Galaktisches Zentrum
Das galaktische Zentrum ist das Baryzentrum der Milchstraße. Von der Erde aus gesehen liegt es im Sternbild Schütze, wo das sichtbare Band der Milchstraße am dichtesten erscheint (Rektaszension α = 17h 46m und Deklination δ = −29° 00′). Das galaktische Zentrum enthält das supermassereiche Schwarze Loch Sagittarius A* mit einer Masse von 4,1 Millionen Sonnenmassen. Die Ausrichtung des galaktischen Koordinatensystems ist (aus historischen Gründen nur näherungsweise) durch die Lage des galaktischen Zentrums bestimmt (galaktische Länge ist hier ≈0°), Nullpunkt des galaktischen Koordinatensystems ist aus praktischen Gründen jedoch die Sonne. Das galaktische Zentrum ist ungefähr 26.700 Lichtjahre entfernt (8,178±0,035 kpc nach den Messungen der Raumsonden Hipparcos und Gaia) und damit nahe genug, um mit modernen Instrumenten die Bewegungen einzelner Sterne untersuchen zu können.
Im Sternbild Fuhrmann, direkt gegenüber dem galaktischen Zentrum, liegt die Region der galaktischen Scheibe mit der geringsten zu beobachtenden Sterndichte – das galaktische Antizentrum.[1][2]
Verborgen hinter Dunkelwolken
Das Sternbild Schütze (lateinisch sagittarius) enthält zwar besonders viele Sterne und Nebel, das galaktische Zentrum selbst kann jedoch im sichtbaren Licht nicht beobachtet werden, da es von dunklen Staubwolken der interstellaren Materie auf dem Weg zur Erde um etwa 30 Magnituden (Faktor 1012) abgeschwächt wird.
Mit längerwelliger Strahlung wie Infrarotstrahlung und Radiowellen sowie auch mit kürzerwelliger harter Röntgenstrahlung sind jedoch Beobachtungen möglich, da solche Anteile des elektromagnetischen Spektrums wesentlich besser die Bereiche interstellarer Staubwolken durchdringen.
Außerdem ist das galaktische Zentrum der Mittelpunkt der galaktischen Rotation aller im Milchstraßensystem vorhandenen Körper und kann als solches indirekt erschlossen werden.
Radio-, Infrarot- und Röntgenstrahlung
Schon zu Beginn der Entwicklung der Radioastronomie gelang 1931 Karl Guthe Jansky der Nachweis von Radiostrahlung aus der Richtung des galaktischen Zentrums. Spätere Beobachtungen lösten diese Emission in verschiedene Radioquellen unterschiedlicher Natur auf. Eine dieser Quellen, Sagittarius A (West), ist eine annähernd spiralförmige Struktur ionisierten Gases von etwa 2 pc Größe. Sie ist umgeben von einem Ring kälterer molekularer interstellarer Materie. Innerhalb von Sagittarius A befindet sich die sehr kompakte Radioquelle Sagittarius A*. Diese Quelle bei α = 17h 45m 40,04s und δ = −29° 00′ 28,2″ (J2000.0) liegt im Zentrum der Milchstraße.
Seit den 1960er Jahren wurde mit zunehmender Fortentwicklung der Infrarotastronomie das galaktische Zentrum zu einem ihrer bevorzugten Ziele. Es zeigte sich ein nach innen hin zunehmend dichter werdender Sternhaufen S-star Cluster[3], dessen Zentrum bei Sagittarius A* liegt. Überraschenderweise sind viele Sterne in den innersten 0,5 pc junge, heiße Sterne. Es ist noch nicht voll verstanden, wie sie unter den dortigen extremen Bedingungen entstehen konnten oder aber während ihrer Lebensdauer von nur wenigen Millionen Jahren dorthin gelangen konnten.
Gegen Ende der 1990er Jahre gelang mit Aufnahmen des Röntgensatelliten Chandra zum ersten Mal auch der Nachweis von Röntgenstrahlung von Sagittarius A*. Frühere Röntgenteleskope hatten zwar schon Emission aus dem Gebiet des galaktischen Zentrums festgestellt, deren Zuordnung wegen schlechterer Winkelauflösung aber nicht geklärt war.
Zentrales Schwarzes Loch
Supermassereiche Schwarze Löcher werden in der Astronomie als Energiequelle aktiver galaktischer Kerne weitestgehend akzeptiert und heute im Kern jeder hellen elliptischen Galaxie und jedes Bulges einer Spiralgalaxie vermutet. Nötig ist aber zumindest in Einzelfällen der direkte Nachweis der Schwerkraftwirkung des Schwarzen Lochs in einer Art, die andere Erklärungen ausschließt. Das galaktische Zentrum bietet hier den heute vermutlich stärksten Beweis.
