Schwarzen Löchern beim „Fressen“ zugeschaut

Tief ins Herz aktiver Galaxien haben Astronomen mit einem Teleskop auf Hawaii geblickt. Dabei gelang es ihnen zum ersten Mal, mehrere Strahlungsquellen räumlich aufzulösen. Die Beobachtungen im nahen Infrarot zeigen eine ringförmige Struktur, die aus Staub und Gas besteht. Die gemessenen Ringradien liefern neue Erkenntnisse über das Material, das auf das zentrale Schwarze Loch einströmt, berichten die Forscher in der Fachzeitschrift „Astronomy & Astrophysics“.

Die Kerne vieler Galaxien leuchten nicht nur im optischen Licht, sondern auch im Bereich der Röntgen-, Infrarot- und Radiostrahlung. Außerdem schießt oftmals ein Materiestrahl – ein so genannter Jet – aus dem Zentrum heraus. Man glaubt, dass diese Energie durch das Einströmen von Materie auf extrem massereiche, zentrale Schwarze Löcher erzeugt wird.

Auf der Suche nach dem Ursprung des Materiejets

Die Wissenschaftler um Makoto Kishimoto vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn interessieren sich für die Details: Sie wollen einem massereichen Schwarzen Loch bei seiner Mahlzeit zusehen und herausfinden, wo genau der energiereiche Materiejet aus dem Zentralbereich startet.

Dazu hat das Team im Mai 2009 vier dieser aktiven Galaxienkerne (AGN) mit dem Keck-Interferometer auf Hawaii beobachtet. Anschließend wurden am United Kingdom Infrared Telescope (UKIRT) zeitnahe Aufnahmen der jeweiligen Galaxien im Nahinfrarotbereich gewonnen. Zu den untersuchten Objekten gehörten unter anderem NGC 4151, eine relativ nahe Galaxie in 50 Millionen Lichtjahren Distanz, aber auch der Quasar IRAS 13349+2438 in einem Abstand von mehr als einer Milliarde Lichtjahren.

„Das wurde nur möglich durch die große Anstrengung der Keck-Mitarbeiter, die die Empfindlichkeit ihrer Instrumente für schwache Strahlung stark verbessert haben“, sagt Max-Planck-Forscher Kishimoto, Erstautor der Veröffentlichung.

Infrarot-Aufnahmen der vier untersuchten Galaxien. Mit dem Keck-Interferometer konnte die innere Region der leuchtkräftigen Galaxienkerne in Details aufgelöst werden. Die daraus abgeleitete ringförmige Struktur für die Galaxie NGC 4151 ist im Teilbild oben rechts gezeigt. Während die gesamte Ausdehnung dieser Galaxie mehrere 10000 Lichtjahre umfasst, beträgt der Radius des inneren Rings lediglich 0,13 Lichtjahre. Die Entfernung jeder der vier Galaxien ist in Millionen von Lichtjahren angegeben, zusammen mit der entsprechenden Rotverschiebung z im Spektrum. © M. Kishimoto, auf der Basis von Galaxienaufnahmen mit UKIRT

Schwarze Löcher als große Herausforderung

Um derart weit entfernte Objekte im Infraroten räumlich aufzulösen, wären Teleskope von 100 Metern Durchmesser und mehr erforderlich. Es ist aber einfacher, die Strahlengänge von zwei oder mehr benachbarten Einzelteleskopen zu überlagern. Aus den so erhaltenen Interferenzmustern lassen sich Informationen über die Umgebung der Schwarzen Löcher gewinnen.

Während dieses Keck-Interferometer regelmäßig zur Beobachtung von Sternen in unserer Milchstraße eingesetzt wird, stellen die Untersuchungen viel weiter entfernter Objekte – besonders der massereichen Schwarzen Löcher in den Zentren ferner Galaxien – eine ungleich größere Herausforderung dar: Sie strahlen um ein Vielfaches schwächer als nahegelegene Sterne. Die Beobachtung solcher Objekte mit Interferometern, vor allem im kurzwelligen Infrarot – Nahinfrarot -, sind besonders schwierig.

Bis vor kurzem haben die Astronomen lediglich einen einzigen aktiven Galaxienkern erfolgreich mit dem Keck-Interferometer beobachtet. Diese Galaxie, NGC 4151, ist einer der hellsten AGN bei sichtbaren und infraroten Wellenlängen. Die neuen Messungen von gleich vier dieser Galaxien ermöglichen nun ein recht zuverlässiges Bild davon, was mit dem Interferometer aufgelöst werden kann: eine ringförmige Struktur, die von der Nahinfrarot-Strahlung von Staubkörnern herrührt.

Bald bessere Interferometer?

Mit der Auswertung von unterschiedlichen, voneinander unabhängigen Messungen des Ringradius ist das Forscherteam der räumlichen Ausdehnung rund um das zentrale Schwarze Loch auf der Spur. Wie ist die radiale Verteilung, wie kompakt oder ausgedehnt ist der Staubtorus? „Obwohl wir über die höchste bisher erreichte räumliche Auflösung im Infraroten verfügen, untersuchen wir doch noch eine relativ weit außen gelegene Region um das zentrale Schwarze Loch“, sagt Kishimoto.

Der Wissenschaftler hofft daher, mit zukünftigen Interferometern noch näher an die Zentralquelle heranzukommen. „Außerdem planen wir, eine Reihe weiterer aktiver Galaxien mit massereichen Schwarzen Löchern im Zentrum zu untersuchen.“

(idw – Max-Planck-Gesellschaft, 09.12.2009 – DLO)