Image Archive: Quasars and Black Holes

Die künstlerische Darstellung zeigt die Umgebung eines schwarzen Lochs mit den Wegen von Photonen. Die gravitative Krümmung und der Einfang des Lichts durch den Ereignishorizont ist die Ursache für den Schatten, der vom Event Horizon Telescope aufgezeichnet wurde.

In Erwartung des ersten Bildes eines schwarzen Lochs entwickelten Jordy Davelaar und seine Mitarbeiter eine Virtual-Reality-Simulation eines dieser faszinierenden astrophysikalischen Objekte. Ihre Simulation zeigt ein schwarzes Loch, das von leuchtender Materie umgeben ist. Diese Materie verschwindet wirbelartig im schwarzen Loch. Durch die extremen Bedingungen wird es zu einem glühenden Plasma. Das emittierte Licht wird dann durch die starke Schwerkraft des schwarzen Lochs abgelenkt und verformt.

Messier 87 (M87) ist eine riesige elliptische Galaxie, die sich etwa 55 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt im Sternbild Jungfrau befindet. Sie wurde 1781 von Charles Messier entdeckt, aber erst im 20. Jahrhundert als Galaxie identifiziert. Mit der doppelten Masse unserer eigenen Galaxie, der Milchstraße, und mit bis zu zehnmal mehr Sternen, gehört sie zu den größten Galaxien im nahen Universum. Neben seiner Größe hat M87 einige sehr einzigartige Eigenschaften. So enthält sie beispielsweise eine ungewöhnlich hohe Anzahl von Kugelhaufen: Während unsere Milchstraße weniger als 200 enthält, hat M87 etwa 12.000. Diese Menge, so die Theorie einiger Wissenschaftler, hat sie von ihren kleineren Nachbarn entnommen.

Wie bei allen anderen großen Galaxien hat auch M87 im Zentrum ein supermassereiches schwarzes Loch. Die Masse eines solchen schwarzen Lochs steht im Zusammenhang mit der Masse der gesamten Galaxie, so dass es nicht verwunderlich sein sollte, dass das schwarze Loch von M87 eines der massereichsten ist, die man kennt. Das schwarze Loch könnte auch eines der energiereichsten Merkmale der Galaxie erklären: einen relativistischen Materiejet, der fast mit Lichtgeschwindigkeit ausgestoßen wird.

Das schwarze Loch war Gegenstand von revolutionären Beobachtungen durch das Ereignishorizontteleskop. Das EHT wählte das Objekt als Ziel seiner Beobachtungen aus zwei Gründen. Die Auflösung des EHT ist zwar unvorstellbar, aber auch sie hat ihre Grenzen. Da massereichere schwarze Löcher auch einen größeren Durchmesser haben, stellte das zentrale schwarze Loch von M87 ein ungewöhnlich großes Ziel dar - was bedeutet, dass es leichter abgebildet werden konnte als kleinere schwarze Löcher in der Nähe. Der andere Grund für seine Wahl war jedoch entschieden irdischer. M87 erscheint von unserem Planeten aus gesehen ziemlich nah am Himmelsäquator, was es in den meisten Regionen der nördlichen und südlichen Hemisphäre sichtbar macht. Dadurch wurde die Anzahl der Teleskope im EHT, die es beobachten konnten, maximiert und die Auflösung des endgültigen Bildes erhöht.

Dieses Bild wurde von FORS2 am Very Large Telescope der ESO im Rahmen des Cosmic Gems-Programms aufgenommen, einer Outreach-Initiative, die mit Hilfe von ESO-Teleskopen Bilder von interessanten, faszinierenden oder visuell attraktiven Objekten für die Zwecke der Bildung und Öffentlichkeitsarbeit produziert. Das Programm verwendet Teleskopzeit, die nicht für wissenschaftliche Beobachtungen genutzt werden kann, und liefert beeindruckende Bilder von einigen der markantesten Objekte am Nachthimmel. Für den Fall, dass die gesammelten Daten für zukünftige wissenschaftliche Zwecke nützlich sein sollten, werden diese Beobachtungen gespeichert und den Astronomen über das ESO Science Archive zur Verfügung gestellt.

Das Ereignishorizontteleskop (EHT, Event Horizon Telescope) – eine erdumspannende Anordnung von acht bodengebundenen Radioteleskopen, durch internationale Zusammenarbeit entstanden – wurde entwickelt, um Bilder von einem schwarzen Loch aufzunehmen. Heute zeigen die EHT-Forscher in koordinierten Pressekonferenzen auf der ganzen Welt, dass es ihnen gelungen ist. Sie präsentieren den ersten direkten visuellen Nachweis für das supermassereiche schwarzes Loch im Zentrum der Galaxie Messier 87 und seinen Schatten.

