Astronomie • Astrophysik

Der Nebel mit dem dunklen Band

Die aktive Galaxie Centaurus A hat in der Radioastronomie Geschichte geschrieben

19. Juli 2021

So nah wie nie zuvor ist das Event Horizon Telescope dem Milchstraßensystem Centaurus A gekommen. Die Aufnahme zeigt den Materiejet, den das zentrale schwarze Loch ins All bläst, in bisher unerreichtem Detail. Damit hat der weltweite Teleskopverbund aus acht einzelnen Observatorien der Forschungsgeschichte dieser Radiogalaxie ein weiteres Kapitel hinzugefügt. Seit der Entdeckung Mitte des 19. Jahrhunderts haben Astronominnen und Astronomen Centaurus A bei allen möglichen Wellenlängen unter die Lupe genommen. Seit Ende der 1940er-Jahre ist die außergewöhnliche Galaxie auch Gegenstand der Radioastronomie – einer vergleichsweise jungen Disziplin, die ein neues Fenster zum All aufgestoßen hat.

Zerschnitten: Der Astronom John Herschel entdeckte die rund 13 Millionen Lichtjahre entfernte Galaxie Centaurus A, während er in Jahren 1834 bis 1838 Bild vergrößern
Zerschnitten: Der Astronom John Herschel entdeckte die rund 13 Millionen Lichtjahre entfernte Galaxie Centaurus A, während er in Jahren 1834 bis 1838 vom Kap der Guten Hoffnung aus den Südhimmel beobachtete. Er beschrieb sie als ungewöhnlich aussehenden Nebel, „durch ein breites, dunkles Band zerrschnitten“. Auf dieser Aufnahme im optischen Licht ist diese Streifen – er besteht aus Staub – gut zu sehen. [weniger]

Text: Helmut Hornung

Gelegentlich dauert es etwas länger, bevor eine wissenschaftliche Methode zum Standard wird und der Forschung neue Horizonte eröffnet. Ein Paradebeispiel ist die Radioastronomie. In den frühen 1930er-Jahren fahndete der Physiker Karl Jansky im Auftrag der US-amerikanischen Bell Telephone Laboratories in New Jersey nach unerwünschten Geräuschen bei der Übertragung von Rundfunksendungen. Denn die Technik steckte noch in den Kinderschuhen, und oftmals ertönte ein schreckliches Knacken und Knistern aus den Lautsprechern und störte die Nachrichten oder die Trompetensoli von Louis Armstrong.

Mit einem ungefähr 30 Meter langen Ungetüm aus Holz und Draht, das einem hohen Zaun mehr ähnelte als einer Antenne, lauschte Jansky im Sommer 1931 in den Äther und machte den Störenfried tatsächlich nach kurzer Zeit ausfindig: Gewitter. Eigentlich hätte Jansky jetzt zufrieden sein können – wäre da nicht noch ein merkwürdiges, gleichmäßiges Zischen gewesen. Es schien von einer Quelle auszugehen, die sich innerhalb eines Tages mit Sternengeschwindigkeit, also in 23 Stunden, 56 Minuten und vier Sekunden und damit exakt der Erdrotation folgend, über den Himmel bewegte.

Im Frühjahr 1933 stand für Jansky fest, dass dieses diffuse Zischen nur aus den Tiefen des Universums stammen konnte. Die großen amerikanischen Zeitungen berichteten über die Entdeckung, doch die Weltwirtschaftskrise beschäftigte die Menschen mehr als irgendwelche Signale aus dem All. Der Physiker blieb hartnäckig und hatte Erfolg. „Strahlung wird immer dann empfangen, wenn die Antenne auf die Milchstraße gerichtet ist“, schrieb er 1935. Gemeint war also jenes schimmernde Band, dass sich in einer klaren Sommernacht in unseren Breiten über das gesamte Himmelsgewölbe spannt. Es ist Teil jener Welteninsel, welche die Form einer leicht verbogenen Frisbeescheibe besitzt und Hunderte von Milliarden Sternen beherbergt – unter anderem unsere Sonne mit ihren acht Planeten.

