Blitze aus einem Schwarzen Loch

MAGIC-Teleskope beobachten in der Galaxie IC 310 einen außerordentlich kurzen, heftigen Strahlungsausbruch

6. November 2014

Die Radiogalaxie IC 310 im Sternbild Perseus ist ungefähr 260 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt. In ihrem Zentrum vermuten die Astronomen ein supermassives Schwarzes Loch. Dort ereignete sich ein außergewöhnlich starker Ausbruch von Gammastrahlen, den die MAGIC-Teleskope auf der Kanareninsel La Palma beobachtet haben. Dabei zeigte die Quelle eine der schnellsten Strahlungsänderungen, die Forscher jemals in einem extragalaktischen Objekt bei diesen Energien registrieren konnten.

Unscheinbares Sternchen: IC 310 (Pfeile) gehört zum Perseus-Galaxienhaufen, der Tausende Milchstraßensysteme umfasst. IC 310 besitzt einen aktiven Kern und zeigt sich im Radiobereich als helle Quelle.

Während des Ausbruchs variierte die Stärke der gemessenen Strahlung aus dem Herzen der Galaxie IC 310 zur Überraschung der Forscher innerhalb von nur fünf Minuten. Der Ereignishorizont des Schwarzen Lochs – die Grenzfläche in der Raumzeit, jenseits derer Ereignisse nicht mehr sichtbar sind – ist jedoch etwa dreimal so groß wie die Entfernung zwischen Sonne und Erde, also 450 Millionen Kilometer. Um diese Strecke zurückzulegen, würde das Licht mindestens 25 Minuten benötigen.

„Kein Objekt kann plötzlich seine ganze Oberfläche schneller erhellen, als das Licht braucht, um diese zu durchqueren“, sagt Julian Sitarek vom Institut de Fisica d'Altes Energies (IFAE) in Barcelona. Und MAGIC-Sprecher Razmik Mirzoyan vom Max-Planck-Institut für Physik in München ergänzt: „Der Bereich, aus dem die Gammastrahlung stammt, muss daher wesentlich kleiner sein als der Ereignishorizont des Schwarzen Lochs.“ Das bedeutet, dass die Astronomen das Schwarze Loch mit den MAGIC-Teleskopen offenbar sehr detailliert beobachtet haben. Was aber ist das Besondere an der Schwerkraftfalle im Herzen von IC 310?

Galaxie in Falschfarben: Die Karte zeigt IC 310 bei Gammastrahlen. Das Inset ist ein Zoom auf das Zentrum der Galaxie und macht Details des Jets sichtbar, aufgenommen bei Radiowellen vom Europäischen VLBI-Netzwerk. Die Konturlinien beschreiben die Struktur des Jets, der nahe dem Schwarzen Loch im Herzen von IC 310 ansetzt.

Die Massen von galaktischen Schwarzen Löchern liegen im Bereich von einer Million bis zu mehreren Milliarden Sonnenmassen. Fällt Materie auf diese Objekte, führt das gelegentlich zu ungewöhnlich heftigen Strahlungsausbrüchen bei Wellenlängen im gesamten Spektrum. Solche aktiven galaktischen Kerne (AGN) produzieren sogenannte Jets, in denen das Gas wie aus einer Düse mit annähernd Lichtgeschwindigkeit ins All geblasen wird.

IC 310 im Perseus-Galaxienhaufen gehört zu dieser Klasse von AGN. Schon im Jahr 2009 hatten der Satellit Fermi sowie die MAGIC-Teleskope die hohe Energieabstrahlung dieses Milchstraßensystems entdeckt. Wie aber kommen die sehr schnellen zeitlichen Änderungen der Strahlung zustande?

Die Forscher vermuten, dass das Schwarze Loch im Kern von IC 310 rasch rotiert und von einem Magnetfeld umgeben ist. „Dabei treten an den Polbereichen offenbar starke elektrische Felder auf, welche die Teilchen auf relativistische Geschwindigkeiten beschleunigen, dabei hohe Energien und schließlich – in Wechselwirkung mit Partikeln niedriger Energien – Gammastrahlen mit sehr schnellen Zeitvariationen erzeugen“, sagt Masahiro Teshima, Direktor am Max-Planck-Institut für Physik.

Strahlendes Szenario: Ein rotierndes Schwarzes Loch induziert ein Magnetfeld (rote Linien). In den Polbereichen (gelb) treten starke elektrische Felder auf, welche die Teilchen auf relativistische Geschwindigkeiten beschleunigen, dabei hohe Energien und schließlich – in Wechselwirkung mit Partikeln niedriger Energien – Gammastrahlen mit sehr schnellen Zeitvariationen erzeugen.

„Sie müssen sich das vorstellen wie einen Gewitterblitz“, sagt Karl Mannheim von der Universität Würzburg. Alle paar Minuten entlade der Blitz seine angesammelte Energie in einer Region von der Größe unseres Sonnensystems. Dabei würden Teilchen mit relativistischer Geschwindigkeit – also einer Geschwindigkeit nahe der des Lichts – in die Außenbereiche der Galaxie geschleudert.

„Wenn wir Schwarze Löcher bei hohen Energien beobachten, dann blicken wir sehr tief in den galaktischen Kern. Wir versuchen, gleichsam direkt in die zentrale Maschinerie zu schauen“, sagt Razmik Mirzoyan.

Den Jet im Herzen der Galaxie hat das Europäische VLBI-Netzwerk unter Beteiligung des 100-Meter-Radioteleskops in Effelsberg mit extrem hoher Detailauflösung beobachtet. „Die Ergänzung zwischen MAGIC und dem VLBI-Netzwerk bietet einen einzigartigen Blick in dieses gewaltige Objekt“, sagt Eduardo Ros vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn.

Nach Mirzoyans Worten liefern die Beobachtungen von IC 310 erste Anhaltspunkte dafür, wie sich Jets in der Nähe von Schwarzen Löchern bilden. MAGIC habe das Ergebnis dank seiner hohen Empfindlichkeit erzielt. Für diese Art der Forschung sei es das geeignetste Instrument unter den abbildenden Cherenkov-Teleskopen.

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MAGIC steht auf dem Roque de los Muchachos auf der Kanarischen Insel La Palma. Das System aus zwei Teleskopen – jedes mit einem Durchmesser von 17 Metern – zählt weltweit zu den größten Instrumenten zur Messung von sehr hohen Energien. Es empfängt kosmische Gammastrahlen im Bereich zwischen 25 Gigaelektronenvolt und 50 Teraelektronenvolt. Die neutralen Gammastrahlen dringen in die Erdatmosphäre ein und lösen Lawinen von sekundären Teilchen aus, die bläuliches Cherenkovlicht ausstrahlen. MAGIC studiert galaktische und extragalaktische Quellen, indem es die stereoskopischen Bilder dieser Cherenkovblitze aufnimmt und analysiert.

Betrieben wird das Teleskopsystem von einer größtenteils europäischen Kollaboration, der ungefähr 160 Forscherinnen und Forscher aus Deutschland, Spanien, Italien, Schweiz, Polen, Finnland, Bulgarien, Kroatien, aber auch aus Indien und Japan angehören.

Das European VLBI Network ist eine internationale Zusammenarbeit mit Teleskopen aus Europa, China, Südafrika und weiteren Partnern, eingeschlossen dem Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn.

HOR

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