Forschungsbericht 2011 - Max-Planck-Institut für Radioastronomie

Aktive Galaxienkerne als hochenergetische Teilchenbeschleuniger: Erforschung der physikalischen Prozesse in der Nähe von Schwarzen Löchern

Autoren
Fuhrmann, Lars; Zensus, Johann Anton; Angelakis, Emmanouil; Krichbaum, Thomas
Abteilungen
Very-Long-Baseline Interferometry
Max-Planck-Institut für Radioastronomie, Bonn
Zusammenfassung
Aktive Galaxien und deren innerste Kernbereiche beherbergen extreme physikalische Phänomene. Mithilfe von supermassiven Schwarzen Löchern erzeugen sie enorme Energiemengen und oft auch hoch-energetische Gammastrahlen im MeV/GeV-Energiebereich. Viele der physikalischen Prozesse sind bisher im Detail nicht verstanden, etwa die Erzeugung der hochrelativistischen Plasmajets oder die Herkunft der Gammastrahlung sowie deren Variabilität über das ganze elektromagnetische Spektrum. Neue Beobachtungsinstrumente und -programme erlauben nun tiefere Einsichten in die extreme Physik dieser Objekte.

Physikalische Prozesse in den Kernen Aktiver Galaxien

Zu den leuchtkräftigsten Objekten im Universum zählen Galaxien, deren Zentralregionen besonders extreme Aktivität und Leuchtkräfte aufweisen. Ihre breitbandige Strahlung übertrifft bei weitem die Leuchtkraft von normalen Galaxien (bis zu einem Faktor ≈ 104) und wird über das ganze elektromagnetische Spektrum detektiert – vom nieder-energetischen Radiobereich bis hin zur hochenergetischen Gammastrahlung (GeV/TeV). Unter dem Begriff der aktiven galaktischen Kerne (Active Galactic Nuclei – kurz AGN) werden solche astrophysikalischen Erscheinungen wie Quasare, Radiogalaxien, Seyfert-Galaxien und BL Lacertae-Objekte zusammengefasst. Die gigantischen freigesetzten Energiemengen in diesen Objekten werden durch die "zentrale Maschine" und der Konvertierung von Gravitationsenergie bereitgestellt. Diese Energiefreisetzung wird durch zwei Prozesse dominiert: Ein vermutlich super-massives Schwarzes Loch (≈ 106-109 Sonnenmassen) im Zentrum sammelt Materie aus einer gravitativ enstandenen Gasscheibe auf, die schnell um das Zentrum rotiert (Akkretionsscheibe). Durch Reibung heizt sich diese Scheibe auf, wobei Teile der Materie an Drehimpuls verlieren und spiralförmig in Richtung Schwarzes Loch fallen. Schliesslich wird ein Teil der Materie mithilfe von Magnetfeldern wieder senkrecht zur Scheibe in zwei einander entgegengerichtete Plasmajets ausgestoßen. Dabei wird die Materie in den Plasmajets meist auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt und bis zu einigen hunderttausend Lichtjahren weit nach außen transportiert.

Welchen AGN-Typ man nun betrachtet hängt – neben anderen Parametern – vom Sichtwinkel des Beobachters zur Achse des Jets ab. Bei den sogenannten Blazaren geht man von wenigen Grad von der Rotationsachse aus – man sieht also nahezu direkt in den Jet. In diesem Fall von kleinen Winkeln zur Sichtlinie spielen relativistische Effekte eine besondere Rolle und relativistische Dopplerverstärkung der AGN-Breitband-Emission führt zu einer dramatisch erhöhten Leuchtkraft. Regelmäßige Strahlungsausbrüche durch in den Jet neu injiziertes Material führt zu zeitlich stark variabler Emission nicht-thermischer Strahlung. Diese dominiert in Kombination mit der thermischen Strahlung des Akkretionsprozesses (optisch bis Röntgenbereich) die komplette spektrale Energieverteilung von radio-lauten AGN.