Mit dem Schatten eines schwarzen Lochs kommen wir einem Bild des schwarzen Lochs selbst am nächsten, einem völlig dunklen Objekt, aus dem das Licht nicht entweichen kann. Die Grenze des schwarzen Lochs – der Ereignishorizont, von dem das EHT seinen Namen hat – ist etwa 2,5 mal kleiner als der knapp 40 Milliarden Kilometer große Schatten, den es wirft. Das vergleichbar mit dem Versuch, die Länge einer Kreditkarte zu messen, die sich auf dem Mond befindet.

Obwohl die Teleskope nicht physikalisch verbunden sind, sind sie in der Lage, ihre aufgezeichneten Daten mit Atomuhren – Wasserstoffmastern – zu synchronisieren, die ihre Beobachtungen genau zeitlich steuern. Diese Beobachtungen wurden bei einer Wellenlänge von 1,3 mm während einer weltweiten Kampagne 2017 gesammelt. Jedes Teleskop des EHT produzierte enorme Datenmengen – etwa 350 Terabyte pro Tag -, die auf leistungsstarken, mit Helium gefüllten Festplatten gespeichert wurden. Diese Daten wurden zu hochspezialisierten Supercomputern – den so genannten Korrelatoren – am Max-Planck-Institut für Radioastronomie und am MIT Haystack Observatorium geflogen und dort kombiniert. Sie wurden dann mit Hilfe neuartiger, in der Kooperation entwickelter Rechenwerkzeuge mühsam in ein Bild umgewandelt.

Die künstlerische Darstellung zeigt das schwarze Loch im Herzen der riesigen elliptischen Galaxie Messier 87 (M87). Dieses schwarze Loch wurde vom Event Horizon Telescope als Objekt revolutionärer Beobachtungen ausgewählt. Das Bild zeigt heiße Material, das das schwarze Loch umgibt, sowie den relativistischen Strahl, der durch das schwarze Loch von M87 ausgelöst wird.

Diese künstlerische Darstellung zeigt ein sich schnell drehendes supermassereiches schwarzes Loch, das von einer Akkretionsscheibe umgeben ist. Diese dünne Scheibe aus rotierendem Material besteht aus den Überresten eines sonnenähnlichen Sterns, der durch die Gezeitenkräfte des schwarzen Lochs auseinander gerissen wurde. Das schwarze Loch ist beschriftet und zeigt die Anatomie dieses faszinierenden Objekts.

Die künstlerische Darstellung zeigt die Umgebung eines schwarzen Lochs mit einer Akkretionsscheibe aus heißem Plasma und einem relativistischen Jet.

Simuliertes Bild eines akkretierenden schwarzen Lochs. Der Ereignishorizont befindet sich in der Mitte des Bildes. Der Schatten wird durch eine rotierende Akkretionsscheibe sichtbar.

Dieses Bild zeigt den Beitrag von ALMA und APEX zum EHT. Das linke Foto zeigt eine Rekonstruktion des schwarzen Lochs unter Benutzung der gesamten Anordnung des Ereignishorizontteleskops (darunter ALMA und APEX); das Foto auf der rechten Seite zeigt, wie die Rekonstruktion ohne die Daten von ALMA und APEX aussähe. Der Unterschied macht die zentrale Rolle deutlich, die ALMA und APEX bei den Beobachtungen spielten.

Diese künstlerische Darstellung zeigt ein sich schnell drehendes supermassereiches Schwarzes Loch, das von einer Akkretionsscheibe umgeben ist. Diese dünne Scheibe aus rotierendem Material besteht aus den Überresten eines sonnenähnlichen Sterns, der durch die Gezeitenkräfte des Schwarzen Lochs auseinandergerissen wurde. Schocks in den kollidierenden Trümmern sowie Wärme, die durch Akkretion erzeugt wurde, führten zu einem Lichtausbruch, der einer Supernova-Explosion ähnelt.

Das überaus empfindliche GRAVITY-Instrument der ESO hat die seit langem bestehende Annahme, dass sich im Zentrum der Milchstraße ein supermassereiches Schwarzes Loch befindet, weiter bestätigt. Neue Beobachtungen zeigen Verdichtungen aus Gas, die mit etwa 30% der Lichtgeschwindigkeit auf einer kreisförmigen Umlaufbahn am Rande des Ereignishorizonts herumrasen. Das ist das erste Mal, dass Materie in der Nähe des Punktes beobachtet wurde, von dem es keine Rückkehr gibt. Es handelt sich um die genauesten Beobachtungen von Material, das einem Schwarzen Loch so nahe kommt.

