15 Radioteleskope auf der Erde und eine Zehn-Meter-Antenne im Weltraum wurden zusammengeschaltet, um eine virtuelle Antenne mit einem Durchmesser von 100 000 Kilometern – also rund dem achtfachen Durchmesser der Erde – zu erzeugen. Der Sinn dieses Verfahrens, das als Radiointerferometrie bezeichnet wird, ist es, die räumliche Auflösung im Radiowellenbereich extrem zu steigern. Ein internationales Forscherteam um José L. Gomez am Instituto de Astrofisica de Andalucia mit Beteiligung von Wissenschaftlern des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie (MPIfR) in Bonn untersuchte die aktive Galaxie BL Lacertae (BL Lac). Das Objekt im Sternbild Eidechse (lateinisch: Lacerta) ist rund 900 Millionen Lichtjahre von uns entfernt. Die Astronomen konnten Radiokarten erstellen, die den Zentralbereich der Galaxie mit einer Auflösung von 21 Mikrobogensekunden bei einer Wellenlänge von 1,3 Zentimetern darstellen. Die kleinsten erkennbaren Details haben somit in der Entfernung von BL Lac eine Ausdehnung von rund 6000 Astronomischen Einheiten. Dies entspricht rund der zehnfachen mittleren Distanz des kürzlich postulierten "Planeten Neun".

Radiokarte des aktiven Galaxienkerns BL Lacertae
© nach: Gomez, J. L. et al., The Astrophysical Journal
(Ausschnitt)
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Zusammen mit 15 erdgebundenen Radioteleskopen und dem russischen Astronomiesatelliten Spektr-R entstand diese Radiokarte bei einer Wellenlänge von 1,3 Zentimetern mit einer Rekordwinkelauflösung von 21 Mikrobogensekunden. Die extrem elliptische Umlaufbahn des Weltraum-Radioteleskops um die Erde führt zu einer ausgeprägten Richtungsabhängigkeit der Winkelauflösung. Daher erscheinen die im Bild sichtbaren Strukturen elliptisch auseinandergezogen.

Das für die Beobachtungen genutzte Verfahren, die Radiointerferometrie mit sehr großen Basislängen (englisch: very long baseline interferometry), wird schon seit rund 40 Jahren erfolgreich eingesetzt. Durch die Zusammenschaltung von weltweit verteilten Radioteleskopen lässt sich das räumliche Auflösungsvermögen gegenüber den Einzelantennen extrem stark erhöhen. So sind Auflösungen möglich, welche diejenige des Weltraumteleskops Hubble um mehr als den Faktor 1000 übertreffen. Der Durchmesser der Erde setzt aber hier eine scharfe Grenze, die sich nur durch den Einsatz von Radioteleskopen im Weltraum überwinden lässt.

Für die Beobachtungen von BL Lac nutzten die Astronomen die russische Zehn-Meter-Antenne des Satelliten Spektr-R, der die Erde seit 2011 auf einer hochelliptischen Bahn umrundet. In seinem erdfernsten Punkt ist er etwa 350 000 Kilometer von der Erde entfernt, was rund 90 Prozent des Abstands zum Mond entspricht. Bei den Messungen von BL Lac war Spektr-R rund 100 000 Kilometer von der Erde entfernt. Zusätzlich kam die 100-Meter-Antenne des Radioteleskops Effelsberg zum Einsatz. Um die Radiokarte von BL Lac zu erzeugen, mussten die von den Antennen aufgefangenen Signale in einem speziellen Computer, einem Korrelator, im MPIfR zusammengelegt werden.

Die Beobachtungen erlauben es nun, feine Details der zentralen Maschine der aktiven Galaxie zu untersuchen. In ihrem Zentrum befindet sich ein extrem massereiches Schwarzes Loch mit rund 200 Millionen Sonnenmassen. Es ist von einer dichten Scheibe aus Gas und Staub umgeben, einer Akkretionsscheibe. Aus ihr gelangt Materie in das zentrale Schwarze Loch, wobei ein Teil von ihr in zwei eng gebündelten Gasstrahlen, den Jets, mit annähernd Lichtgeschwindigkeit entweicht. Im Fall von BL Lac weist einer dieser Jets fast direkt auf uns, wodurch die Galaxie sehr hell erscheint. Da sich in den Jets Elektronen fast mit Lichtgeschwindigkeit in einem Magnetfeld bewegen, senden sie Radiostrahlung aus – die so genannte Synchrotronstrahlung. Die ultrascharfen Karten des Antennenverbunds erlauben es nun, diese Vorgänge im unmittelbaren Umfeld des Schwarzen Lochs mit bisher unerreichter Detailschärfe zu beobachten. So lassen sich beispielsweise Stoßwellen beobachten, die sich innerhalb der Jets ausbreiten.

"In BL Lac blicken wir sozusagen in die heißeste bisher entdeckte kosmische Feuerstelle, in der Materie extrem effektiv in Energie umgesetzt wird. Es wären Temperaturen von weit mehr als einer Billion Grad erforderlich, wenn wir das hier auf der Erde nachmachen wollten", sagt der ebenfalls am Forschungsprojekt beteiligte Andrei Lobanov vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie.