Forschungsbericht 2013 - Max-Planck-Institut für Radioastronomie

Eine Detailaufnahme der schnellen Jets von supermassiven schwarzen Löchern

Autoren
Savolainen, Tuomas
Abteilungen
Max-Planck-Institut für Radioastronomie, Bonn
Zusammenfassung
Supermassive schwarze Löcher können der Ursprung schneller, gebündelter Jets aus magnetisiertem Plasma sein, die Energie von einem zentralem System, bestehend aus schwarzem Loch und Akkretionsscheibe, über Entfernungen von hunderttausenden von Lichtjahren wegtransportieren. Viele physikalische Prozesse in den Jets sind noch nicht komplett verstanden, darunter deren Entstehung und Stabilität sowie die Struktur der Magnetfelder.  Langzeitstudien einer großen Auswahl von Jets mit ultrahochauflösender Radiointerferometrie zeigen erste Fortschritte bei der Beantwortung noch offener Fragen.

Jets aktiver galaktischer Kerne

Im Zentrum fast jeder Galaxie befindet sich ein schwarzes Loch dessen Masse eine Million Sonnenmassen überschreitet. Einige dieser supermassiven schwarzen Löcher akkretieren Materie und strahlen dabei soviel Energie ab, dass sie die gesamte Strahlung der Sterne in ihrer Heimatgalaxie übertreffen und zu den leuchtkräftigsten beständigen Quellen im Universum werden. In aktiven galaktischen Kernen wirkt das zentrale schwarze Loch als Motor, der die potentielle Energie des akkretierten Materials im enorm großen Gravitationsfeld in intensive Strahlung und leistungsstarke Ausströmungen umwandelt. Neben ihren ungewöhnlich hohen Leuchtkräften zeigen diese Systeme auch oft schnelle Variabilität im kompletten elektromagnetischen Spektrum und Hinweise auf die Existenz hochenergetischer Teilchen und Gas, das sich mit hoher Geschwindigkeit bewegt. Das Verständnis der physikalischen Prozesse, die in aktiven galaktischen Kernen zum Tragen kommen, ist ein zentraler Bestandteil der Forschung in der Hochenergieastrophysik.

Eine der faszinierendsten Erscheinungen in aktiven galaktischen Kernen sind die stark gebündelten Ausströmungen aus magnetisiertem Plasma, die mit nahezu Lichtgeschwindigkeit von etwa jeder zehnten Quelle ausgestoßen werden. Sie werden als Jets bezeichnet und transportieren Energie und Drehmoment vom zentralen System, bestehend aus schwarzem Loch und Akkretionsscheibe, über hunderttausende von Lichtjahren hinweg. Ein Teil dieser Energie wird dabei auf dem Weg abgeführt und der Rest an das interstellare und intergalaktische Medium übertragen. Jets sind für zahlreiche astrophysikalische Prozesse wichtig: sie sind beispielsweise effiziente Teilchenbeschleuniger und erhitzen und verwirbeln das interstellare Medium und können so die Entwicklung der Galaxien beeinflussen. Viele fundamentale Fragen bezüglich dieser Ausströmungen sind trotz deren Häufigkeit noch unbeantwortet. Die derzeitige Auffassung ist, dass die Entstehung, Beschleunigung und Kollimation der Jets durch magnetische Spannungen erfolgt, welche durch eine Verdrillung der Feldlinien durch die Rotation der Akkretionsscheibe oder des schwarzen Lochs selbst verursacht werden. Die Details dieses Mechanismus sind jedoch noch längst nicht komplett verstanden und Tests dieser Theorie durch Beobachtungen stehen noch aus.