Diese Visualisierung verwendet Simulationsdaten von Orbitalbewegungen von Gasen, die bei etwa 30% der Lichtgeschwindigkeit auf einer kreisförmigen Umlaufbahn um das Schwarze Loch herum wirbeln.

Dieses mit dem Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) gewonnene Bild zeigt die Himmelsregion um Sagittarius A*, das supermassereiche Schwarze Loch im Zentrum unserer Milchstraße, das auf dem Bild mit einem kleinen Kringel markiert ist. Neuere Untersuchungen haben interessante Hinweise auf interstellare Gas- und Staubwolken zu Tage gefördert, die das Schwarze Loch mit hoher Geschwindigkeit umkreisen.

Die gefundenen Gaswolken, die größtenteils aus molekularem Wasserstoff bestehen, werden auch als molekulare Cloudlets (deutsch: Wölkchen) bezeichnet. Man hatte diese bisher noch nie zweifelsfrei nachweisen können. Dieses Bild zeigt eigentlich die Verteilung von molekularem Kohlenmonoxid, dem zweithäufigsten molekularen Bestandteil der Wolken. Die Cloudlets sind etwa 26.000 Lichtjahre von uns entfernt und kreisen mit hoher Geschwindigkeit und relativ nahe um das Schwarze Loch, nur etwa ein Lichtjahr entfernt. Ihre Entdeckung war nur durch die hohe Auflösung von ALMA möglich. Sie sind aus bereits vorher existierenden massereichen Wolken hervorgegangen, die um das Zentrum unserer Milchstraße rotierten. Diese Wolken wurden dann durch Gezeitenkräfte zerfetzt und in dichte Fragmente und eine kurzlebige Komponente mit niedriger Dichte zerlegt. Letztere konnte anhand der Signatur in der Synchrotronstrahlung indentifiziert werden, welche von Sagittarius A* emittiert wird und das diffuse Gas zwischen den Cloudlets passiert.

Obwohl Wolken aus molekularem Gas neue Sterne bilden können, werden diese Cloudlets wohl keine neue Sterngeneration hervorbringen. Sie haben eine relativ kleine Masse von etwa dem 60-fachen unserer Sonne und befinden sich im Strudel der gewaltigen, turbulenten Gravitationskräfte von Sagittarius A*.

Während die Sterne um Sagittarius A* bereits systematisch untersucht wurden, hatte man diese dichten Molekülwolken in so unmittelbarar Nachbarschaft zum galaktischen Zentrum bisher noch nicht nachweisen können.

Diese künstlerische Darstellung zeigt die Bahn des Sterns S2, die sehr nah am supermassereichen Schwarzen Loch im Zentrum der Milchstraße vorbeiführt. Dessen besonders starkes Gravitationsfeld bewirkt, dass sich die Farbe des Sterns leicht zum Roten hin verschiebt, ein Effekt aus Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie.

In dieser Grafik wurden Farbeffekt, Geschwindigkeit und Größe der Objekte aus Gründen der Übersichtlichkeit übertrieben dargestellt.

Dieses Diagramm zeigt die Bewegung des Sterns S2 in der Nähe des supermassereichen Schwarzen Lochs im Zentrum der Milchstraße. Es wurde aus Beobachtungen mit dem GRAVITY-Instrument am VLT-Interferometer zusammengestellt. Zu diesem Zeitpunkt war der Stern mit fast 3% der Lichtgeschwindigkeit unterwegs und seine Positionsverschiebung ist von Nacht zu Nacht erkennbar.

Dieses Diagramm zeigt die Bewegung des Sterns S2 um das supermassereiche Schwarze Loch im Zentrum der Milchstraße. Es wurde aus Beobachtungen mit ESO-Teleskopen und Instrumenten über einen Zeitraum von mehr als 25 Jahren zusammengestellt. Der Stern braucht 16 Jahre, um einen Umlauf zu vollenden und war im Mai 2018 sehr nah am Schwarzen Loch.

Das GRAVITY-Instrument im VLT-Interferometer hat die Bewegung des Sterns S2 verfolgt, als er dem Schwarzen Loch im Zentrum der Milchstraße sehr nahe kam. Dieses Bild zeigt den Stern und das Schwarze Loch kurz vor ihrer größten Annäherung im Mai 2018.

Diese künstlerische Darstellung zeigt die Bahn des Sterns S2, die sehr nah am supermassereichen Schwarzen Loch im Zentrum der Milchstraße vorbeiführt. Dessen besonders starkes Gravitationsfeld bewirkt, dass sich die Farbe des Sterns leicht zum Roten hin verschiebt, ein Effekt aus Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie.