Die Eigenschaften der starken Radioquelle Sagittarius A* im Zentrum des Milchstraßensystems sprechen dafür, dass es sich um die Anzeichen eines Schwarzen Lochs handelt. Sgr A* strahlt sehr hell aus einem sehr kleinen Gebiet, was nicht durch andere Arten von Radioquellen zu erklären ist. Dieser Nachweis ist aber noch indirekt. Die geringe Eigenbewegung von Sgr A* – im Wesentlichen sieht man nur die Widerspiegelung des Umlaufs der Sonne um das galaktische Zentrum – deutet auf ein sehr massereiches Objekt hin. Ein Objekt mit geringer Masse sollte sich wie die Sterne im zentralen Sternhaufen sehr rasch am Himmel bewegen, wenn es sich nicht gerade zufällig genau auf die Sonne zubewegt.
Der beste Nachweis für ein Schwarzes Loch kommt aus der Bewegung von Materie unter dem Einfluss seiner Schwerkraft. Schon in den späten 1970er Jahren hatten Charles H. Townes und Mitarbeiter rasche Gasbewegungen im galaktischen Zentrum nachgewiesen. Hier blieben aber noch letzte Zweifel, da Gas auch anderen Kräften als der Schwerkraft unterliegen kann (zum Beispiel durch Magnetfelder oder Sternwinde) und die räumliche Auflösung nicht voll genügte. Seit den 1990er Jahren haben deshalb deutsche und amerikanische Forschergruppen die Bewegung der Sterne des zentralen Sternhaufens mit immer höherer räumlicher Auflösung untersucht. Zur Korrektur der Luftunruhe wurde zunächst Speckle-Interferometrie und dann adaptive Optik eingesetzt. Die Zunahme der Bewegungsgeschwindigkeiten der Sterne in der Nähe der zentralen Masse konnte damit bis unter 0,1 Bogensekunden Abstand verfolgt werden. Astronomen am Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik konnten die Masse dieses Schwarzen Loches mit relativ hoher Genauigkeit auf etwa 4,31 Millionen Sonnenmassen bestimmen.[4] Andere Möglichkeiten als ein Schwarzes Loch, um so viel Masse in ein so kleines Volumen zu packen, wären nicht über das Alter der Milchstraße stabil.
Seit 2001 sind im Röntgen- und Infrarotbereich wiederholt Helligkeitsausbrüche von typischerweise einer bis wenigen Stunden Dauer aus der unmittelbaren Umgebung des Schwarzen Lochs beobachtet worden. Ihr kurzfristiges Flackern enthält – bei nur wenigen Schwarzschildradien Entfernung vom Schwarzen Loch – möglicherweise Information über die Raumzeit.
Astronomen haben Sterne in der Nähe des Schwarzen Lochs im Visier. Die Sterne S2 und S0-102 haben mit 16 bzw. 11,5 Jahre die kürzeste Umlaufszeit um das galaktische Zentrum. S2 wird seit 2002 beobachtet und auch S0-102 hat man mittlerweile über einen vollen Orbit verfolgt. Zuvor war kein Objekt über einen solch langen Zeitraum so nahe am Zentrum einer Galaxie beobachtet worden, noch war bis dahin irgendein anderes Objekt entdeckt worden, das über mehr als nur einen kleinen Teil seiner vollen Umlaufbahn um das Zentrum der Galaxie hinweg beobachtet werden konnte. Rainer Schoedel vom Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik sieht diese Forschungsergebnisse als Beweis für ein supermassereiches Schwarzes Loch an.[5][6]
Im Jahr 2011 untersuchten Astronomen des Max-Planck-Instituts für extraterrestrische Physik Bilder des Milchstraßenzentrums im Bereich von 3,8 Mikrometern Wellenlänge. Sie entdeckten eine Gaswolke G2, die sich in Richtung des zentralen Schwarzen Lochs bewegte und dabei durch die Gezeitenkräfte immer weiter auseinandergerissen wurde. Es wurde vermutet, dass Teile des Gases innerhalb der darauffolgenden Jahre abgebremst, durch die Schwerkraft des Schwarzen Lochs angesaugt und hinter dessen Ereignishorizont verschwinden werden.[7] Dies wurde jedoch nicht beobachtet, ebenso wenig wie die erwartete Strahlungsfreisetzung. Stattdessen flog die Gaswolke auf einer stark elliptischen Bahn weiter.[8]
2022 wurden Aufnahmen des zentralen Schwarzen Lochs durch das Event Horizon Telescope veröffentlicht. Sie waren in guter Übereinstimmung mit der schon bekannten Masse des schwarzen Lochs und zeigten, dass dieses rotiert, allerdings ergaben sie noch nicht den Betrag des Drehimpulses. Die Achse war bis auf 30 Grad oder weniger in Richtung Erde geneigt und es gab eine Akkretionsscheibe senkrecht zur Achse.
