Das „Auge von Sauron“ im Zentrum einer aktiven Galaxie
Blick in den Schlund einer aktiven Galaxie zeigt ringförmiges Magnetfeld, das extreme Gammastrahlung und Neutrinos erklären kann
Auf den Punkt gebracht
- Blick in das Herz einer aktiven Galaxie: Astronominnen und Astronomen haben ein Bild des Ursprungs eines kosmischen Jets aufgenommen. Das Bild und dessen künstliche Einfärbung erinnern an das Auge von Sauron.
- Frage nach dem Ursprung der Neutrinos: PKS 1424240 ist das hellste Neutrinoemittierende Objekt seiner Art. Der gebündelte Massestrom ist aber zu langsam, um die Emission von Neutrinos zu erklären.
- Spiralförmige Magnetfelder beschleunigen Teilchen: 15 Jahre präzise Beobachtungen mit dem Very Long Baseline Array (VLBA) ermöglichten eine detaillierte Analyse des Jet-Ursprungs. Das Radiobild könnte dieses Problem lösen, denn es zeigt ringförmig aufgewickelte Magnetfelder, eine Umgebung, die wie eine Springfeder agieren und Teilchen auf hohe Energien beschleunigen kann. Das wiederum erklärt Neutrinos und hochenergetische Gammastrahlung.
Der Milliarden von Lichtjahren entfernte Blazar PKS 1424+240 hat Astronomen lange Zeit vor ein Rätsel gestellt, ein besonders aktives und helles Galaxienzentrum. Er sticht als hellstes Neutrino-emittierendes Objekt seiner Art am Himmel hervor – identifiziert durch Beobachtungen mit dem IceCube Neutrino-Observatorium – und strahlt außerdem in sehr hochenergetischer Gammastrahlung, die von bodengestützten Cherenkov-Teleskopen beobachtet wird. Seltsamerweise scheint sich sein Radiojet jedoch nur langsam zu bewegen, was den Erwartungen widerspricht, dass nur die schnellsten Jets solch intensive hochenergetische Emissionen erzeugen können.
Ein ultrapräziser Blick in den Schlund der aktiven Galaxie
Dank 15 Jahren ultrapräziser Radiobeobachtungen mit dem Very Long Baseline Array (VLBA) konnten Forscher nun ein detailliertes Bild dieses Jets mit der bislang besten Auflösung erstellen. „Als wir das Bild rekonstruierten, sah es wirklich atemberaubend aus“, sagt Yuri Kovalev, Hauptautor der Studie und Projektleiter am Max-Planck-Institut für Radioastronomie. „Wir haben noch nie etwas Vergleichbares gesehen – ein nahezu perfektes ringförmiges Magnetfeld mit einem Jet, der direkt in unsere Richtung zeigt.“
Der Jet zeigt fast genau in Richtung Erde, was es den Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern ermöglicht, direkt in das Herz des Jets und des Galaxienkerns zu blicken – eine äußerst seltene Gelegenheit. Mit Hilfe polarisierter Radiosignale konnte das Team die Struktur des Magnetfelds des Jets kartieren und dessen wahrscheinliche spiralförmige oder toroidale (ringförmige) Form aufdecken. Diese Struktur spielt eine Schlüsselrolle beim Ausstoß und der Bündelung des Plasmastroms und könnte für die Beschleunigung von Teilchen auf extreme Energien entscheidend sein. Die hochenergetische Strahlung wird zudem durch die Effekte der speziellen Relativitätstheorie dramatisch verstärkt. „Die direkte Ausrichtung bewirkt eine Steigerung der Helligkeit um den Faktor 30 oder mehr“, erklärt Mitautor Jack Livingston, ebenfalls vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie.
Spiralförmiges Magnetfeld beschleunigt Teilchen
„Die Lösung dieses Rätsels bestätigt, dass aktive Galaxienkerne mit supermassereichen Schwarzen Löchern nicht nur leistungsstarke Beschleuniger von Elektronen sind, sondern auch von Protonen – dem Ursprung der beobachteten hochenergetischen Neutrinos“, sagt Kovalev.
Die Entdeckung ist ein Erfolg für das Mojave-Programm, ein jahrzehntelanges Projekt zur Beobachtung relativistischer Jets in aktiven Galaxien mit Hilfe des Very Long Baseline Array, ein Netzwerk aus Radioteleskopen, die in den USA verteilt stehen. Forschende nutzten die Technik der Very Long Baseline Interferometry (VLBI), die weit voneinander entfernte Radioteleskope zu einem virtuellen Teleskop von der Größe der USA verbindet. Dies ermöglicht die höchste Bildauflösung in der Astronomie und damit die Untersuchung feinster Details im entfernten kosmischen Jets.