Die beobachtete spektrale Energieverteilung eines AGN kann mithilfe von zwei Komponenten erklärt werden: (i) Niederenergetischer Teil: Synchrotronstrahlung der relativistischen Elektronen im Jet (Radio, IR/optisch bis hin zum Röntgenbereich) und (ii) hochenergetischer Teil: Im Falle von sogenannten leptonischen Jet-Modellen streuen die relativistischen Elektronen durch Inverse-Compton (IC) Prozesse erster und zweiter Ordnung Photonen zu den höchsten Energien (Röntgenbereich, GeV/TeV). Der Ursprung dieser "Saat-Photonen" ist zurzeit unklar und es existieren unterschiedliche Modelle: (i) Die Jet-eigenen Synchrotronphotonen oder (ii) "externe Photonen" aus dem Akkretionsprozess oder aus Strukturen, die den Kernbereich weiter außen umgeben (Wolken/molekularer Torus). In sogenannten hadronischen Modellen wird der hochenergetische Teil der Strahlung nicht durch IC-Strahlung erklärt, sondern durch die Interaktion von relativistischen Protonen im Jet mit umgebender Materie und Strahlungsfeldern, Protonen-indizierte Kaskaden oder sogar durch Synchrotronstrahlung der Protonen.

original
Original 1302167805
Typische Langzeit-Lichtkurve (Helligkeit gegen Zeit) eines Gammastrahlen-Blazars, beobachtet mithilfe der Radioteleskope des F-GAMMA Programms (Effelsberg 100-m und IRAM 30-m). Die Quelle AO 0235+164 zeigt starke Variabilität mit zwei dramatischen Strahlungsausbrüchen auf Zeitskalen von Monaten. Während des zweiten Ausbruchs (2008/2009) wurde auch mit Fermi-GST im Gammabereich ein starker Ausbruch detektiert.
Typische Langzeit-Lichtkurve (Helligkeit gegen Zeit) eines Gammastrahlen-Blazars, beobachtet mithilfe der Radioteleskope des F-GAMMA Programms (Effelsberg 100-m und IRAM 30-m). Die Quelle AO 0235+164 zeigt starke Variabilität mit zwei dramatischen Strahlungsausbrüchen auf Zeitskalen von Monaten. Während des zweiten Ausbruchs (2008/2009) wurde auch mit Fermi-GST im Gammabereich ein starker Ausbruch detektiert.

Die Details zur Enstehung und Beschleunigung der Jets, der Ursprungsort der hochenergetischen Gammastrahlung, die Breitband-Strahlungsprozesse insgesamt (z. B. leptonisch oder hadronisch, interne/externe IC-Prozesse) als auch die starke Variabilität der Strahlung über das ganz Spektrum sind bisher jedoch im Detail nicht verstanden. Diese Prozesse finden auf kleinsten Skalen und den innersten Bereichen der zentralen Regionen statt (≤ Lichtjahre) und sind daher nur schwer direkt zugänglich. Diese innersten Bereiche und kleinsten Skalen sind zur Zeit nur im Radiobereich und mit Hilfe der sogenannten Interferometrie auf langen Basislinien (VLBI) bildgebend erreichbar. Das Auflösungsvermögen von IR/optischen, Röntgen- und Gammateleskopen reicht hierzu nicht. Andererseits bietet jedoch die beobachtete Variabilität der Strahlung der AGN (Abb. 1) aufgrund der kurzen Variabilitätszeitskalen (enorme Ausbrüche im Kern auf Zeitskalen von Tagen/Wochen/Monaten) die Möglichkeit, die mit den kurzen Zeitskalen verbundenen kleinsten Strukturen in der Kernregion zu erreichen. Die Ursache der Variabilität wird dabei oft mithilfe von relativistischen Schocks erklärt, die den Jet durchlaufen und ihren Ursprung in der Einspeisung von neuem Material ("frische Elektronen") am Fusspunkt des Jets haben.

