LIGO-Virgo GW170814 Himmelskarte

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Illustrationscredit: LIGOVirgo-Arbeitsgemeinschaft – Optische Himmelsdaten: A. Mellinger

Beschreibung: Drei auf dem Planeten Erde verteilte Gravitationswellendetektoren meldeten eine Gemeinschaftsentdeckung von Wellen in der Raumzeit – es ist die vierte gemeldete Entdeckung der Verschmelzung eines Binärsystems Schwarzer Löcher im fernen Universum. Das Ereignis wurde GW170814 benannt, nach seiner Entdeckung am 14. August 2017 durch die LIGO-Beobachtungsorte in Hanford (Washington) und Livingston (Louisiana) sowie das erst kürzlich in Betrieb genommene Virgo-Observatorium bei Pisa in Italien. Das Signal entstand in den letzten Augenblicken der Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher mit 31 und 25 Sonnenmassen in einer Entfernung von etwa 1,8 Milliarden Lichtjahren. Der Zeitvergleich der Messungen der Gravitationswellen an allen drei Standorten erlaubte den Astronomen eine erheblich verbesserte Eingrenzung der Herkunft des Signals am Himmel.Die einzige Himmelsregion, die mit den Signalen aller drei Detektoren übereinstimmt, liegt über den Magellanschen Wolken im Sternbild Eridanus, sie ist auf dieser Ganzhimmelskarte mit gelber Umrisslinie markiert. Die Ganzhimmelsprojektion zeigt auch den Bogen unserer Milchstraße. Eine verbesserte Lagebestimmung der Herkunft der Gravitationswelle durch drei Detektoren erlaubte schnelle Nachfolgebeobachtungen mit anderen üblicheren Observatorien für elektromagnetische Strahlung, die nach Signalen suchen können, welche möglicherweise mit dem Ereignis zusammenhängen. Die Ergänzung durch den Virgo-Detektor ermöglichte weiters die Messung der Polarisation der Gravitationswelle – eine Möglichkeit, die zudem Vorhersagen von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie bestätigt.

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Fasern der aktiven Galaxie NGC 1275

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Bildcredit: Hubble Legacy Archive, ESA, NASA; Bearbeitung und Bildrechte: Domingo Pestana

Beschreibung: Was hält die Fasern an dieser Galaxie?

Die Fasern bleiben in NGC 1275 bestehen, obwohl der Tumult galaktischer Kollisionen sie zerstört haben sollten. Die aktive Galaxie NGC 1275 ist das zentrale markante Mitglied des großen, relativ nahen Perseus-Galaxienhaufens. Die aktive Galaxie sieht in sichtbaren Wellenlängen wild aus, sie ist auch eine gewaltige Quelle an Röntgen– und Radioemissionen.

NGC 1275 sammelt Materie, indem ganze Galaxien hineinfallen und letztlich ein sehr massereiches Schwarzes Loch im Kern der Galaxie füttern. Dieses Kompositbild, das aus Archivdaten des Weltraumteleskops Hubble nachgebaut wurde, betont die entstandenen galaktischen Trümmer und Fasern aus leuchtendem Gas, manche sind bis zu 20.000 Lichtjahre lang.

Beobachtungen lassen vermuten, dass die Strukturen, die durch die Aktivität des Schwarzen Lochs vom Galaxienzentrum ausgestoßen werden, durch Magnetfelder zusammengehalten werden. NGC 1275, auch bekannt als Perseus A, ist größer als 100.000 Lichtjahre und etwa 230 Millionen Lichtjahre entfernt.

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Wachsendes Schwarzes Loch mit Strahl

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Illustrationscredit: NASA, Swift, Aurore Simonnet (Sonoma State U.)

Beschreibung: Was passiert, wenn ein Schwarzes Loch einen Stern verschlingt?

Viele Details sind noch unbekannt, doch aktuelle Beobachtungen liefern neue Hinweise. 2014 wurde von den bodengebundenen Roboterteleskopen des Projekts der automatisierten Ganzhimmelssuche nach Supernovae (ASAS-SN) eine mächtige Explosion beobachtet und weiterverfolgt, unter anderem von den Instrumenten des NASASatelliten Swift im Erdorbit. Computermodelle dieser Emissionen passen zu einem Stern, der von einem fernen, sehr massereichen Schwarzen Loch auseinandergerissen wird. Die Ergebnisse einer solchen Kollision sind auf dieser künstlerischen Darstellung dargestellt.

