KOSMISCHE JETS
Überraschendes Innenleben eines Jets
Redaktion / Pressemitteilung der Universität Innsbruck 
astronews.com
18. Februar 2010

Kosmische Jets, also gewaltige, gerichtete Materieauswürfe aus der unmittelbaren Umgebung von Schwarzen Löchern, verhalten sich offenbar anders als bislang vermutet. Ein internationales Forscherteam konnte jetzt zeigen, dass der dominante Teil der Jetstrahlung, nämlich Gammastrahlen, viel weiter entfernt vom Schwarzen Loch entsteht als erwartet.

Vor kurzem durchgeführte Beobachtungen von Blasar-Jets erlauben es Forschern, derzeitige Theorien zur Bildung und Bewegung solcher Jets zu präzisieren. Diese Simulation zeigt ein Schwarzes Loch, das umgebende Materie anzieht (gelb) und Energie in Form von Jetmaterie auswirft (blau und rot). Diese wird durch Magnetfeldlinien (grün) zusammengehalten. Bild: Universität Innsbruck / Jonathan McKinney, Stanford University [Großansicht]

"Es wird vermutet, dass solche Jets durch ein supermassereiches Schwarzes Loch mit der Masse von hundert Millionen bis einige Milliarden Sonnenmassen im Kernbereich einer aktiven Galaxie angetrieben werden", veranschaulicht Dr. Anita Reimer vom Institut für Theoretische Physik der Universität Innsbruck, die Mitglied des Forscherteams war. "Die Jets machen sich durch gerichtete Strahlung aus Gebieten von etwa der Größe unseres Sonnensystems bemerkbar. Die Strahlung reicht von langen Radiowellen bis zu hochfrequenter Gammastrahlung, und die Emissionsgebiete bewegen sich im Jet fast so schnell wie das Licht."

Es wird vermutet, dass diese 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."

Helle Galaxienkerne, sogenannte Blasare, dominieren den extragalaktischen Gammastrahlenhimmel und stellen möglicherweise die größten Teilchenbeschleuniger des Universums dar. Über ein Jahr lang stand ein bestimmter Blasar, 3C279, im Sternbild Jungfrau im Mittelpunkt der Aufmerksamkeit der Wissenschaftler. Sie untersuchten ihn über fast das gesamte elektromagnetische Spektrum.

Im Februar des Vorjahres beobachteten die Forscher dann ein dramatisches Aufleuchten des Jets mit spektakulären Änderungen im optischen Licht und im Gammalicht. "Optisches Licht ist normalerweise unpolarisiert, es besteht also aus einer Mischung verschiedenster Polarisationsrichtungen. Energetische Teilchen in gerichteten Magnetfeldern können jedoch polarisierte Strahlung erzeugen", erläutert Reimer.

Während des 20-tägigen Gammastrahlenausbruchs änderte sich die Polarisation des optischen Lichts deutlich und kontinuierlich. Dieses zeitliche Zusammentreffen und die ersten monatelang weitgehend kontinuierlich durchgeführten Messungen dieser Quelle, untermauern die Vermutung, dass das optische Licht und die Gammastrahlung einen gemeinsamen Ursprung haben. Zusammen mit der Dauer des Ausbruchs deutet dies auf einen relativ großen Abstand des Ursprungsgebiets vom Schwarzen Loch hin. "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", so Reimer.

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", meint Prof. Olaf Reimer vom Institut für Astro- und Teilchenphysik der Universität Innsbruck, der auch zum Wissenschaftler-Team gehört.

"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 die Theoretikerin Anita Reimer die aktuellen Fragen und weist darauf hin, dass die Berücksichtigung starker und komplexer Magnetfeldtopologien in Simulationen relativistischer Jets extrem schwierig ist.

Diese und 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. Die Innsbrucker Wissenschaftler greifen hierfür nicht nur auf das 2008 gestartete Gammastrahlenteleskop Fermi zurück, sondern nutzen auch die in Namibia befindlichen H.E.S.S.-Teleskope zum Nachweis energiereicher Gammastrahlung.

Die Wissenschaftler berichten über ihre Resultate in der heute erscheinenden Ausgabe der Zeitschrift Nature.