Very Long Baseline Interferometry und die höchst aufgelösten Bilder von Jets

Die einzige Methode um Jets aktiver galaktischer Kerne bis hin zu ihrer Entstehungsregion abzubilden ist die Very Long Baseline Interferometrie (VLBI) mit Radio- und mm-Wellenlängen. Bei dieser Technik werden mehrere weit voneinander entfernte Radioteleskope verwendet, um zusammen ein interferometrisches Instrument von der Größe der Erde zu formen. Die erreichte Auflösung die höher als Millibogensekunden ist, und damit mehr als hundert Mal besser als die des Hubble Weltraumteleskops ist, erlaubt es, Details bis zu Größenordnungen von ≈10–102 Schwarzschildradien in nahen Radiogalaxien, sowie bis zu 103–105 Schwarzschildradien in weit entfernten leuchtkräftigen Quasaren aufzulösen. Die Strukturen der Jets zeigen eine zeitliche Entwicklung auf den mit VLBI beobachtbaren Skalen, was diese Technik zu einem unersetzlichen Werkzeug zur Untersuchung der Kinematik dieser Ausströmungen macht. Es wurden Eigenbewegungen von hellen Strukturen in Jets gefunden, die schneller als die Lichtgeschwindigkeit schienen. Diese scheinbare Überlichtgeschwindigkeit ist tatsächlich eine Täuschung, bedingt durch Lichtlaufzeiteffekte in einem Jet, der in einem kleinen Winkel zu unserer Sichtlinie steht. Die Entdeckung von scheinbarer Überlichtgeschwindigkeit ist ein direkter Nachweis für relativistische Ausströmungen in aktiven galaktischen Kernen. Neben der Möglichkeit zur Bestimmung der Jetgeschwindigkeit, liefern VLBI-Messungen Informationen über die Beschleunigung und Verlangsamung des Flusses sowie über die Entwicklung von Instabilitäten, welche direkt mit den physikalischen Eigenschaften des Jetplasmas verknüpft sind.

Die nichtthermischen Elektronen im Jet emittieren Synchrotronstrahlung im Radiobereich. Da sich die Ausrichtung des Magnetfeldes im Polarisationsvektor der Synchrotronstrahlung widerspiegelt, ermöglicht VLBI-Polarimetrie die Untersuchung der Magnetfelder in Jets. Da das Magnetfeld höchstwahrscheinlich eine entscheidende Rolle in der Beschleunigung und Kollimierung des Jets spielt, sind Kenntnisse über die Magnetfeldstruktur und den Grad der Magnetisierung des Jets von höchster Bedeutung.

MOJAVE Studie: Demografie von Jets aktiver galaktischer Kerne

Die MOJAVE (Monitoring of Jets in Active Galactic Nuclei with VLBA Experiments) Studie ist ein umfangreiches Beobachtungsprogramm von Jets aktiver galaktischer Kerne. Mit dem Very-Long-Baseline-Array in den USA werden dabei Veränderungen der Struktur und Polarisation in einer Auswahl von ≈300 Jets aktiver galaktischer Kerne bei einer Wellenlänge von 2 cm überwacht [1]. Die Winkelauflösung der erhaltenen „Filme“ ist höher als Millibogensekunden, somit kann die Entwicklung der informationsreichen Strukturen in den inneren Bereichen der Jets auf Größenskalen von wenigen Lichtjahren erforscht werden. Das MOJAVE Programm ist eine internationale Kollaboration, die Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie (MPIfR) sowie vieler amerikanischer und europäischer Universitäten und Forschungsinstitute zusammenführt.

Die MOJAVE Stichprobe wurde anhand der großen Radioleuchtkraft der kompakten Jetstruktur ausgewählt. Aus diesem Grund enthält es hauptsächlich Quellen mit leistungsstarken Jets, die nahe der Sichtlinie ausgerichtet sind und deren Strahlung deshalb stark durch den relativistischen Beaming-Effekt verstärkt ist. Statistische Analysen der Kinematik der MOJAVE Jets zeigen, dass die gemessenen Bewegungen der hellen Emissionsgebiete entlang der Jets tatsächlich die Geschwindigkeit der Ausströmungen widerspiegelt. Die beobachteten Geschwindigkeiten in Jets betragen häufig 99,5% der Lichtgeschwindigkeit und erreichen bis zu 99,97% der Lichtgeschwindigkeit [2].

Anhand der beobachteten Jetkinematik wurde ebenfalls gezeigt, dass die intrinsische Beschleunigung des Jetflusses bis zu einer Entfernung von 105–106 Schwarzschildradien vom schwarzen Loch andauern kann. Das ist mehr als die üblichen Erwartungen aus theoretischen Überlegungen [3]. Im Rahmen des MOJAVE Programms werden auch die linearen und zirkularen Polarisationsstrukturen der Jets gemessen, weiterhin wurden Teile des Samples bei mehreren Frequenzen beobachtet. Diese Daten werden benutzt, um die Struktur der Magnetfelder in Jets zu erforschen. Beispielsweise zeigten frequenzabhängige Drehungsmessungen der Polarisationsebene – der sogenannte Faraday-Effekt – Hinweise für die Existenz eines helixförmigen Magnetfeldes in vier von neun Jets, in welchen die transversale Auflösung der Jets hoch genug war um solche Studien zu ermöglichen [4].