Das Schwarze Loch selbst ist als winziger schwarzer Punkt in der Mitte dargestellt. Wenn Materie ins Loch fällt, kollidiert sie mit anderer Materie und erhitzt sich. Das Schwarze Loch ist von einer Akkretionsscheibe aus heißer Materie umgeben, die einst der Stern war, und aus der Rotationsachse des Schwarzen Lochs strömt ein Strahl.

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Im Zentrum der Spiralgalaxie NGC 5033

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Bildcredit: NASA, ESA, Hubble, MASTBearbeitung: Judy Schmidt

Beschreibung: Was geschieht im Zentrum der Spirale NGC 5033? Viele Dinge – einige laufen rund, andere sind energiereich, und manche verstehen wir nicht gut. NGC 5033 ist wegen der großen Aktivität in ihrem Kern als Seyfertgalaxie bekannt. Helle Sterne, dunkler Staub und interstellares Gas wirbeln schnell um ein galaktisches Zentrum, das durch ein sehr massereiches Schwarzes Loch leicht verschoben erscheint. Diese Verschiebung trat vermutlich ein, weil NGC 5033 irgendwann in der letzten Milliarde Jahre mit einer anderen Galaxie verschmolz.

Dieses Bild wurde 2005 mit dem Weltraumteleskop Hubble fotografiert. NGC 5033 ist etwa 100.000 Lichtjahre groß und so weit entfernt, dass wir sehen, wie sie vor ungefähr 40 Millionen Jahren aussah.

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NGC 4696: Fasern um ein Schwarzes Loch

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Bildcredit: NASA, ESA, Hubble, A. Fabian

Beschreibung: Was geschieht im Zentrum der elliptischen Galaxie NGC 4696? Auf diesem kürzlich veröffentlichten Bild des Weltraumteleskops Hubble wurden darin lange Tentakel aus Gas und Staub sehr detailreich abgebildet. Diese Fasern verlaufen anscheinend zur Zentralregion der Galaxie, die vermutlich von einem sehr massereichen Schwarzen Loch besetzt ist. Es gibt Hinweise, dass dieses Schwarze Loch Energie abzieht, die das umgebende Gas erhitzt, kühlere Fasern aus Gas und Staub ausstößt und die Sternbildung beendet. Diese Fasern werden von Magnetfeldern in Schwebe gehalten, scheinen dann auf spiralförmigen Bahnen zum zentralen Schwarzen Loch zu laufen und schließlich dieses zu umkreisen.

NGC 4696 ist die größte Galaxie im Zentaurus-Galaxienhaufen, der etwa 150 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt ist. Dieses Bild zeigt eine ungefähr 45.000 Lichtjahre breite Region.

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Arp 299: Schwarze Löcher in kollidierenden Galaxien

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Bildcredit: NASA, JPL-Caltech, GSFC, Hubble, NuSTAR

Beschreibung: Spuckt nur ein schwarzes Loch energiereiche Strahlung – oder zwei? Um das herauszufinden, richteten Astronomen das NASA-Teleskop NuSTAR im Erdorbit auf die rätselhaften kollidierenden Galaxien Arp 299, welche die Strahlung ausstoßen. Die beiden Galaxien von Arp 299 sind für Millionen Jahre in einem Gravitationskampf gefangen, während ihre zentralen Schwarzen Löcher bald selbst kämpfen werden.

Dieses hoch aufgelöste Bild in sichtbarem Licht wurde von Hubble fotografiert. Das darübergelegte diffuse Röntgenleuchten wurde von NuSTAR abgebildet und ist in Falschfarbenrot, -grün und -blau dargestellt. Die NuSTAR-Beobachtungen zeigen bei nur einem der zentralen Schwarzen Löcher, wie es sich durch eine Region aus Gas und Staub kämpft und dabei Materie absorbiert und Röntgenlicht abstrahlt. Die energiereiche Strahlung stammt nur vom rechten Galaxienzentrum und entsteht sicherlich in der Nähe – jedoch außerhalb – des Ereignishorizonts des zentralen Schwarzen Loches. In Milliarden Jahren bleibt nur eine Galaxienkomponente übrig und nur ein zentrales massereiches Schwarzes Loch. Bald danach stürzt sich jedoch eine andere Galaxie ins Getümmel.