Galerie
Literatur
- Sascha Trippe: Ten thousand stars and one black hole. A study of the galactic center in the near infrared. Harland Media, Lichtenberg 2008, ISBN 978-3-938363-22-5. (Zugleich: Univ., Diss., München 2008).
- Fulvio Melia: The black hole at the center of our galaxy. Princeton University Press, Princeton NJ u. a. 2003, ISBN 0-691-09505-1.
- Fulvio Melia: The galactic supermassive black hole. Princeton University Press, Princeton NJ u. a. 2007, ISBN 978-0-691-09535-6.
- Roland Gredel: The Galactic Center. 4th ESO/CTIO workshop. La Serena, Chile, 10–15 March 1996. Astronomical Society of the Pacific, San Francisco CA 1996, ISBN 1-886733-22-8. (Astronomical Society of the Pacific Conference Series 102)
Weblinks
- Galactic Center Research – Overview. In: mpe.mpg.de. 20. März 2023 (englisch).
- Auf der Lauer am Schwarzen Loch: Max-Planck-Astronomen beobachten 16 Jahre lang das turbulente Zentrum der Galaxis. In: mpe.mpg.de. 10. Oktober 2008.
- Das beschriftete galaktische Zentrum – Astronomy Picture of the Day vom 31. August 2010.
Videos
- Gibt es schwarze Löcher in der Milchstraße? aus der Fernseh-Sendereihe alpha-Centauri (ca. 15 Minuten). Erstmals ausgestrahlt am 9. Mai 1999.
- Was gibt's Neues aus dem galaktischen Zentrum? aus der Fernseh-Sendereihe alpha-Centauri (ca. 15 Minuten). Erstmals ausgestrahlt am 16. Mär. 2003.
- Gibt es ein 2. Schwarzes Loch im Galaktischen Zentrum? aus der Fernseh-Sendereihe alpha-Centauri (ca. 15 Minuten). Erstmals ausgestrahlt am 10. Mai 2006.
Einzelnachweise
- ↑ The Milky Way Galaxy. In: David Darling – Encyclopedia of Science. Abgerufen am 29. November 2020 (englisch, Abschnitt galactic anticenter).
- ↑ Views of the Galactic Anticenter fermi.gsfc.nasa.gov (abgerufen am 6. Oktober 2010).
- ↑ Nadeen Sabha, Andreas Eckart, David Merritt, Mohammad Zamaninasab, Gunther Witzel, Macarena García-Marín, Behrang Jalali, Monica Valencia-S., Senol Yazici, Rainer Buchholz, Banafsheh Shahzamanian, Christian Straubmeier: The S-Star Cluster at the Center of the Milky Way: On the nature of diffuse NIR emission in the inner tenth of a parsec. In: Astronomy & Astrophysics. Band 545, Nr. 70, 2012, S. 12 ff., doi:10.1051/0004-6361/201219203, arxiv:1203.2625 [abs].
- ↑ Astrophysical Journal, Vorabveröffentlichung, 26. Oktober 2008: Monitoring stellar orbits around the Massive Black Hole in the Galactic Center
- ↑ Siehe auch: MSNBC News:Scientists map our galaxy’s black hole. ( vom 28. April 2004 im Internet Archive) (englisch)
- ↑ Robert Roy Britt:Final Proof Provided for Milky Ways Central Black Hole. ( vom 25. Februar 2010 im Internet Archive) auf: space.com, 16. Oktober 2002. (englisch)
- ↑ Im Sog des Schwarzen Lochs. In: Sterne und Weltraum. 8/2013, S. 28 ff.
- ↑ Why galactic black hole fireworks were a flop : Nature News & Comment. Nature.com, abgerufen am 24. August 2018.
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Autor/Urheber: Stefan Gillessen, Reinhard Genzel, Frank Eisenhauer, Lizenz: CC BY 3.0
In a 16-year long study, using several of ESO's flagship telescopes, a team of German astronomers has produced the most detailed view ever of the surroundings of the monster lurking at our Galaxy's heart — a supermassive black hole. The research has unravelled the hidden secrets of this tumultuous region by mapping the orbits of almost 30 stars, a five-fold increase over previous studies. One of the stars has now completed a full orbit around the black hole.
