Wissenschaft in fernen Galaxien
Eine starke Druckwelle im Schwarzen Loch beschleunigt die Teilchen
Stand: 09:56 | Lesezeit: 3 Minuten
Darstellung des Weltraumteleskops IXPE (r.) und des Blazars „Markarian 501“ (l.)
Der: Pablo Garcia (NASA/MSFC)
Astronomen wissen seit langem, dass die Strahlung von Blazaren von elektrisch geladenen, hochenergetischen Teilchen stammt; Es war nicht klar, wie diese Teilchen auf ihre hohe Energie beschleunigt wurden. Jetzt bringt der Röntgenblick des IXPE-Teleskops Helligkeit ins Dunkel.
Einige supermassereiche Schwarze Löcher in fernen Galaxien leuchten auf ungewöhnliche Weise. Mit Hilfe des neuen Röntgenteleskops IXPE hat ein internationales Forscherteam nun für eines dieser Himmelsobjekte herausgefunden, warum: eine starke Druckwelle in der Nähe des Schwarzen Lochs. Das Loch beschleunigt Elektronen auf extrem hohe Energien, die diese Teilchen aus elektromagnetischer Strahlung von Radiowellen über optisches Licht bis hin zu Röntgen- und Gammastrahlen formen. Nun gilt es zu prüfen, ob dieser Mechanismus bei all diesen Objekten die Ursache ist, so die Wissenschaftler der Zeitschrift „Nature“.
Fast alle Galaxien haben in ihrem Zentrum ein Schwarzes Loch, das millionen- oder sogar milliardenfach so schwer ist wie die Sonne. Die meisten dieser massiven Objekte verhalten sich lautlos und geben keine Strahlung ab. Aber einige sind aktiv: Gas aus der Umgebung fällt in schwarze Löcher und leuchtet dabei auf. Durch das oft starke Magnetfeld von Schwarzen Löchern wird ein Teil der einfallenden Materie abgelenkt und an den Polen der Schwarzen Löcher als gebündelte Materiebündel, sogenannte Jets, weit in den Weltraum geschleudert.
Richtet man einen solchen Jet ziemlich genau auf die Erde, ist das aktive Schwarze Loch von hier aus als „Blazar“ besonders hell. Astronomen wissen schon lange, dass die Strahlung von Blazaren von hochenergetischen, elektrisch geladenen Teilchen verursacht wird; Bislang war nicht klar, wie diese Teilchen auf ihre hohe Energie beschleunigt werden. Um die Ursache zu finden, müssen Wissenschaftler die Polarisation der Strahlung bestimmen, also ob die elektromagnetischen Wellen in einer Vorzugsrichtung schwingen oder nicht.
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„Bisher waren solche Messungen nur im Radio- und optischen Bereich möglich“, erklären Ioannis Liodakis von der Universität Turku in Finnland und seine Kollegen. „Aber wir detektieren damit nur Teilchen, die den Beschleunigungsbereich schon vor vielen Tagen oder gar Jahren verlassen haben. Der Ursprung der Beschleunigung lässt sich nur mit Hilfe von Röntgenmessungen beobachten.“
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Das hat sich mit dem Röntgen-Weltraumteleskop IXPE, dem Imaging X-ray Polarimetry Explorer, geändert, das am 9. Dezember 2021 von der italienischen Raumfahrtbehörde Asi und der NASA gestartet wurde. Erstmals sind Messungen der Röntgenpolarisation in Blazar-Jets möglich. Im März 2022 richteten Liodakis und seine Kollegen das IXPE auf den 500 Millionen Lichtjahre entfernten Blazar Markarian 501. Die Ergebnisse dieser Beobachtungen seien ein „entscheidender Fortschritt in der Erforschung von Blazaren“, sagt die nicht teilnehmende Astronomin Lea Marcotulli aus Yale Universität. in den USA in “Nature”.
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Denn die Messungen des Liodakis-Teams zeigen eine deutliche Polarisation der Röntgenstrahlung: „Das deutet auf eine Stoßwelle als Ursache der Teilchenbeschleunigung hin“, sagen die Wissenschaftler. Als Stoßwelle bezeichnen Forscher eine besonders starke Druckwelle, die sich schneller ausbreitet als der Schall. Diese Schockwelle entsteht, wenn Materie, die vom Schwarzen Loch des Jets zusammengeballt und auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt wird, auf langsameres Gas in der Nähe trifft.
Spätestens beim Markarian Blazar 501 ist klar, dass eine Stoßwelle als kosmischer Teilchenbeschleuniger wirkt. Bleibt die Frage, ob dies bei allen Blazaren der Fall ist, oder ob es verschiedene Blazare mit unterschiedlichen Mechanismen zur Teilchenbeschleunigung gibt. Mit IXPE steht den Astronomen nun aber ein Instrument zur Verfügung, um mit Röntgenblick die Beschleunigung vieler weiterer Blazare zu untersuchen und so eine Antwort auf diese Frage zu finden.
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