Ein neues Gammastrahlen-Observatorium: Fermi-GST

Aufgrund der breitbandigen und zeitlich-variablen Natur der AGN-Strahlung wird deutlich, dass eine detailliertere Einsicht in die physikalischen Prozesse nur durch zeitnahe Beobachtungen über das ganze Spektrum erfolgen kann. Jedoch waren solche AGN-Breitband-Studien bisher stark limitiert durch (i) fehlende, wirklich simultane Beobachtungen mit guter Frequenzabdeckung und (ii) die fehlende Sensitivität und zeitliche Auflösung bei hohen Energien (MeV/GeV).

original
Original 1302859356
Der Himmel im Gammabereich beobachtet mit Fermi-GST nach den ersten 11 Monaten der Himmelsdurchmusterung: jeder farblich markierte Punkt entspricht einer detektierten Punktquelle (ca. 1400). Der dominante Anteil der Quellen stellen AGN dar (über 800 Quellen). Unter ihnen befinden 60 Quellen, die auch innerhalb des F-GAMMA Programms beobachtet werden.
Der Himmel im Gammabereich beobachtet mit Fermi-GST nach den ersten 11 Monaten der Himmelsdurchmusterung: jeder farblich markierte Punkt entspricht einer detektierten Punktquelle (ca. 1400). Der dominante Anteil der Quellen stellen AGN dar (über 800 Quellen). Unter ihnen befinden 60 Quellen, die auch innerhalb des F-GAMMA Programms beobachtet werden.

Das neue Fermi Gamma-Ray Space Telescope (Fermi-GST) Satellite (Start im Juni 2008) bietet erstmalig die Gelegenheit, die Physik der breitbandigen Jet-Emission in einer großen Anzahl von Quellen im Detail zu studieren. Das Large Area Telescope (LAT) an Bord von Fermi-GST besitzt ein großes Sichtfeld und überdeckt den Energiebereich von 20 MeV bis hin zu 300 GeV. Seine besonderen Eigenschaften und der Betrieb im all-sky survey Beobachtungsmodus erlaubt eine systematische und kontinuierliche Studie des ganzen Hochenergie-Himmels mit unvergleichlicher Genauigkeit und Zeitauflösung: Fermi-GST übertrifft vorherige Generationen von Gammastrahlen-Teleskopen in Bezug auf Sammelfläche, Energiebereich, Winkelauflösung und Sichtfeld. Es beobachtet ca. 20% des Himmels zu jeder Zeit, und "sieht" somit den ganzen Himmel alle drei Stunden. Sein Design und seine Detektortechnologie ermöglicht eine Verbesserung in der Sensitivität um einen Faktor 10 oder mehr im Vergleich zu seinen Vorgängern. Damit wird es zum ersten Mal möglich, den hochenergetischen Teil der AGN-Strahlungsprozesse für eine große Anzahl von AGN (Detektion von ≈ 700 AGN im ersten Jahr, Abb. 2, [1]) im Detail zu untersuchen. Darüber hinaus ermöglichen die detailierten Fermi-Daten nun auch die Studie der Breitband-Strahlungs- und Variabilitätsprozesse über das ganze Spektrum, wenn diese mit Daten weiterer Erd- und Satelliten-gestützter Teleskope anderer Wellenlängenbereiche (Radio-, IR/optisch, Röntgenbereich) kombiniert werden.