By watching the motions of 28 stars orbiting the Milky Way's most central region with admirable patience and amazing precision, astronomers have been able to study the supermassive black hole lurking there. It is known as "Sagittarius A*" (pronounced "Sagittarius A star"). The new research marks the first time that the orbits of so many of these central stars have been calculated precisely and reveals information about the enigmatic formation of these stars — and about the black hole to which they are bound.
"The centre of the Galaxy is a unique laboratory where we can study the fundamental processes of strong gravity, stellar dynamics and star formation that are of great relevance to all other galactic nuclei, with a level of detail that will never be possible beyond our Galaxy," explains Reinhard Genzel, leader of the team from the Max-Planck-Institute for Extraterrestrial Physics in Garching near Munich.
The interstellar dust that fills the Galaxy blocks our direct view of the Milky Way's central region in visible light. So astronomers used infrared wavelengths that can penetrate the dust to probe the region. While this is a technological challenge, it is well worth the effort. "The Galactic Centre harbours the closest supermassive black hole known. Hence, it is the best place to study black holes in detail," argues the study's first author, Stefan Gillessen.
The team used the central stars as "test particles" by watching how they move around Sagittarius A*. Just as leaves caught in a wintry gust reveal a complex web of air currents, so does tracking the central stars show the nexus of forces at work at the Galactic Centre. These observations can then be used to infer important properties of the black hole itself, such as its mass and distance. The new study also showed that at least 95% of the mass sensed by the stars has to be in the black hole. There is thus little room left for other dark matter.
"Undoubtedly the most spectacular aspect of our long term study is that it has delivered what is now considered to be the best empirical evidence that supermassive black holes do really exist. The stellar orbits in the Galactic Centre show that the central mass concentration of four million solar masses must be a black hole, beyond any reasonable doubt," says Genzel. The observations also allow astronomers to pinpoint our distance to the centre of the Galaxy with great precision, which is now measured to be 27 000 light-years.
To build this unparalleled picture of the Milky Way's heart and calculate the orbits of the individual stars the team had to study the stars there for many years. These latest groundbreaking results therefore represent 16 years of dedicated work, which started with observations made in 1992 with the SHARP camera attached to ESO's 3.5-metre New Technology Telescope located at the La Silla observatory in Chile. More observations have subsequently been made since 2002 using two instruments mounted on ESO's 8.2 m Very Large Telescope (VLT). A total of roughly 50 nights of observing time with ESO telescopes, over the 16 years, has been used to complete this incredible set of observations.
The new work improved the accuracy by which the astronomers can measure the positions of the stars by a factor of six compared to previous studies. The final precision is 300 microarcseconds, equivalent at seeing a one euro coin from a distance of roughly 10 000 km.
For the first time the number of known stellar orbits is now large enough to look for common properties among them. "The stars in the innermost region are in random orbits, like a swarm of bees," says Gillessen. "However, further out, six of the 28 stars orbit the black hole in a disc. In this respect the new study has also confirmed explicitly earlier work in which the disc had been found, but only in a statistical sense. Ordered motion outside the central light-month, randomly oriented orbits inside – that's how the dynamics of the young stars in the Galactic Centre are best described."
One particular star, known as S2, orbits the Milky Way's centre so fast that it completed one full revolution within the 16-year period of the study. Observing one complete orbit of S2 has been a crucial contribution to the high accuracy reached and to understanding this region. Yet the mystery still remains as to how these young stars came to be in the orbits they are observed to be in today. They are much too young to have migrated far, but it seems even more improbable that they formed in their current orbits where the tidal forces of the black hole act. Excitingly, future observations are already being planned to test several theoretical models that try to solve this riddle.
"ESO still has much to look forward to," says Genzel. "For future studies in the immediate vicinity of the black hole, we need higher angular resolution than is presently possible." According to Frank Eisenhauer, principal investigator of the next generation instrument GRAVITY, ESO will soon be able to obtain that much needed resolution. "The next major advance will be to combine the light from the four 8.2-metre VLT unit telescopes – a technique known as interferometry. This will improve the accuracy of the observations by a factor 10 to 100 over what is currently possible. This combination has the potential to directly test Einstein's general relativity in the presently unexplored region close to a black hole."
Notes for editors
These observations are the culmination of 16 years of a large monitoring campaign, begun in 1992 at ESO's New Technology Telescope with SHARP. It was then pursued at ESO's Very Large Telescope with the NACO and SINFONI instruments. These two instruments rely on the use of adaptive optics, which allows astronomers to remove the blurring effect of the atmosphere. As the centre of the Milky Way is very crowded, it is necessary to observe it with the finest resolution possible, hence, the need for adaptive optics.