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Aussicht in der Nähe eines Schwarzen Lochs

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Illustrationscredit: April Hobart, CXC

Beschreibung: Im Zentrum eines wirbelnden Strudelbeckens aus heißem Gas sitzt wahrscheinlich ein Ungeheuer, das noch nie direkt zu sehen war: ein Schwarzes Loch. Untersuchungen des hellen Lichts, das vom wirbelnden Gas abgestrahlt wird, lassen häufig nicht nur auf die Anwesenheit eines Schwarzen Lochs schließen, sondern auch auf wahrscheinliche Eigenschaften. Man fand heraus, dass das Gas, das beispielsweise GRO J1655-40 umgibt, ein ungewöhnliches Flackern aufweist, mit einer Frequenz von 450 Mal pro Sekunde. Bei einer vorhergehenden Massenabschätzung für das Zentralobjekt von sieben Sonnenmassen kann die Frequenz des schnellen Flackerns durch ein Schwarzes Loch erklärt werden, das sehr schnell rotiert. Welche physikalischen Mechanismen das Flackern – und eine langsamere quasiperiodische Schwingung – in Akkretionsscheiben verursacht, die Schwarze Löcher und Neutronensterne umgeben, wird noch erforscht.

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Die wolkigen Kerne aktiver Galaxien


Bildcredit: NASA’s GSFC, W. Steffen (UNAM)

Beschreibung: Wie sieht es aus, wenn man ins Zentrum einer aktiven Galaxie reist? Vermutlich enthalten die meisten Galaxienzentren Schwarze Löcher, Millionen Mal massereicher als unsere Sonne. Die Räume, die diese sehr massereichen Schwarzen Löcher umgeben, sind jedoch vielleicht alles andere als ruhig, sie flackern in vielen Farben, daher trägt die gesamte Objektklasse die Bezeichnung „Aktive galaktische Kerne“ (AGK).

Dieses Video zeigt, wie ein aktiver galaktischer Kern aus der Nähe aussehen könnte. AGK besitzen üblicherweise massereiche Akkretionsscheiben, die das zentrale Schwarze Loch speisen, und mächtige Strahlen schießen elektrisch geladene Materie weit ins umgebende Universum.

Wolken aus Gas und Staub umkreisen die zentralen Schwarzen Löcher, und in jüngster Zeit erkannte man, dass diese so dicht sind, dass sie sogar gelegentlich die alles durchdringenden Röntgenstrahlen ausblenden, sodass sie uns nicht erreichen. Solche Trübungen des Röntgenlichtes können Stunden oder Jahre dauern und wurden bei der Analyse von Daten entdeckt, die im Laufe von mehr als einem Jahrzehnt vom RossiX-ray-Timing-Explorer (RXTE) der NASA gewonnen wurden.

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Schwere Strahlen eines Schwarzen Lochs in 4U1630-47

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Illustrationscredit: NASA, CXC, M. Weiss

Beschreibung: Woraus bestehen die Strahlen eines Schwarzen Lochs? Viele Schwarze Löcher in Sternsystemen sind sicherlich von Scheiben aus Gas und Plasma umgeben, das durch Gravitation von einem nahe gelegenen Begleitstern eingesaugt wird. Ein Teil dieser Materie endet, nachdem sie sich dem Schwarzen Loch genähert hat, indem sie vom Sternsystem in Form mächtiger Strahlen ausgestoßen wird, die von den Polen des rotierenden Schwarzen Lochs ausströmen. Aktuelle Hinweise lassen den Schluss zu, dass diese Strahlen nicht nur aus Elektronen und Protonen bestehen, sondern auch die Kerne schwerer Elemente wie Eisen und Nickel enthalten. Die Entdeckung wurde im System 4U1630-47 gemacht, und zwar mithilfe einer kompakten, von CSIRO betriebenen Anordnung an Radioteleskopen im Osten Australiens sowie dem Satelliten XMM-Newton der Europäischen Weltraumorganisation in der Erdumlaufbahn. Das Sternsystem 4U1630-47 ist oben als künstlerische Illustration abgebildet, rechts steht ein großer blauer Stern, und von einem Schwarzen Loch im Zentrum der Akkretionsscheibe auf der linken Seite strömen Strahlen aus. Obwohl das Sternsystem 4U1630-47 vermutlich nur ein kleines, wenige Sonnenmassen schweres Schwarzes Loch enthält, könnten die Folgerungen aus diesen Ergebnissen größer sein: dass größere Schwarze Löcher ebenfalls Strahlen massereicher Kerne in den Kosmos ausstrahlen.

