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ALMA-Upgrade zur Abbildung der Ereignishorizonte von supermassereichen Schwarzen Löchern

4. Juni 2014

Wissenschaftler haben eine deutliche Verbesserung am Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) erzielt, indem sie eine ultra-präzise Atomuhr an der ALMA Array Operations Site installiert haben, wo sich der Korrelator-Supercomputer befindet. Die aktuelle Rubidium-basierte Zeitreferenz wurde durch einen genaueren Wasserstoff-Maser ersetzt.

Das Upgrade wird allen ALMA-Nutzern zugutekommen und schließlich dazu dienen, ALMA mit einem weltweiten Netzwerk von Radioastronomie-Einrichtungen zu synchronisieren. Auf diese Weise kann ein Teleskop mit der Größe der Erde gebildet werden, das das notwendige Auflösungsvermögen besitzt, um Details an den Kanten des supermassereichen Schwarzen Lochs im Zentrum der Milchstraße erkennen zu können [2]. Dies entspricht einer Auflösung, die tausendmal größer ist als die, die mit dem NASA/ESA Hubble Space Telescope verfügbar ist.

Bevor ALMA jedoch mit der unübertroffenen Leistungsfähigkeit für diese und ähnliche wissenschaftliche Beobachtungen genutzt werden kann, muss ALMA zunächst als eine andere Art von Instrument arbeiten, als sogenanntes Phased Array. Die neue Version von ALMA wird es ermöglichen, dass 50 der 66 Antennen als eine einzelne Radioschüssel zusammenarbeiten, was einer Lichtsammelleistung von einer Schüssel mit einem Durchmesser von 85 Metern entspricht. Das ALMA-Phasing-Projekt ist ein ALMA-Upgrade, das von Shep Doeleman mit maßgeblicher Beteiligung von Instituten in Europa und Ostasien am MIT Haystack-Observatorium in den USA geleitet wird.

Ein wichtiger Meilenstein auf diesem Weg wurde vor kurzem erreicht, als das Wissenschaftlerteam etwas, was auch als „Herztransplantation“ am Teleskop betrachtet werden kann, durchgeführt hat. Hierbei haben sie eine speziell angefertigte Atomuhr installiert, die von einem Wasserstoff-Maser [3] angetrieben wird. Dieser neue Chronometer verwendet einen Prozess, der dem in einem Laser ähnelt, um einen einzelnen reinen Ton zu verstärken, dessen Zyklen gezahlt werden. Auf diese Weise wird ein sehr akkurates „Ticken“ erzeugt.

Es gibt viele zukünftige Anwendungen für das Phased Array von ALMA, darunter die Verwendung als ein Element in einem globalen Teleskopnetzwerk wie dem Global mm-VLBI Array und dem Event Horizon Telescope (EHT). Das EHT wird in der Lage sein, die Umgebung in der Nähe von Ereignishorizonten [1] um das supermassereiche Schwarze Loch im Zentrum der Milchstraße abzubilden [2].

Diese globalen Anlagen erlangen ihr extrem hohes Auflösungsvermögen dadurch, dass auf dem Globus weit voneinander entfernte Radioschüsseln miteinander verknüpft werden und so ein virtuelles Teleskop mit der Größe der Erde entsteht. Diese Technik, die Interferometrie genannt wird, unterliegt dem gleichen Prozess, den auch ALMA selbst im normalen Betrieb dazu verwendet, um die Signale von vielen Antennen zu kombinieren. Der Prozess wird auch von optischen/infraroten Teleskopen wie dem Very Large Telescope array (VLT) der ESO zum Erreichen der sehr hohen Auflösung genutzt, wobei ebenfalls mehrerer Teleskope zu einem extrem großen Teleskop, dem Very Large Telescope Interferometer der ESO, kombiniert werden.

Der Unterschied zwischen bestehenden Interferometern und dem zukünftigen, weltweiten Interferometer ist der reine geographische Umfang des neuen Projektes, die Ausweitung auf die kürzesten beobachteten Wellenlängen und das Hinzufügen der beispiellosen sammelnden Fläche, die durch das Phased-ALMA ermöglicht wird.