In dieser Grafik wurden Farbeffekt, Geschwindigkeit und Größe der Objekte aus Gründen der Übersichtlichkeit übertrieben dargestellt.

Dieses Bild ist eines von Hunderten, die mit dem NACO-Instrument am Very Large Telescope der ESO in Chile über einen Zeitraum von zwei Jahrzehnten gesammelt wurden, um die Bewegungen von Sternen zu beobachten, die das supermassereiche Schwarze Loch im Zentrum der Milchstraße umkreisen.

Diese Simulation zeigt die Umlaufbahnen von Sternen in unmittelbarer Nähe des supermassereichen Schwarzen Lochs im Herzen der Milchstraße. Einer dieser Sterne, genannt S2, umkreist das Schwarze Loch alle 16 Jahre und hat es im Mai 2018 passiert. Dies ist ein perfektes Labor, um die Gravitationsphysik und speziell Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie zu testen.

This artist's impression shows the dust torus around a super-massive black hole. Black holes lurk at the centres of active galaxies in environments not unlike those found in violent tornadoes on Earth. Just as in a tornado, where debris is often found spinning about the vortex, so in a black hole, a dust torus surrounds its waist. In some cases astronomers can look along the axis of the dust torus from above or from below and have a clear view of the black hole. Technically these objects are then called "type 1 sources". "Type 2 sources" lie with the dust torus edge-on as viewed from Earth so our view of the black hole is totally blocked by the dust over a range of wavelengths from the near-infrared to soft X-rays. While many dust-obscured low-power black holes (called "Seyfert 2s") were known, until recently few of their high-power counterparts were known. The identification of a population of high-power obscured black holes and the active galaxies surrounding them has been a key goal for astronomers and will lead to greater understanding and a refinement of the cosmological models describing our Universe. The European AVO science team led by Paolo Padovani from Space Telescope-European Coordinating Facility and the European Southern Observatory in Munich, Germany, has discovered a whole population of the obscured, powerful supermassive black holes. Thirty of these objects were found in the so-called GOODS (Great Observatories Origins Deep Survey) fields. The GOODS survey consists of two areas that include some of the deepest observations from space- and ground-based telescopes, including the NASA/ESA Hubble Space Telescope, and have become the best studied patches in the sky. In the illustration the jets coming out of the regions nearest the black hole are also seen. The jets emerge from an area close to the black hole where a disk of accreted material rotates (not seen here).

Dieses Bild der Woche zeigt eine riesige Gaswolke um den weit entfernten Quasar SDSS J102009.99+104002.7, aufgenommen vom Multi Unit Spectroscopic Explorer (MUSE) am Very Large Telescope (VLT) der ESO am Paranal-Observatorium. Quasare sind die leuchtstarken Kerne aktiver Galaxien, die durch Materie gespeist werden, die in das zentrale supermassereiche Schwarze Loch fällt. Dieser Quasar und das ihn umgebende Gas weisen eine Rotverschiebung von über 3 auf, was bedeutet, dass wir ihn in einem Alter von nur etwa 2 Milliarden Jahren nach dem Urknall sehen.

Die den Quasar umgebende Gaswolke (also den Nebel) bezeichnen die Astronomen als Enormous Lyman-Alpha Nebula (ELAN). Derartige Objekte sind gewaltige Ansammlungen von Gas, die sich im frühen Universum gebildet haben. Sie geben den Astronomen Hinweise darauf, wie sich das Drehmoment, das die Rotation der späteren Galaxien bewirkt, im Universum entwickelt hat. Dank des revolutionären MUSE-Instruments ist es heute möglich, diese seltenen, riesengroßen Nebel in feinerem Detail zu untersuchen als je zuvor.

Im vorliegenden Fall hat das ELAN-Objekt einen Durchmesser von etwa einer Million Lichtjahre. Dank der Möglichkeit von MUSE, Bilder in vielen Wellenlängen gleichzeitig aufzunehmen, konnte man nun erstmals die Anzeichen für die einwärtsgerichtete Bewegung des Gases feststellen.

A simulated image of the supermassive black hole at the centre of the M87 galaxy. The dark gap at the centre is the shadow of the black hole.

Sagittarius A*, taken by NASA's Chandra X-Ray Observatory. Ellipses indicate light echoes.

The view of the centre of our galaxy with a closer view of the object known as Sagittarius A*, the bright radio source that corresponds to the supermassive black hole.

This infographic shows a simulation of the outflow (bright red) from a black hole and the accretion disk around it, with simulated images of the three potential shapes of the event horizon’s shadow.