Spätestens jetzt war der Wissenschaft ein neuer Zweig zugewachsen – die Radioastronomie. Doch die Gemeinde der Forschenden nahm davon zunächst keine Notiz. Nur einer hatte die Veröffentlichungen Janskys aufmerksam gelesen und erkannte das Potenzial der Methode: Grote Reber. Mit Materialkosten von 2000 Dollar baute der Funkamateur eine fast zehn Meter große, voll bewegliche Schüssel, platzierte sie im Garten seines Hauses in Wheaton im US-Bundesstaat Illinois und richtete sie in jeder freien Minute auf die Milchstraße. Dazu musste er nicht auf klaren Himmel warten und konnte auch tagsüber beobachten. Mit dieser Antenne durchmusterte Reber von 1937 an das Firmament bei verschiedenen Frequenzen. Im Jahr 1943 veröffentlichte er die Daten einer vollständigen Himmelsdurchmusterung.

Pionier: In den 1930er-Jahren baute Grote Reber im Garten seines Hauses in Wheaton (US-Bundesstaat Illinois) eine Radioschüssel, die den heutigen Ante Bild vergrößern
Pionier: In den 1930er-Jahren baute Grote Reber im Garten seines Hauses in Wheaton (US-Bundesstaat Illinois) eine Radioschüssel, die den heutigen Antennen gleicht. Im Jahr 1943 veröffentlichte Reber die Daten einer vollständigen Himmelsdurchmusterung. [weniger]

Als Grote Reber mit seinem überdimensionalen Suppenteller in den Himmel horchte, war er sich nicht so recht im Klaren, was er da eigentlich erlauschte. Erst nach dem Zweiten Weltkrieg erkannten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler allmählich, welche Möglichkeiten ihnen das Radiofenster bot. Immer mehr Forschende gingen daran, mit ihren Antennen die Botschaften aus dem Universum zu entschlüsseln. Die Radioastronomie kam in Schwung.

Was aber steckt hinter den unsichtbaren Wellen aus dem Weltall? Radiostrahlung ist nichts anderes als eine langwellige Version des sichtbaren Lichts. Das Spektrum, für das die Erdatmosphäre in diesem Bereich durchlässig ist, reicht von Submillimeter- und Millimeterwellen jenseits des Infraroten über Wellen von Zentimetern bis zu einigen Metern Länge.

Im Kosmos stammt Radiostrahlung aus unterschiedlichen Quellen, wobei man grundsätzlich zwischen zwei Arten unterscheidet: Nicht-thermische Strahlung wird von sehr energiereichen Elektronen erzeugt, die nahezu lichtschnell auf Spiralbahnen um Magnetfeldlinien laufen; vor allem Galaxien senden diese sogenannte Synchrotronstrahlung aus. Hingegen entsteht thermische Strahlung aufgrund der Eigentemperatur von Körpern, etwa in heißen Gasnebeln.

Hätten wir „Radioaugen“, sähe der irdische Himmel ganz anders aus: Sterne wären kaum zu sehen, dafür jede Menge kosmische Wolken und die Überreste von Supernovae. Die Milchstraße würde sich als helles Band mit vielen Strukturen abzeichnen. Ein Objekt oberhalb der Milchstraßenebene wäre besonders auffällig: Centaurus A.

Im optischen Licht ist diese rund 13 Millionen Lichtjahre entfernte Galaxie im Sternbild Zentaur schon lange bekannt. Der Astronom John Herschel entdeckte sie, während er in den Jahren 1834 bis 1838 vom Kap der Guten Hoffnung aus den Südhimmel beobachtete. In seinem neun Jahre nach seiner Rückkehr erschienen Verzeichnis beschreibt er sie als ungewöhnlich aussehenden Nebel, „durch ein breites, dunkles Band zerschnitten“.

Unter der Bezeichnung NGC 5128 wurde das Objekt in den Ende des 19. Jahrhunderts veröffentlichten New General Catalogue of Nebulae and Clusters of Stars aufgenommen. Erst in den 1950er-Jahren fanden die Forschenden dank immer präziserer Messungen heraus, dass NGC 5128 eine eigenständige Milchstraße ist, eine Galaxie.

Zuvor war 1949 im Wissenschaftsmagazin Nature ein Artikel des britisch-australischen Astronomen John Gatenby Bolton mit zwei Ko-Autoren erschienen. Kurz nach dem Zweiten Weltkrieg hatte dieser Pionier der Radioastronomie mit seinem Team begonnen, kosmische Radioquellen mit bekannten Objekten zu identifizieren. So spürte die Gruppe mit einem besonderen Teleskop an der australischen Küste unter anderem die Radiostrahlung von NGC 5128 auf: dem Seeklippen-Interferometer. Dieses registrierte gleichzeitig zwei Signale – jenes direkt von der Quelle am Himmel abgestrahlte und das von der Oberfläche des Pazifiks reflektierte. Auf diese Weise ließ sich ein virtuelles Radioteleskop (Interferometer) von mehreren Hundert Metern Durchmesser simulieren.