Only radio signals, infrared light and X-rays can reach us from the Galactic Centre. While radio observations show mostly gas and X-ray observatories are sensitive to high energy processes, the infrared allows these stars to be observed.
First results obtained in the course of this campaign can be found in ESO 17/02, 26/03 and 21/04.The center of our Milky Way galaxy is hidden from the prying eyes of optical telescopes by clouds of obscuring dust and gas. But in this stunning vista, the Spitzer Space Telescope's infrared cameras penetrate much of the dust, revealing the stars of the crowded galactic center region. The upcoming James Webb Space Telescope will offer a much-improved infrared view, teasing out fainter stars and sharper details.
The center of our galaxy is a crowded place: A black hole weighing 4 million times as much as our Sun is surrounded by millions of stars whipping around it at breakneck speeds. This extreme environment is bathed in intense ultraviolet light and X-ray radiation. Yet much of this activity is hidden from our view, obscured by vast swaths of interstellar dust.
NASA’s James Webb Space Telescope is designed to view the universe in infrared light, which is invisible to the human eye, but is very important for looking at astronomical objects hidden by dust. After its launch, Webb will gather infrared light that has penetrated the dusty veil, revealing the galactic center in unprecedented detail.Zentrum unserer Milchstraße, im Sternbild Sagittarius (Schütze) gelegen, ein 2MASS (Two Micron All-Sky Survey) Bild.
Im sichtbaren Licht ist der Löwenanteil der Sterne hinter dicken Staubwolken verborgen. Diese Staubverschleierung wird im Infrarotbereich transparenter: Dieses 2MASS Bild, ein Feld von etwa 10 x 8 Grad (etwa eine Faust groß auf Armlänge), zeigt Scharen von sonst verborgenen Sternen im zentralen Sternhaufen der Milchstraße.
Dieser zentrale Kern im oberen linken Teil des Bildes, in dem ein schwarzes Loch vermutet wird, ist etwa 25.000 Lichtjahre entfernt. Die Rötung der Sterne hier und entlang der galaktischen Ebene aufgrund der Streuung durch den Staub hat die gleiche Ursache, wie sich die Sonne beim Untergang zu röten scheint.
Auch die dichtesten Bereiche von Staub werden hier dargestellt. Außerdem mehrere Nebel unten rechts, einschließlich des Katzenpfote-Nebels. Allein in diesem spektakulären Feld hat die 2MASS Analyse-Software fast 10 Millionen Sterne identifiziert und ihre Eigenschaften gemessen.
Autor/Urheber: Christian Bergner, Lizenz: CC BY-SA 4.0
Sagittarius A* am Südhorizont in sichtbarem Licht. Fotografie mit Kamera Sony alpha 7S, 80 mm Objektiv, Belichtungszeit 5 Minuten, ISO 3200, Ort: Donji Lapac, Kroatien.
Autor/Urheber: User:Moondigger, Lizenz: CC BY-SA 2.5
A view of the night sky near Sagittarius, enhanced to show better contrast and detail in the dust lanes. The principal stars in Sagittarius are indicated in red.
Grid added to File:236084main MilkyWay-full-annotated.jpg
Autor/Urheber: ESO/R. Schoedel, Lizenz: CC BY 4.0
The centre of our own galaxy, the Milky Way, is again in the sights of ESO telescopes. This time it’s the turn of ISAAC, the VLT’s near- and mid-infrared spectrometer and camera.
From Chile’s Atacama Desert, site of the ESO observatories, the Milky Way offers magnificent views, particularly in the southern hemisphere winter, when the central region of our galaxy is most visible (see eso0934). However, the Galactic Centre itself, located about 27 000 light-years away in the constellation of Sagittarius, hides behind thick clouds of interstellar dust, which appear as dark obscuring lanes in visible light, but which are transparent at longer wavelengths such as the infrared. In this image, the infrared observations clearly reveal the dense clustering of stars in the galactic core.
ESO telescopes have been tracking stars orbiting the centre of the Milky Way for more than 18 years, getting the highest resolution images of this area and providing a definitive proof of the existence of a supermassive black hole in the heart of our galaxy (read more in eso0226 and eso0846). Infrared flashes emitted by hot gas falling into the supermassive black hole have also been detected with ESO telescopes (see eso0330).
This representative-colour picture is composed of images taken by ISAAC at near-infrared wavelengths through 2.25, 2.09, and 1.71 µm narrowband filters (shown in red, green and blue respectively). It covers a field of view of 2.5 arcminutes.