Jets als kosmische Quellen von Gammastrahlung

Zahlreiche offene Fragen bezüglich der Jets aktiver galaktischer Kerne betreffen die Mechanismen der Energiedissipation, welche zu den spektakulären Ausbrüchen führen, die in Jets, die nahe entlang unserer Sichtlinie ausgerichtet sind beobachtet werden. Die inneren Bereiche dieser Jets, welche oft als Blazare bezeichnet werden, sind überwiegend Quellen hochenergetischer Gammastrahlung. Die MeV-TeV-Emission dieser Blazare wird wahrscheinlich durch inverse Comptonstreuung verursacht, wobei hochenergetische Elektronen im Jet mit niederenergetischen Photonen wechselwirken und dabei Energie übertragen wird. Der Ursprung der gestreuten Photonen sowie die Lage der Entstehungsregion der Gammastrahlen im Jet werden jedoch kontrovers diskutiert.

original
Abb. 1: Der Gammastrahlenhimmel, wie er mit dem Fermi Large Area Teleskop in den ersten 11 Beobachtungsmonaten gesehen wurde. Die meisten der Punktquellen sind aktive galaktische Kerne mit Jets, die nahe unserer Sichtlinie ausgerichtet sind. Die eingefügten Ausschnitte zeigen zehn, vom MOJAVE Team gemachte, hochaufgelöste Radiobilder mit Größenordnungen von Parsecs von aktiven galaktischen Kernen, die im Gammastrahlenbereich hell sind. Diese kompakten Radiojets sind die hellsten extragalaktischen Quellen von Gammastrahlung am Himmel.

Das Large Area Telescope (LAT) an Bord des 2008 gestarteten Fermi Gamma-ray Space Telescope (Weltraumteleskop für Gammastrahlen) der NASA ist ein Instrument, das den kompletten Himmel im Gammastrahlenbereich von 20 MeV bis 300 GeV überwacht. Die bei dem LAT verwendete neue Detektortechnologie sorgt für eine deutliche Verbesserung der Empfindlichkeit, der Winkelauflösung und des Gesichtsfelds im Vergleich zu den früheren Gammastrahlensatelliten. Dadurch wurden Untersuchungen der kosmischen Gammastrahlenquellen revolutioniert. Die meisten Punktquellen im Gammastrahlenbild des Himmels mit Fermi-LAT sind Blazare. Zudem sind es dieselben Quellen, welche helle, kompakte, relativistische Jets in VLBI-Bildern im Radiobereich zeigen (Abb. 1). Eine Analyse der Verbindung zwischen der Gammastrahlenemission von Blazaren und den Eigenschaften der Jets bei Größenordnungen von Parsecs, unter Verwendung der MOJAVE Daten, hat gezeigt, dass die Gammastrahlenleuchtkraft tatsächlich mit der in VLBI-Bildern gesehenen Radioleuchtkraft der kompakten Jets korreliert ist [5], sowie, dass Quellen, die mit Fermi gesehen wurden, tendenziell die sind, deren Jetemission im Radiobereich stark durch relativistische Beaming-Effekte verstärkt ist [6,7]. Weiterhin ist Variabilität im Gammastrahlenbereich mit Veränderungen der Radiointensität in den innersten Bereichen der Jets, die in MOJAVE-Bilder gesehen werden, verknüpft. Das bedeutet, dass die Emissionsprozesse an beiden extremen Enden des elektromagnetischen Spektrums in Jets aktiver galaktischer Kerne zusammenhängen [5,8].

In etwa einem Jahr wird das MOJAVE Programm ausreichend Daten gesammelt haben, um die Vermutung zu testen, dass die Variabilität der Gammastrahlung auch mit strukturellen Veränderungen der innersten Jetbereiche zusammenhängt, insbesondere mit dem Ausstoßen neuer, heller, sich bewegender Emissionskomponenten. Es wird angenommen, dass diese Komponenten Schockwellen sind. Zeitliche Messungen ihres Erscheinens und des Beginns von Gammastrahlenausbrüchen kann Einschränkungen für die Lage der Emissionsregion der Gammastrahlen liefern.

Literaturhinweise

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Radio/gamma-ray time delay in the parsec-scale cores of active galactic nuclei
The Astrophysical Journal Letters 722, 7-11 (2010)
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