“Durch die Vereinigung der fortschrittlichsten Radioschüsseln im Bereich von Millimeter und Submillimeterwellenlängen auf dem ganzen Erdball wird das Event Horizon Telescope im Grunde ein neues Instrument mit der höchsten Abbildungsleistung, die bisher erreicht wurde“, erklärt Doeleman. „Mit ALMA zusammen wird das EHT ein neues Fenster für die Erforschung von Schwarzen Löchern öffnen und eines der wenigen Orte im Universum, an denen Einsteins Theorien versagen, in den Fokus rücken: den Ereignishorizont.“

Das Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn stellt eine wichtige Software für das ALMA-Phasing-Projekt zur Verfügung. Direktor Anton Zensus erläutert: „ Das ALMA-Phasing-Projekt ist ein wesentlicher Schritt in Richtung eines globalen Millimeter-Arrays für die internationale Nutzergemeinschaft, die in Jahren der Anstrengungen in den USA und Europa erstellt wurde. Solch ein Array hat ein enormes Potential in vielen wissenschaftlichen Gebieten, darunter die Bildung von Jets in aktiven Galaxien und die Abbildung von Ereignishorizonten Schwarzer Löcher.“

Endnoten

[1] Der Ereignishorizont ist die Außenfläche um ein Schwarzes Loch, ab der Informationen über Vorgänge, die innerhalb stattfinden, einen außenstehenden Beobachter nicht mehr erreichen können. Man kann sich dies auch als einen „Punkt, ab dem es kein Zurück mehr gibt“ für einen hineinfallenden Astronauten vorstellen.

[2] Das Schwarze Loch im Zentrum der Milchstraße ist ein vier Millionen Sonnenmassen schwerer Gigant, der etwa 26.000 Lichtjahre von der Erde entfernt ist und in Richtung des Sternbilds Sagittarius liegt. Es ist für optische Teleskope von dichten Wolken aus Staub und Gas verschleiert, weshalb Observatorien wie ALMA, die im Bereich längerer Millimeter- und Submillimeterwellenlängen arbeiten, benötigt werden, um seine Eigenschaften studieren zu können. Phased-ALMA wird gerade rechtzeitig verfügbar sein, um ein sehr ungewöhnliches kosmisches Event zu beobachten: die Kollision einer gigantischen Wolke aus Staub und Gas, die auch als G2 bekannt ist, mit dem supermassiven schwarzen Loch im Zentrum der Galaxie. Es wird spekuliert, dass diese Kollision einen schlafenden Riesen erwecken könnte, wobei extreme Energien erzeugt werden, was möglicherweise einen Jet von subatomaren Partikeln anfachen könnte. Hierbei handelt es sich um ein sehr ungewöhnliches Merkmal für ältere Spiralgalaxien wie die Milchstraße. Die Kollision soll 2014 beginnen und wahrscheinlich über ein Jahr andauern.

[3] Maser ist von dem Akronym MASER abgeleitet, was für “Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation” steht. Auf die gleiche Weise wie die optische Verstärkung in einem Laser genutzt wird, arbeitet ein Maser im Mikrowellenbereich des Spektrums.

Weitere Informationen

Das Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) ist eine internationale astronomische Einrichtung, die gemeinsam von Europa, Nordamerika und Ostasien in Zusammenarbeit mit der Republik Chile getragen wird. Von europäischer Seite aus wird ALMA über die Europäische Südsternwarte (ESO) finanziert, in Nordamerika von der National Science Foundation (NSF) der USA in Zusammenarbeit mit dem kanadischen National Research Council (NRC) und dem taiwanesischen National Science Council (NSC), und in Ostasien von den japanischen National Institutes of Natural Sciences (NINS) in Kooperation mit der Academia Sinica (AS) in Taiwan. Bei Entwicklung, Aufbau und Betrieb ist die ESO federführend für den europäischen Beitrag, das National Radio Astronomy Observatory (NRAO), das seinerseits von Associated Universities, Inc. (AUI) betrieben wird, für den nordamerikanischen Beitrag und das National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ) für den ostasiatischen Beitrag. Dem Joint ALMA Observatory (JAO) obliegt die übergreifende Projektleitung für den Aufbau, die Inbetriebnahme und den Beobachtungsbetrieb von ALMA.

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Charlottesville, USA
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Mobil: +1 202 236 6324
E-Mail: cblue@nrao.edu

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ALMA und das Zentrum der Milchstraße
ALMA und das Zentrum der Milchstraße
Herztransplantation am ALMA-Korrelator
Herztransplantation am ALMA-Korrelator
ALMA-Korrelator Upgrade
ALMA-Korrelator Upgrade