Das F-GAMMA Programm des MPIfR

Um diese neuen Breitbandstudien zum niederenergetischen Synchrotronteil der spektralen Energieverteilung von Blazaren zu erweitern, wurde eine neue, internationale Fermi-dedizierte Beobachtungs-Kollaboration zwischen verschieden Forschungsgruppen initiiert. Dazu gehören das Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR), IRAM (Spanien), Caltech (USA), aber auch die Fermi-GST AGN-Gruppe. Das in diesem Zusammenhang gestartete F-GAMMA Programm (Fermi-GST AGN Multi-frequency Monitoring Alliance) ist ein Programm zur monatlichen Beobachtung (Monitoring) der Variabilität und spektralen Evolution von ca. 60 Fermi-GST detektierten Hochenergie-Blazaren [2,3]. Es begann Anfang 2007 und liefert seitdem (und über die nächsten Jahre) quasi-simultane, breitbandige Monitoring-Beobachtungen der totalen Helligkeit als auch Polarisation dieser Quellen. Es vereint die regelmäßige und zeitgleiche Benutzung des Effelsberg 100-m und anderen Teleskopen für Variabilitäts- und Breitband-Studien mit dem speziellen Ziel Gammastrahlen-Beobachtungen von AGN und speziell dem Fermi/LAT-Detector zu komplementieren. Diese Allianz beinhaltet das Pico Veleta 30-m (IRAM) und seit 2008 auch das APEX Teleskop für Messungen bei Submillimeter-Wellenlängen. Das F-GAMMA-Programm liefert daher erstmalig eine kontinuierliche und quasi-simultane Abdeckung des ganzen cm/mm/sub-mm Wellenlängenbereiches (insgesamt bei 11 Frequenzen) für eine große Stichprobe von hochenergetischen Quellen. Zudem kommen weitere enge Kollaborationen und Teleskope, wie das OVRO 40-m Teleskop (Caltech), der Planck-Satellite und eine Reihe optischer Teleskope.

Ursprung der Variabilität in Hochenergie-AGN

Die Lichtkurven und quasi-simultanen Breitband-Radiospektren des F-GAMMA Programms ermöglichen erstmalig im Detail und für eine große Anzahl von Quellen das zeitliche und spektrale Variabilitätsverhalten im Radiobereich zu studieren und mit den vorhandenen theoretischen Modellen zu vergleichen. Aus den Datensätzen der ersten 3 Jahre ergibt sich, dass die große Vielfalt der beobachteten Variabilitätsmuster sich auf nur zwei wesentliche Muster vereinen lassen: (i) Variabilität dominiert durch starke und kontinuierliche spektrale Veränderungen (Typ 1) und (ii) nahezu achromatische Variabilität, wobei das Spektrum sich nur selbstähnlich auf und ab bewegt (Typ 2).

Diese phänomenologischen Ergebnisse implizieren, dass nur zwei wesentliche Mechanismen existieren, die die AGN-Variabilität verursachen (zumindest in der untersuchten Stichprobe). Im ersten Fall lässt sich durch Simulationen zeigen, dass die beobachtete spektrale Evolution sehr gut durch das zuvor erwähnte relativistische Schockmodell beschrieben werden kann. Dieses wird es zukünftig ermöglichen, die Modellparameter mit Hilfe der Beobachtungen stark einzuschränken und die Veränderungen der physikalischen Konditionen in den Quellen (z. B. Magnetfelder, Dopplerfaktoren, Teilchendichten) auf kleinsten Skalen zu studieren. Im zweiten Fall erscheinen geometrische Veränderungen des Jets entlang der Sichtlinie (und damit Änderungen der Dopplerverstärkung) Ursache der Helligkeitveränderungen zu sein. Hier muss sich zukünftig zeigen, ob eventuell präzidierende Jets (z. B. aufgrund eines Doppelsystems von Schwarzen Löchern) oder helikale Bewegungen der Schocks in den Jets (aufgrund einer helikalen Anordnung der Magnetfelder entlang des Jets) die spektrale Evolution beschreiben können. Interessanterweise hat bisher keine der Quellen innerhalb der ersten drei Jahre ihr Variabilitätsmuster verändert (z. B. von Typ 1 zu Typ 2), was den Variabilitättyp zu einem speziellen "Fingerabdruck" einer jeden Quelle macht.

