Ein Blazar mit perfektem Magnetfeld

Der Milliarden von Lichtjahren entfernte Blazar PKS 1424+240 hat Astronomen lange Zeit vor ein Rätsel gestellt. Er sticht als hellstes Neutrino-emittierendes Objekt seiner Art am Himmel hervor – identifiziert durch Beobachtungen mit dem IceCube Neutrino-Observatorium – und strahlt außerdem in sehr hochenergetischer Gammastrahlung, die von bodengestützten Cherenkov-Teleskopen beobachtet wird. Seltsamerweise scheint sich sein Radiojet jedoch nur langsam zu bewegen, was den Erwartungen widerspricht, dass nur die schnellsten Jets solch intensive hochenergetische Emissionen erzeugen können. Dank 15 Jahren ultrapräziser Radiobeobachtungen mit dem Very Long Baseline Array (VLBA) konnten Forscher nun ein detailliertes Bild dieses Jets mit der bislang besten Auflösung erstellen.

„Als wir das Bild rekonstruierten, sah es wirklich atemberaubend aus“, sagt Yuri Kovalev, Hauptautor der Studie und Projektleiter des vom ERC bis Dezember 2029 finanzierten Projekts „Multi-messenger Studies of Energetic Sources“ (MuSES) am Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR). „Wir haben noch nie etwas Vergleichbares gesehen – ein nahezu perfektes ringförmiges Magnetfeld mit einem Jet, der direkt in unsere Richtung zeigt.“

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Signale aus der Ebene

Da der Jet mit annähernd Lichtgeschwindigkeit fast genau in Richtung Erde schießt, ist seine hochenergetische Strahlung durch das Doppler-Boosting der speziellen Relativitätstheorie für uns dramatisch verstärkt. „Diese Ausrichtung bewirkt eine Steigerung der Helligkeit um den Faktor dreißig oder mehr“, erklärt Mitautor Jack Livingston, ebenfalls vom MPIfR. „Gleichzeitig scheint sich der Jet aufgrund von Projektionseffekten langsam zu bewegen – eine klassische optische Täuschung.“

Diese frontale Geometrie ermöglicht es den Wissenschaftlern, direkt in das Herz des Jets des Blazars zu blicken – eine recht seltene Gelegenheit. Mit Hilfe polarisierter Radiosignale konnte das Team die Struktur des Magnetfelds des Jets kartieren und dessen wahrscheinliche spiralförmige oder toroidale Form aufdecken. Diese Struktur spielt eine Schlüsselrolle bei der Bildung und der Bündelung des Plasmastroms und könnte für die Beschleunigung von Teilchen durch invers-Compton-Effekte oder Fermi-Beschleunigung an Stoßfronten auf extreme Energien entscheidend sein.

„Die Lösung dieses Rätsels bestätigt, dass aktive Galaxienkerne mit supermassereichen Schwarzen Löchern nicht nur leistungsstarke Beschleuniger von Elektronen sind, sondern auch von Protonen – dem Ursprung der beobachteten hochenergetischen Neutrinos“, schließt Kovalev.

Die Entdeckung ist ein Triumph für das Programm „Monitoring Of Jets in Active galactic nuclei with VLBA Experiments“ (MOJAVE), ein jahrzehntelanges Projekt zur Beobachtung relativistischer Jets in aktiven Galaxien mit Hilfe des Very Long Baseline Arrays (VLBA). Wissenschaftler nutzen die Technik der Very Long Baseline Interferometry (VLBI), die Radioteleskope auf der ganzen Welt zu einem virtuellen Teleskop von der Größe der Erde verbindet. Dies ermöglicht die höchste Auflösung, die in der Astronomie verfügbar ist, und erlaubt es ihnen, feinste Details in entfernten kosmischen Jets zu untersuchen.

„Als wir mit MOJAVE begonnen haben, schien die Idee, eines Tages weit entfernte Jets von Schwarzen Löchern direkt mit kosmischen Neutrinos in Verbindung zu bringen, wie Science Fiction. Heute haben unsere Beobachtungen dies Wirklichkeit werden lassen“, sagt Anton Zensus, Direktor am MPIfR und Mitbegründer des MOJAVE-Programms. [MPIfR / dre]