Einem internationalen Team um den Astronomen Saurabh vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn ist ein bedeutender Fortschritt beim Verständnis extrem massereicher Schwarzer Löcher gelungen. Mit neuen Daten des Event Horizon Telescope (EHT) – eines weltweiten Verbunds aus Radioteleskopen – konnte die Gruppe den bislang wahrscheinlichsten Ursprungsort des gewaltigen Materiestroms in der elliptischen Galaxie Messier 87 (M 87) lokalisieren. Er liegt in unmittelbarer Nähe des zentralen Schwarzen Lochs. Seine Ergebnisse veröffentlichte das Team in der renommierten Fachzeitschrift »Astronomy & Astrophysics«.

Die Galaxie M 87 befindet sich rund 55 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt im Sternbild Jungfrau nahe dem Zentrum des Virgo-Galaxienhaufens. Ihr aktiver Kern (englisch: active galactic nucleus, AGN) beherbergt ein Schwarzes Loch von etwa 6,5 Milliarden Sonnenmassen, M 87* genannt. Von diesem veröffentlichte die EHT-Kollaboration im Jahr 2019 erstmals eine Detailaufnahme im Radiobereich. Es war das erste »Bild« eines extrem massereichen Schwarzen Lochs überhaupt und zeigt einen leuchtenden Ring aus heißem Gas, der den »Schatten« des Schwarzen Lochs umgibt.

M 87* ist äußerst aktiv und schleudert einen Strom elektrisch geladener Teilchen aus – einen sogenannten Jet, der sich bis in eine Entfernung von 3000 Lichtjahren erstreckt und im gesamten elektromagnetischen Spektrum sichtbar ist. Trotz jahrzehntelanger Beobachtungen blieb jedoch unklar, wo genau dieser seinen Anfang nimmt.

Um die Strukturen in der näheren Umgebung von M 87* zu untersuchen, nutzte das Team um Saurabh die Technik der Very Long Baseline Interferometry (VLBI). Auf diese Weise werden Radioteleskope weltweit zu einem einzigen, virtuellen Teleskop von der Größe der Erde verbunden. Entscheidend für die Auflösung ist dabei die Länge der sogenannten Basislinien zwischen den einzelnen Teleskopen: Während lange Basislinien kleinste Strukturen wie den leuchtenden Ring um M 87* sichtbar machen können, sind kurze in der Lage, den ausgedehnten Jet zu erfassen. Mittellange Basislinien erlauben es, die Verbindung zwischen dem Material um das Schwarze Loch und dem Jet zu erkennen.

Genau diese mittleren Basislinien lieferten nun den entscheidenden Hinweis. Das Team stellte fest, dass die gemessene Radiostrahlung bei einer Frequenz von 230 Gigahertz – das entspricht einer Wellenlänge von 1,3 Millimetern – auf kurzen und mittellangen Basislinien stärker ausfällt als auf langen. Der leuchtende Ring allein kann diese zusätzliche Strahlung nicht erklären. Umfangreiche Modellrechnungen deuten stattdessen auf eine kompakte, bislang unbekannte Emissionsregion hin. Sie liegt aus unserer Perspektive rund 0,09 Lichtjahre vom Schwarzen Loch entfernt – dort vermuten die Astronomen die Basis des Jets. Sie war in früheren Beobachtungen im selben Frequenzspektrum verborgen geblieben; es fehlten die mittellangen Basislinien, welche die zusätzliche Emissionsregion hätten erfassen können.

Der genaue Entstehungsmechanismus des Jets ist noch nicht abschließend geklärt. Zwei etablierte physikalische Prozesse kommen als Antrieb eines Jets infrage: Beim sogenannten Blandford-Znajek-Mechanismus wird der Jet direkt aus der Rotationsenergie des Schwarzen Lochs gespeist. Das Blandford-Payne-Modell hingegen macht die differenzielle Rotation des Akkretionsflusses direkt für den Antrieb verantwortlich – die Energie stammt aus der rotierenden Scheibe aus Gas und Staub, die das Schwarze Loch umgibt. In letzterem Fall entsteht die Jetbasis weiter außen.

Beide Modelle sind mit der parabolischen Form des Jets konsistent. Die Bevorzugung der südlichen Komponente in den Modellen könnte dabei auf eine schnell rotierende Jetstruktur hindeuten. Das Team um Saurabh betont jedoch, dass die lokalisierte Region noch zu weit vom Ereignishorizont entfernt ist, um endgültige Schlussfolgerungen ziehen zu können – dafür müsste der innere Bereich aufgelöst werden, der weniger als das Zehnfache der Größe des Schwarzen Lochs misst. Die Identifizierung der Emissionsregion stellt dennoch einen ersten Schritt dar, um theoretische Ideen zum Ursprung des Jets mit direkten Beobachtungen zu verknüpfen.

Die Ergebnisse der Arbeitsgruppe markieren erst den Auftakt weiterer Forschungen: Mit zusätzlichen Teleskopen wie dem Large Millimeter Telescope (LMT) in Mexiko hofft sie, die Jet-Basis in Zukunft nicht nur rechnerisch zu erschließen, sondern direkt abbilden zu können.