F-GAMMA und Fermi-GST: simultane Radio- und Gammastrahlen-Beobachtungen von AGN

Auf Basis der Multifrequenz-Daten des F-GAMMA Programms ist es möglich, die Radio-Eigenschaften der beobachteten AGN-Stichprobe mit den quasi-simultan gemessenen Hochenergie-Eigenschaften zu vergleichen. Unter Benutzung der Fermi-GST Daten findet man eine Korrelation zwischen den simultanen Radio- und Gammastrahlen-Helligkeiten von 29 Fermi-Quellen. Eine Monte Carlo Simulation, welche die statistischen Verzerrungen (kleine Stichprobe, eingeschränkte Entfernungs- und Helligkeitsbereiche) einer solchen Studie adäquat berücksichtigt, demonstriert erstmalig die statistische Signifikanz einer solchen Korrelation. Zudem scheint diese zu kürzeren Radiowellenlängen hin immer prominenter zu werden. Die Existenz einer solchen radio/γ-ray Korrelation wurde in der Vergangenheit kontrovers diskutiert. Im Falle leptonischer Modelle würde man eine Korrelation zwischen Synchrotronemission der relativistischen Elektronen (Radio, IR/optisch) mit der IC-Emission bei hohen Energien (MeV/GeV) auf natürliche Weise erwarten. Dieses bestätigen nun die ersten Studien innerhalb des F-GAMMA Programms. Die verstärkte Korrelation hin zu kürzeren Radiowellenlängen (mm-Bereich) deuten weiter darauf hin, dass die hochenergetische Gammastrahlung aus den innersten Kernbereichen kommt.

Letzteres ist eine noch nicht beantwortete Frage: wo im Jet wird die Gammastrahlung produziert? Theoretische Modelle der Gammastrahlen-Produktion in relativistischen Jets sehen hier hauptsächlich zwei Möglichkeiten: (i) Ganz nah am Schwarzen Loch – am Fußpunkt des Jets, oder (ii) in den Radioschocks weiter außen entlang des Jets. Ein direkter Vergleich der AGN-Aktivität in den Gamma- und Radio-Lichtkurven dieser Quellen hilft hier: die relative zeitliche Koordinierung eines quasi-simultanen Ausbruchs in beiden Frequenzbändern erlaubt Rückschlüsse auf die Lokalisierung des Ereignisses innerhalb des Jets. Obwohl Beobachtungen über einen sehr langen Zeitraum für eine solche Studie nötig sind, zeigen die ersten 11 Monate Fermi-GST Daten, dass sich viele Quellen zu Zeiten erhöhter Gamma-Aktivität auch in erhöhten Radiozuständen (besonders bei höheren Radiofrequenzen) befinden. Speziell scheinen Gamma-Ausbrüche oft dann aufzutreten, wenn die Quellen sich schon in einem ansteigendem Radiostadium befinden. Dieses würde für einen Ursprung der Gammastrahlen in den Radioschocks sprechen, die sich typischerweise weiter entfernt vom Schwarzen Loch und entlang des Jets befinden. Daraus ergeben sich wiederum Rückschlüsse auf den Ursprung der "Saat-Photonen" des IC-Prozesses, die für die Hochenergie-Produktion benötigt werden. Genauere Studien über die nächsten Jahr sind jedoch notwendig, um dieses mit verbesserter Statistik und entsprechenden Simulationen zu belegen.