„Als wir mit Mojave begonnen haben, schien die Idee, eines Tages weit entfernte Jets von schwarzen Löchern direkt mit kosmischen Neutrinos in Verbindung zu bringen, wie Science Fiction. Heute haben unsere Beobachtungen dies Wirklichkeit werden lassen“, sagt Anton Zensus, Direktor am Max-Planck-Institut für Radioastronomie und Mitbegründer des Mojave-Programms.
Hintergrundinformationen
Ein Blazar ist eine Art aktiver Galaxienkern, der von einem supermassereichen Schwarzen Loch angetrieben wird und einen Plasmastrahl mit beinahe Lichtgeschwindigkeit ausstößt. Das Besondere an einem Blazar ist seine Ausrichtung: Einer seiner Strahlen ist in einem Winkel von nur etwa 10 Grad zur Erde ausgerichtet. Durch diese Ausrichtung erscheinen Blazare im gesamten elektromagnetischen Spektrum hell und ermöglichen es Wissenschaftlern, extreme physikalische Prozesse zu untersuchen – darunter die Beschleunigung von Teilchen auf Energien, die weit über denen liegen, die in Teilchenbeschleunigern auf der Erde erreicht werden können.
Das VLBA („Very Long Baseline Array“) ist ein Netzwerk von zehn Antennen an Standorten im kontinentalen Bereich der Vereinigten Staaten sowie auf Hawaii und St. Croix, das im VLBI-Modus („Very Long Baseline Interferometry“) betrieben wird. Die Abstände zwischen den Antennen variieren bis zu maximal zehntausend Kilometern und ermöglichen eine Winkelauflösung am Himmel bis herunter zu 50 Mikrobogensekunden.
MOJAVE („Monitoring Of Jets in Active galactic nuclei with VLBA Experiments“) ist ein Langzeitprogramm zur Überwachung der Radiohelligkeit und Polarisationsschwankungen in Jets, die mit aktiven Galaxien am Nordhimmel in Verbindung stehen. Die Beobachtungen werden mit dem „Very Long Baseline Array“ durchgeführt, das es ermöglicht, vollständige Polarisationsbilder mit einer Winkelauflösung von unter einer Millibogensekunde (dem scheinbaren Abstand zwischen zwei Autoscheinwerfern, wie ihn ein Astronaut vom Mond aus auf der Erde sehen würde) zu erstellen. Diese Daten werden genutzt, um die komplexe Entwicklung und die Magnetfeldstrukturen von Jets auf der Skala von Lichtjahren besser zu verstehen, nahe ihrem Ursprungsort im aktiven Kern von Galaxien, und um zu erforschen, wie diese Aktivität mit hochenergetischer elektromagnetischer Strahlung und der Aussendung von Neutrinos zusammenhängt.
MuSES, kurz für „Multi-messenger Studies of Energetic Sources“, ist eine wegweisende Initiative in der Astrophysik. Sie widmet sich der Erforschung aktiver Galaxienkerne, die zu den leistungsstärksten Teilchenbeschleunigern im Kosmos zählen. Diese Himmelsobjekte nutzen die Gravitationsenergie von Materie, die von supermassereichen Schwarzen Löchern angesammelt wird, und wandeln sie in elektromagnetische und kinetische Energie um. Dadurch entstehen hochrelativistische Elektronen und Protonen. Die Beschleunigung von Protonen und ihr Zusammenhang mit der Neutrino-Produktion sind noch nicht vollständig verstanden, was für Forschende eine große Herausforderung darstellt. Mit MuSES wird versucht, diese grundlegenden Fragen mithilfe der jüngsten Fortschritte in der Multi-Messenger-Astronomie anzugehen.
Das MuSES-Projekt wurde von der Europäischen Union in der ERC-Fördervereinbarung Nr. 101142396 finanziert. Die geäußerten Ansichten und Meinungen sind jedoch ausschließlich die der Autoren und spiegeln nicht unbedingt die der Europäischen Union oder der „European Research Council Executive Agency“ (ERCEA) wider. Weder die Europäische Union noch die Förderbehörde können dafür verantwortlich gemacht werden.