Radiolicht: Die Karte zeigt die ausgedehnten Blasen von Centaurus A, gemessen bei einer Wellenlänge von sechs Zentimetern mit dem Parkes-Radioteleskop Bild vergrößern
Radiolicht: Die Karte zeigt die ausgedehnten Blasen von Centaurus A, gemessen bei einer Wellenlänge von sechs Zentimetern mit dem Parkes-Radioteleskop in Australien. [weniger]

Damit gelang es, bereits vorher bekannte starke Radioquellen wie eben Centaurus A, aber auch Virgo A und Taurus A jeweils mit ihren optischen Gegenstücken zu identifizieren – also mit den Galaxien NGC 5128, Messier 87 und dem Crabnebel, einem Supernova-Überrest. Über diese Ergebnisse berichtete Boltons Gruppe in dem erwähnten Nature-Artikel.

Diese Arbeit der Forschenden war ein kleines Kunststück, denn die Detailauflösung eines Radioteleskops ist grundsätzlich sehr gering. Das liegt in der Natur der Sache, denn je größer die Wellenlänge, mit der beobachtet wird, desto geringer das Auflösungsvermögen. So etwa könnte man eine rund zwei Kilometer entfernte Zwei-Euro-Münze noch mit einem kleinen optischen Fernrohr von 60 Millimeter Öffnung erkennen. Würde die Münze Radiostrahlung aussenden, dann bräuchte man eine Antenne von fast sieben Kilometer Durchmesser, um das Geldstück bei einer Wellenlänge von fünf Zentimetern sichtbar zu machen.

Diesem Umstand ist es geschuldet, dass Radioantennen stets recht groß sind. Oder dass bei den Messungen die Methode der Interferometrie wie beim Seeklippen-Interferometer zur Anwendung kommt. Auch das Event Horizon Telescope (EHT) arbeitet nach diesem Prinzip– acht Teleskope sind in mehr oder weniger großem Abstand voneinander zusammengeschaltet. Dadurch wirken die Antennen wie eine einzige, deren Durchmesser der größten Distanz der beteiligten Observatorien entspricht.

Beim EHT ergibt sich so ein virtueller Antennendurchmesser von Erdgröße. Es empfängt Radiostrahlung von 1,3 Millimeter Wellenlänge und besitzt ein Auflösungsvermögen von einer 20 Millionstel Bogensekunde. Damit könnte man – die Erdkrümmung außer Acht lassend – theoretisch von München aus eine Zeitung lesen, die jemand auf einer Bank im New Yorker Central Park in die Höhe hält.

Mit dem Event Horizon Telescope gelang das am 10. April 2019 der Öffentlichkeit präsentierte und mittlerweile ikonische erste Bild vom Schatten eines schwarzen Lochs. Die Daten vom Zentrum der elliptischen Riesengalaxie M 87 wurden im Jahr 2017 aufgezeichnet. Auf dem Beobachtungsprogramm stand damals auch Centaurus A. Das jetzt veröffentlichte Bild zeigt das Herz der Galaxie, in dem ein schwarzes Loch mit 55 Millionen Sonnenmassen lauert. Aus ihm entspringt – wie bei den meisten aktiven Galaxien – ein Materiejet, der sich symmetrisch mehrere hunderttausend Lichtjahre in All erstreckt.

Damit hat die Erforschung dieser Galaxie einen vorläufigen Höhepunkt erreicht. Wegen ihrer südlichen Position rückte Centaurus A relativ spät in den Fokus großer optischer Teleskope, weil diese erst vor vier Jahrzehnten auf der Südhalbkugel der Erde gebaut wurden. Hingegen horchten schon in den 1960er-Jahren vor allem in Australien leistungsfähige Radioantennen in den Himmel. Seitdem wird Centaurus A auch in diesem langwelligen Spektralbereich beobachtet. Auch wenn die Forschenden über Centaurus A vieles herausgefunden haben – etwa, dass sie vermutlich vor einigen hundert Millionen Jahren mit einer kleinen Spiralgalaxie kollidierte und diese vollständig in sich aufnahm – warten noch viele Geheimnisse darauf, gelüftet zu werden.

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