Eine neue Gruppe von Gammastrahlen-AGN

Die meisten bisher enteckten Hochenergie-AGN waren in der Vergangenheit entweder Blazare oder Radiogalaxien. In der Tat zeigte Fermi-GST in den ersten Monaten bereits, dass der extragalaktische Himmel im Gammabereich von diesen Objekten dominiert wird (Abb. 2). 2008/2009 schließlich entdeckte Fermi-GST einen neuen Typ von AGN, der hell im Gammabereich strahlt: die Quelle PMN J0948+002, eine sogenannte Narrow-line Seyfert I' (NLSy1) Galaxie (typischerweise radio-leise ohne prominenten relativistischen Jet). Breitband-Beobachtungskampagnen inklusive des F-GAMMA Programms zwischen 2008 und 2010 konnten schließlich zeigen, dass dieser neue Typ von Gammastrahlen-AGN auch einen relativistischen Jet besitzt [4]: die spektrale Breitband-Energieverteilung der Quelle besitzt die typische Doppelstruktur wie die in leuchtkräftigen Blazaren. Die Modellierung der Daten mit einem leptonischen Emissionsmodell ergeben dabei auch die einem Blazar-typischen physikalischen Parameter (z. B. Leuchtkraft, Magnetfelder, Dopplerverstärkung). Die spektralen Eigenschaften im Radiobereich erhalten aus den F-GAMMA- sowie VLBI-Daten zeigen weiterhin die typischen Eigenschaften eines relativistischen Radiojets (flaches/invertiertes Radiospektrum, Radioausbrüche, Polarisation, kompakter Kernbereich etc.).

Die Detektion eines leistungsstarken, Blazar-ähnlichen Radiojets in diesem AGN-Typ stellt jedoch eine neue, große Herausforderung dar: Im Standardbild werden relativistische Jets typischerweise in elliptischen Galaxien produziert, die Muttergalaxien von NLSy1-AGN jedoch sind meist Spiralen. Seit dem Start von Fermi-GST und der Entdeckung von PMN J0948+002 wurden weitere solcher hochenergetischen NLSy1-Quellen gefunden [5]. Diese werden für zukünftige, detailiertere Studien nun auch kontinuierlich innerhalb des F-GAMMA Programms beobachtet.

Ausblick

Die zuvor beschriebenen Beispiele und ersten wissenschaftlichen Ergebnisse des Fermi-GST Satelliten, als auch des F-GAMMA Programms des MPIfR geben einen Einblick in die sich ergebenden Möglichkeiten, tiefere Einblicke in die physikalischen Prozesse dieser hochenergetischen Objekte zu erlangen. Wie so oft liefern verbesserte Instrumente und Beobachtungsprogramme neue Ergebnisse und Entdeckungen, die wiederum hochinteressante und spannende neue Fragen aufwerfen. Diese gilt es zukünftig zu beantworten. Dabei werden die Daten von Fermi-GST und des F-GAMMA Programms über die nächsten Jahre von großer Bedeutung sein.

1.
A. Abdo et al.:
The First Catalog of Active Galactic Nuclei Detected by the Fermi Large Area Telescope.
The Astrohpysical Journal 715, 429-457 (2010).
2.
L. Fuhrmann et al.:
Simultaneous Radio to (Sub-) mm-monitoring of variability and spectral evolution of potential GLAST blazars.
The first GLAST Symposium, 921, 249 (2007)
3.
E. Angelakis et al.:
The F-GAMMA program: multi-wavelength AGN studies in the Fermi-GST era.
Proceedings of the workshop ‘Fermi meets Jansky’; Savolainen et al. (Eds), 2010, http://arxiv.org/abs/1006.5610
4.
The first gamma-ray outburst of a Narrow-Line Seyfert I Galaxy: the case of PMN J0948+0022 in July 2010. http://arxiv.org/abs/1010.4434 (2010).
The first gamma-ray outburst of a Narrow-Line Seyfert I Galaxy: the case of PMN J0948+0022 in July 2010.
http://arxiv.org/abs/1010.4434 (2010).
5.
L. Fuhrmann et al.:
Recent multi-wavelength campaigns in the Fermi-GST era.
Proceedings of the workshop ‘Fermi meets Jansky’; Savolainen et al. (Eds), http://arxiv.org/abs/1007.0348 (2010).
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