Gammastrahlen-Jet scannt extragalaktisches Hintergrundlicht im Universum

Hochkonzentrierter Lichtstrahl des Galaxienzentrums von OP 313 erlaubt Rückschlüsse auf die Energiedichte des Lichts aller Sterne und Galaxien

Auf den Punkt gebracht

• OP 313: Dieses weit entfernte Zentrum einer aktiven Galaxie, auch Blazar genannt, sendet Gammastrahlung, also Licht im allerhöchsten Energiebereich aus
• Mechanismus der Teilchenbeschleunigung: Relativistische Elektronen sind der Turbo für andere Teilchen
• Dichte der extragalaktischen Hintergrundstrahlung: Die hochenergetische Gammastrahlung des Aktiven Galaxienkerns reagiert mit dem Hintergrundlicht, das auf Sterne und Galaxien zurückgeht und wird dabei immer schwächer. Aus der Lichtintensität, die die Gammastrahlenteleskope LST-1 und Magic gemessen haben, rekonstruieren Forschende Grenzwerte für die Energiedichte der Hintergrundstrahlung

Vor etwa 11 Milliarden Jahren befand sich unser Universum in einer hochaktiven Phase: Nach einer langen Periode, die als „Dunkles Zeitalter“ bekannt ist, bildeten sich in kürzester Zeit eine Vielzahl von Galaxien und Sternen. Das interstellare Medium war reich an kaltem Gas, dem Baumaterial für die schnelle Entstehung von Sternen – und supermassereichen schwarzen Löchern. 

Was sind Blazare?

Der Begriff Blazar beschreibt Objekte, die sich in den Zentren bestimmter Galaxien befinden. Dahinter steckt ein Aktiver Galaxienkern (AGN), also ein supermassereiches schwarzes Loch, um das Materie in Form einer Scheibe kreist. Fällt Materie aus dem inneren Teil der Scheibe auf das schwarze Loch, wird Gravitationsenergie in Strahlung umgewandelt, die umso stärker ist, je mehr Masse die Schwerkraftfalle vereint. Das macht aktive Galaxienkerne zu den leuchtkräftigsten Objekten des Universums, die ihr Licht vom Radio- bis in den Gamma-Bereich abstrahlen. Historisch bezeichnete man sie als „quasi stellare Radioquellen“, auch Quasare genannt. Blazare sind Quasare, deren Licht- und Teilchenstrahl, der aus dem Zentrum entspringt, auch Jet genannt, auf die Erde gerichtet ist, was diese Objekte noch extremer erscheinen lässt.

Solche Jets entstehen unter bestimmten Bedingungen infolge des EInfalls von Materie auf ein supermassereiches schwarzes Loch. OP 313 weist noch eine weitere Besonderheit auf: Als „Flat Spectrum Radio Quasar“ zählt er zu hellsten und leistungsstärksten Strahlern im Universum. Damit ist OP 313 ist die Quelle extrem energiereicher Gammastrahlung, die vor 8 Milliarden Jahren ausgesandt und nun von den LST-1- und Magic-Teleskopen aufgezeichnet wurde.

Hochenergetische Gammastrahlen sind nichts anderes als Lichtteilchen (Photonen), die eine Energie von über 100 Gigaelektronenvolt haben. Ein Elektronenvolt ist die Energie, die ein Teilchen mit der Elementarladung eines Elektrons trägt, das unter einer anliegenden Spannung von einem Volt von A nach B beschleunigt wurde. Wenn ein hochenergetisches Gamma-Teilchen auf seinem weiten Weg durch das Universum mit dem diffusen extragalaktischen Hintergrundlicht wechselwirkt, kann sich seine Energie in Materie umwandeln. „Es entstehen ein Elektron und ein Positron, was auch als ‚Paarbildung‘ bezeichnet wird“, erklärt Axel Arbet-Engels, Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Physik und korrespondierender Autor der Veröffentlichung. „Dabei verringert sich die Intensität der Gammastrahlung. Das bedeutet: Bei den Teleskopen auf der Erde kommt nur noch ein schwaches Leuchten an – egal wie groß die Strahlung am Ausgangspunkt ist."

