehr genaue Positionen von etwa tausend Sternen im zentralen Bereich in Bezug auf die kompakte Funkquelle SgrA * bestimmen, siehe PR-Foto 23c / 02.
„Als wir im Mai 2002 die neuesten NACO-Daten in unsere Analyse einbezogen haben, trauten wir unseren Augen nicht. Der Stern S2, der derzeit SgrA * am nächsten ist, hatte gerade einen schnellen Vorbeiflug in der Nähe der Funkquelle durchgeführt. Plötzlich wurde uns klar, dass wir tatsächlich die Bewegung eines Sterns im Orbit um das zentrale Schwarze Loch miterlebten, der diesem mysteriösen Objekt unglaublich nahe kam “, sagt ein sehr glücklicher Thomas Ott, der jetzt im MPE-Team an seiner Doktorarbeit arbeitet .
Im Orbit um das zentrale Schwarze Loch
Kein Ereignis wie dieses wurde jemals aufgezeichnet. Diese einzigartigen Daten zeigen eindeutig, dass sich S2 mit SgrA * an einem Fokus entlang einer elliptischen Umlaufbahn bewegt, d. H. S2 umkreist SgrA * wie die Erde die Sonne, vgl. das rechte Feld von PR Photo 23c / 02.
Die hervorragenden Daten ermöglichen auch eine genaue Bestimmung der Orbitalparameter (Form, Größe usw.). Es stellt sich heraus, dass S2 im Frühjahr 2002 seine nächste Entfernung zu SgrA * erreicht hat. Zu diesem Zeitpunkt war es nur 17 Lichtstunden [5] von der Funkquelle entfernt oder nur das Dreifache der Sun-Pluto-Entfernung. Es bewegte sich dann mit mehr als 5000 km / s oder fast zweihundert Mal so schnell wie die Erde in ihrer Umlaufbahn um die Sonne. Die Umlaufzeit beträgt 15,2 Jahre. Die Umlaufbahn ist ziemlich länglich - die Exzentrizität beträgt 0,87 -, was darauf hinweist, dass S2 am entferntesten Umlaufpunktpunkt etwa 10 Lichttage von der Zentralmasse entfernt ist [7].
„Wir können jetzt mit Sicherheit nachweisen, dass SgrA * tatsächlich der Ort der zentralen dunklen Masse ist, von der wir wussten, dass sie existiert. Noch wichtiger ist, dass unsere neuen Daten das Volumen, in dem diese mehreren Millionen Sonnenmassen enthalten sind, um einen Faktor von mehreren Tausend „geschrumpft“ haben “, sagt Rainer Sch? Del, Doktorand am MPE und auch Erstautor des resultierenden Papiers.
Tatsächlich zeigen Modellberechnungen nun, dass die beste Schätzung der Masse des Schwarzen Lochs im Zentrum der Milchstraße 2,6? 0,2 Millionen mal die Masse der Sonne.
Keine anderen Möglichkeiten
Nach der im Nature-Artikel vorgestellten detaillierten Analyse können andere bisher mögliche Konfigurationen wie sehr kompakte Cluster von Neutronensternen, schwarze Löcher mit Sterngröße oder Sterne mit geringer Masse oder sogar eine Kugel aus mutmaßlichen schweren Neutrinos nun endgültig ausgeschlossen werden.
Die einzige noch lebensfähige Konfiguration ohne Schwarze Löcher ist ein hypothetischer Stern aus schweren Elementarteilchen, die Bosonen genannt werden und einem Schwarzen Loch sehr ähnlich sehen würden. "Allerdings", sagt Reinhard Genzel, "selbst wenn ein solcher Bosonstern im Prinzip möglich ist, würde er sowieso schnell in ein supermassereiches Schwarzes Loch fallen, also denke ich, dass wir den Fall so ziemlich abgeschlossen haben!"
Nächste Beobachtungen
„Die meisten Astrophysiker würden akzeptieren, dass die neuen Daten überzeugende Beweise dafür liefern, dass im Zentrum der Milchstraße ein supermassereiches Schwarzes Loch existiert. Dies macht die supermassive Interpretation des Schwarzen Lochs für die enorme Konzentration dunkler Masse, die im Zentrum vieler anderer Galaxien nachgewiesen wurde, noch wahrscheinlicher “, sagt Alvio Renzini, VLT-Programmwissenschaftler bei ESO.
Was bleibt also noch zu tun? Die nächste große Aufgabe besteht nun darin zu verstehen, wann und wie sich diese supermassiven Schwarzen Löcher gebildet haben und warum fast jede massive Galaxie eines zu enthalten scheint. Die Bildung zentraler Schwarzer Löcher und der ihrer Wirtsgalaxien selbst scheint zunehmend nur ein Problem und dasselbe zu sein. In der Tat eine der herausragenden Herausforderungen, die das VLT in den nächsten Jahren lösen muss.
Es besteht auch kein Zweifel daran, dass kommende interferometrische Beobachtungen mit Instrumenten am VLT-Interferometer (VLTI) und am Large Binocular Telescope (LBT) auch zu einem weiteren großen Sprung in diesem spannenden Forschungsfeld führen werden.
Andreas Eckart ist optimistisch: „Vielleicht wird es in den nächsten Jahren sogar mit Röntgen- und Radiobeobachtungen möglich sein, die Existenz des Ereignishorizonts direkt zu demonstrieren.“
Originalquelle: ESO-Pressemitteilung