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Rotationsbeschleunigung eines massereichen Schwarzen Lochs

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Illustrations-Credit: Robert Hurt, NASA/JPL-Caltech

Beschreibung: Wie schnell kann sich ein Schwarzes Loch drehen? Wenn sich ein Objekt aus normaler Materie zu schnell dreht, bricht es auseinander. Doch ein Schwarzes Loch sollte nicht auseinanderbrechen können – und seine maximale Rotationsgeschwindigkeit ist tatsächlich nicht bekannt. Theoretiker modellieren schnell rotierende Schwarze Löcher üblicherweise mit der Kerr-Metrik zu Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie, die mehrere überraschende und ungewöhnliche Dinge vorhersagt. Seine vielleicht am einfachsten nachprüfbare Prognose ist jedoch, dass Materie, die in ein mit maximaler Geschwindigkeit rotierendes Schwarzes Loch fällt, zuletzt zuletzt sichtbar sein sollte, wenn sie dieses annähernd mit Lichtgeschwindigkeit umkreist, wie man aus großer Entfernung beobachten kann. Diese Prognose wurde kürzlich von den Statelliten NuSTAR der NASA und XMM der ESA getestet, und zwar durch Beobachtung des sehr massereichen Schwarzen Lochs im Zentrum der Spiralgalaxie NGC 1365. Die Grenze nahe der Lichtgeschwindigkeit wurde bestätigt, indem man die Aufheizung und die Verbreiterung der Spektrallinien von Kernemissionen nahe dem inneren Rand der umgebenden Akkretionsscheibe vermaß. Oben zeigt eine künstlerische Illustration eine Akkretionsscheibe aus normaler Materie, die um ein Schwarzes Loch wirbelt, mit einem Strahl, der aus der Oberseite strömt. Da Materie, die zufällig in das Schwarze Loch fällt, die Rotation eines Schwarzen Lochs nicht so stark beschleunigen sollte, bestätigen die Messungen von NuSTAR und XMM auch die Existenz der umgebenden Akkretionsscheibe.

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Plasmastrahlen der Radiogalaxie Hercules A

Siehe Beschreibung. Galaxie mit riesigen Plasmastrahlen, die vermutlich von einem Schwarzen Loch stammen. Ein Klick auf das Bild lädt die höchstaufgelöste verfügbare Version.

Bildcredit: NASA, ESA, S. Baum und C. O’Dea (RIT), R. Perley und W. Cotton (NRAO/AUI/NSF) sowie das Hubble Heritage Team (STScI/AURA)

Beschreibung: Warum strömen aus dieser Galaxie so spektakuläre Strahlen? Das ist nicht bekannt, doch es hängt wahrscheinlich mit einem aktiven, sehr massereichen Schwarzen Loch im Zentrum zusammen. Die Galaxie in der Bildmitte ist Hercules A, im sichtbaren Licht wirkt sie wie eine relativ normale elliptische Galaxie. Wenn man sie aber in Radio-Wellenlängen abbildet, erscheinen gewaltige, mehr als eine Million Lichtjahre lange Plasmastrahlen.

Genaue Untersuchungen zeigen, dass die zentrale Galaxie, die auch als 3C 348 bekannt ist, mehr als 1000-mal massereicher ist als unsere Galaxis, und dass das zentrale Schwarze Loch fast 1000-mal mehr Masse besitzt als das Schwarze Loch im Zentrum unserer Milchstraße.

Das oben gezeigte Bild im sichtbaren Licht wurde mit dem Weltraumteleskop Hubble in der Erdumlaufbahn gemacht und mit einem Radiobild überlagert, das mit den Radioantennen des kürzlich modernisierten Very Large Array (VLA) in New Mexico (USA) aufgenommen wurde. Die Physik, die diese Strahlen erzeugt, wird weiterhin erforscht. Eine wahrscheinliche Energiequelle ist die einfallende Materie, die zum zentralen Schwarzen Loch strudelt.

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