Zum ersten Mal haben Astronomen beobachtet, wie bestimmte supermassereiche Schwarze Löcher Jets hochenergetischer Teilchen ins All schleudern – und der Vorgang ist schockierend.
Schockwellen, die sich entlang des Strahls eines solchen Blazar-Verzerrungsmagnetfelds ausbreiten, das austretende Teilchen auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt, berichten Astronomen am 23 Natur. Die Untersuchung einer solch extremen Beschleunigung kann dabei helfen, grundlegende physikalische Fragen zu untersuchen, die auf andere Weise nicht untersucht werden können.
Blazare sind aktive Schwarze Löcher, die Jets aus hochenergetischen Partikeln auf die Erde schießen und sie als helle Punkte aus Millionen oder sogar Milliarden Lichtjahren Entfernung erscheinen lassen (SN: 14.07.15). Astronomen wussten, dass die extremen Geschwindigkeiten und engen Säulenstrahlen der Jets etwas mit der Form der Magnetfelder um Schwarze Löcher zu tun hatten, aber die Details waren verschwommen.
Betreten Sie den Imaging X-Ray Polarimetry Explorer oder IXPE, ein umlaufendes Teleskop, das im Dezember 2021 gestartet wurde. Seine Mission ist es, die Röntgenpolarisation zu messen oder wie Röntgenlicht ausgerichtet ist, wenn es durch den Weltraum wandert. Während frühere Blazar-Beobachtungen von polarisierten Radiowellen und optischem Licht Teile von Jets Tage bis Jahre nach ihrer Beschleunigung untersuchten, können polarisierte Röntgenstrahlen in den aktiven Kern eines Blazars sehen (SN: 24.03.21).
„In Röntgenstrahlen schaut man wirklich ins Herz der Teilchenbeschleunigung“, sagt der Astrophysiker Yannis Liodakis von der Universität Turku in Finnland. „Du schaust wirklich auf die Region, in der alles passiert.“
Im März 2022 untersuchte IPXE einen besonders hellen Blazar namens Markarian 501, der sich etwa 450 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt befindet.
Liodakis und Kollegen hatten zwei Hauptideen, wie Magnetfelder den Jet von Markarian 501 beschleunigen könnten. Partikel könnten durch magnetische Wiederverbindung verstärkt werden, bei der Magnetfeldlinien brechen, sich neu bilden und mit anderen nahe gelegenen Linien verbinden. Derselbe Prozess beschleunigt Plasma auf der Sonne (SN: 14.11.19). Wenn das die Teilchenbeschleunigungsmaschine wäre, müsste die Polarisation des Lichts entlang des Jets in allen Wellenlängen gleich sein, von Radiowellen bis zu Röntgenstrahlen.
Eine weitere Option ist eine Stoßwelle, die Partikel den Strahl hinunterschießt. Am Ort des Schocks wechseln die Magnetfelder plötzlich von turbulent zu geordnet. Dieser Schalter könnte Partikel wegsausen lassen, wie Wasser durch die Düse eines Schlauchs. Wenn die Partikel die Schockstelle verlassen, sollte die Turbulenz wieder übernehmen. Wenn ein Schock für die Beschleunigung verantwortlich war, sollten kurzwellige Röntgenstrahlen stärker polarisiert sein als längerwelliges optisches und Radiolicht, wie von anderen Teleskopen gemessen wurde.
Genau das haben die Forscher gesehen, sagt Liodakis. „Wir haben ein eindeutiges Ergebnis“, sagt er, was für die Schockwellen-Erklärung spricht.
Es gibt noch viel zu tun, um die Details des Partikelflusses herauszufinden, sagt der Astrophysiker James Webb von der Florida International University in Miami. Zum einen ist nicht klar, was den Schock erzeugen würde. Aber „das ist ein Schritt in die richtige Richtung“, sagt er. „Es ist, als würde man ein neues Fenster öffnen und das Objekt neu betrachten, und wir sehen jetzt Dinge, die wir vorher nicht gesehen haben. Es ist sehr aufregend.“
Quellen
I. Liodakis et al. Polarisierte Blazar-Röntgenstrahlen implizieren Teilchenbeschleunigung bei Schocks. Natur. Online veröffentlicht am 23. November 2022. doi: 10.1038/s41586-022-05338-0.
Autoren: Lisa Grossman von Sciencenews