Grenzwerte für die Energiedichte der extragalaktischen Hintergrundstrahlung

Die Teleskope LST und Magic sind auf diese Anforderungen ausgelegt und können auch stark abgeschwächte Signale aus der Frühzeit des Universums verarbeiten. Das Max-Planck-Institut für Physik war wesentlich an Entwicklung und Bau der Observatorien beteiligt. Beide Teleskopgenerationen dienen dazu, weit entfernte, energiereiche Gammastrahlen aufzuzeichnen. Tatsächlich messen sie aber Tscherenkow-Licht, eine Form von Strahlung, die entsteht, wenn Gammastrahlen mit Teilchen in der Erdatmosphäre wechselwirken. 

Für die aktuelle Studie analysierten die Forschenden die Datensätze der LST-1- und Magic-Teleskope und kombinierten diese mit Daten anderer Instrumente in niedrigeren Energiebereichen. Aus diesen Messungen leiteten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler klare Grenzwerte für die maximale Energiedichte des extragalaktischen Hintergrundlichts, die unser Universum enthalten kann. Da dieses Hintergrundlicht aus dem gesamten Licht besteht, das Sterne und Galaxien seit Anbeginn der Zeit emittiert haben, ist diese Messung von größter Bedeutung, um mehr über die Entwicklungsgeschichte des Universums zu erfahren.

Der Motor hinter der Teilchenbeschleunigung

Was den Blazar selbst betrifft, kamen sie zu dem Schluss, dass seine bemerkenswerte Gammastrahlen-Emission durch eine dichte Population relativistischer Elektronen angetrieben wird. „Diese Elektronen werden innerhalb des Jets auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt“, erklärt Axel Arbet-Engels. „Wenn sie im Umfeld des schwarzen Lochs auf Licht geringerer Energie treffen, übertragen die Elektronen einen Teil ihrer immensen Energie auf die Photonen und verwandeln diese so in extrem energiereiche Gammastrahlen.“ Diese Erkenntnisse bedeuten einen großen Fortschritt im Verständnis des Beschleunigung-Motors von Radioquasaren mit flachem Spektrum.

 

Hintergrundinformationen

Das LST-1 ist der Prototyp der Large-Sized Telescopes (LST), die derzeit am Observatorium Roque de los Muchachos auf La Palma, Spanien, in Betrieb genommen werden. Die Entdeckung des am weitesten entfernten Hochenergie-Blazars während dieser Testphase ist ein klarer Beleg für die Leistungsfähigkeit des Teleskops und seine vielversprechende Zukunft. Am 15. Oktober 2026 wird das vollständige LST-Subarray mit drei weiteren Teleskopen von der LST-Kollaboration auf La Palma eingeweiht. Das LST ist einer von drei Teleskoptypen, mit denen das CTAO den weit gefassten Energiebereich von 20 Gigaelektronenvolt (GeV) bis 300 Teraelektronenvolt (TeV) abdecken wird. Mit einer Teleskopschüssel von 23 Metern Durchmesser bietet dieses Modell eine einzigartige Empfindlichkeit im Niedrigenergiebereich zwischen 20 GeV und 3 TeV. Obwohl jedes LST 45 Meter hoch ist und 100 Tonnen wiegt, kann es innerhalb von 20 Sekunden auf jeden beliebigen Punkt am Himmel ausgerichtet werden. 

Die beiden MAGIC-Teleskope „Florian Goebel“ werden am Observatorium Roque de los Muchachos im Stereomodus betrieben. Das erste MAGIC-Teleskop nahm 2003 den Betrieb auf, das zweite kam 2009 hinzu. Zum Zeitpunkt der Errichtung verfügte MAGIC mit seiner 17 Meter durchmessenden Parabolschüssel und seiner 236 Quadratmeter über die größte aktive Spiegelfläche aller weltweit existierenden Gammastrahlen-Teleskope. Die MAGIC-Teleskope revolutionierten die Astronomie im Bereich sehr hoher Energien. Mit ihrer einmaligen Empfindlichkeit unterhalb von 200 GeV schlossen sie eine Lücke zwischen satellitengestützten und bodengestützten Beobachtungen. Bis heute hat der MAGIC-Verbund mehr als 200 Fachartikel veröffentlicht und durch eine Reihe bahnbrechender Entdeckungen unser Verständnis des extremen Universums grundlegend neu geprägt.