Gammastrahlen-Jet auf krummer Bahn

Schwarze Löcher im Zentrum aktiver Galaxien schießen gewaltige Strahlen- und Teilchenbündel ins All. Erst jetzt jedoch hat ein internationales Astronomenteam aufgeklärt, wo genau diese Jets entstehen. Wie sie in „Nature“ berichten, entstehen die Gammastrahlen rund ein Lichtjahr vom Schwarzen Loch entfernt – und damit viel weiter weg als erwartet. Zudem folgt der Jet nahe seinem Ursprung überraschenderweise einer gekrümmten Bahn.

Aktive Galaxienkerne, so genannte Blasare gehören zu den hellsten Strahlenquellen am Himmel. Ihr zentrales Schwarzes Loch und die darum kreisende Materie wirken wie ein gigantischer Teilchenbeschleuniger und senden energiereiche Strahlung in nahezu allen Wellenlängen aus. Besonders auffallend sind diese leuchtturmartig gebündelten Strahlen-Jets im Gammabereich. Bisher allerdings sind Details der Jet-Erzeugung, wie beispielsweise der genaue Ursprungsort der Strahlung, kaum bekannt.

„Es wird vermutet, dass solche Jets durch ein supermassives Schwarzes Loch mit der Masse von hundert Millionen bis einige Milliarden Sonnenmassen im Kernbereich einer aktiven Galaxie angetrieben werden“, erklärt Anita Reimer vom Institut für Theoretische Physik der Universität Innsbruck. „Die Jets machen sich durch gerichtete Strahlung aus Gebieten von etwa der Größe unseres Sonnensystems bemerkbar.“

Gammastrahlenausbruch gibt entscheidende Hinweise

Um genaueres über den Ursprungsort der Jets herauszufinden, beobachtete ein internationales Team von Astronomen unter Leitung von Grzegorz Madejski von der Stanford Universität den Blasar 3C279 im Sternbild Jungfrau über ein Jahr lang mit 20 verschiedenen Teleskopen sowohl auf der Erde als auch im Weltraum. Vor allem das Weltraumteleskop Fermi und die H.E.S.S. Teleskope in Namibia lieferte wertvolle Daten zur energiereichen Gammastrahlung. Im Februar 2009 beobachteten die Forscher dann ein plötzliches Aufleuchten des Jets mit spektakulären Änderungen sowohl im optischen Licht als auch im Gammalicht. Während des zwanzigtägigen Gammastrahlenausbruchs änderte sich auch die Polarisation des optischen Lichts kontinuierlich.

Ursprungsort weiter vom Schwarzen Loch entfernt als gedacht

Zusammen mit der Dauer des Ausbruchs deutet dieses zeitliche Zusammentreffen darauf hin, dass das optische Licht und die Gammastrahlung einen gemeinsamen Ursprung haben. Und dieser muss nach neuesten Schätzungen in einem relativ großen Abstand vom Schwarzen Loch liegen. „Wir hatten erwartet, dass die Gammastrahlen etwa ein bis zwei Lichttage vom Schwarzen Loch entfernt produziert werden. Nun weisen die Daten aber eher auf ein Lichtjahr Entfernung hin. Dies ist durchaus unerwartet und überraschend“, sagt Reimer.

Jet folgt gekrümmter Bahn

Die gleichmäßige Änderung der Polarisation des optischen Lichts verrät auch Überraschendes über die Struktur des Jets: Die Jetmaterie folgt vom Schwarzen Loch aus einer gekrümmten Bahn. Dieses neue Verständnis der Physik von Blasar-Jets erfordert überarbeitete Modelle für die Struktur von Jets. „Hier kommen nun die Theoretiker ins Spiel“, erklärt Professor Olaf Reimer vom Institut für Astro- und Teilchenphysik der Universität Innsbruck.

Es wird vermutet, dass die Jets durch starke Magnetfelder zusammengehalten werden; die Jetstrahlung wird durch hochenergetische Teilchen produziert, die sich entlang der Magnetfeldlinien winden. „Details waren bisher relativ unbekannt“, so Reimer. „Die neuen Messergebnisse haben uns überrascht. Sie erlauben ein tieferes Verständnis der Anatomie dieser interessanten Quellen.“

„Diese Studie setzt vollkommen neue Anforderungen an magnetische Jet-Modelle: Wie muss ein Jet aussehen, der große Mengen an Energie weit entfernt vom Schwarzen Loch deponiert? Und wo kommt die Jet-Krümmung ins Spiel?“, umreißt Reimer die aktuellen Fragen. Zukünftig geplante Messungen über weite Frequenzbereiche, insbesondere des energetisch dominanten Gammastrahlenbereichs, werden es Forschern erlauben, Jet-Modelle zu testen und ein detailliertes Verständnis dieser Objekte zu erlangen.

(Nature, Universität Innsbruck, 18.02.2010 – NPO)