22.06.2018

Präzedierender Jet aus dem Blazar

OJ 287 als Kandidat für eine Galaxie mit zwei zentralen, supermasse­reichen Schwarzen Löchern.

Es brauchte lange Zeit, um die ägyp­tischen Hiero­glyphen zu entschlüsseln, die als Inschriften auf den Pyramiden zu sehen sind. Dies gelang schließlich mithilfe des Rosetta­steins, einer Stele, die im Jahr 1799 gefunden wurde und als Inschrift einen Text in drei verschiedenen Sprachen, altägyp­tischen Hiero­glyphen, demotischer und alt­griechischer Schrift enthält. Mit der Erkenntnis, dass es sich jeweils um den gleichen Text handelt, konnten die rätsel­haften Hieroglyphen mit Hilfe der bekannten alt­griechischen Sprache entschlüsselt werden. Diese Entdeckung erlaubte völlig neue Erkennt­nisse über die Kultur des alten Ägypten. Einem Team von Astronomen gelang nun die Ent­schlüsselung des Jets im Zentrum einer Galaxie, die man bereits vor Jahren als den Rosetta­stein für Blazare bezeichnet hat. Blazare sind aktive Galaxien­kerne, bei denen ein supermasse­reiches Schwarzes Loch im Zentrum mit Materie gefüttert wird und die einen relati­vistischen Jet ausstoßen.

Abb.: Künstlerische Darstellung des Zentrums der aktiven Galaxie OJ 287 mit einem präzedierenden Jet. Zwei mögliche Ursachen für die Präzession sind in den Insets dargestellt: A) Präzession durch ein binäres Schwarzes Loch; B) Präzession durch eine verbogene Akkretionsscheibe. (Bild: A. M. Quetz, MPIA)

Im Zentrum der Galaxie OJ 287, in einer Entfernung von rund 3,5 Milliarden Licht­jahren, befindet sich mindestens ein supermasse­reiches Schwarzes Loch von millionen- oder sogar milliarden­facher Masse der Sonne. Dieses Schwarze Loch ist aktiv und erzeugt dabei einen Jet – einen magne­tisierten Plasma­strom, der im Zentrum der Galaxie im direkten Umfeld des zentralen Schwarzen Lochs erzeugt wird. Die Strahlung eines solchen Jets kann in Radiowellen­längen beobachtet werden. OJ 287 ist ebenfalls ein bekanntes Zielobjekt für optische Unter­suchungen. Optische Helligkeits­schwankungen wurden bei dieser Galaxie bereits seit dem späten 19. Jahrhundert beobachtet und lieferten eine der zeitlich längsten Licht­kurven in der Astro­nomie.

Trotz jahrzehnte­langer Radiobeo­bachtungen von Galaxien mit zentralen Jets und zahlreicher ausgeklügelter Unter­suchungen sind die Jets ein Rätsel geblieben. Nach gängiger Theorie wird der Ursprung von Schwankungen in der Radio­helligkeit von Jets mit dem Fütterungs­mechanismus durch das zentrale Schwarze Loch erklärt. Die sich bewe­genden Knoten­strukturen in den Jets werden unabhängig davon den sich ausbrei­tenden Stoßwellen in den Jets zuge­schrieben. Jetforscher sind sehr daran interessiert, einen physi­kalischen Zusammen­hang zwischen beiden Phänomenen zu etablieren; das ist bisher aber nicht in konsis­tenter Weise gelungen.

Ein von Silke Britzen vom Bonner Max-Planck-Institut für Radio­astronomie geleitetes Team hat nun eine ausge­klügelte Beobachtungs­technik genutzt, um den Jet von OJ 287 im direkten Umfeld seiner Entstehung in einer Vielzahl von Beobachtungs­epochen detailliert abzubilden. Die Technik der Radiointer­ferometrie umfasst eine Anzahl von über den gesamten Erdball verteilten Radio­teleskopen zur Erzeugung eines virtuellen Monster­teleskops von bis zu Erdgröße. Damit wird es möglich, tief in die Zentren von aktiven Galaxien hinein­zuzoomen, um Jets im direkten Umfeld eines zentralen Schwarzen Lochs mit bisher nicht gekannter Winkel­auflösung abzubilden.

Durch die Analyse eines umfangreichen und einen langen Zeitraum umfassenden Archivs von Beobachtungs­daten für diese Galaxie hat das Team nun starke Hinweise darauf gefunden, dass beide Phänomene den gleichen Ursprung haben. Sowohl die Helligkeits­schwankungen als auch die Bewegungen der „Knoten“ in den Jets lassen sich allein durch die Bewegung des Jets erklären. Der Jet selbst führt eine Präzessions­bewegung aus. „Die Helligkeits­schwankungen ergeben sich aus der Präzession des Jets, die eine Veränderung in der Doppler­verstärkung der ausge­sendeten Strahlung hervorruft, wenn sich der Sicht­winkel auf den Jet durch die Präzession ändert“, sagt Michal Zajacek, der die numerische Model­lierung der Präzession durchge­führt hat. „Es war für uns sehr über­raschend, dass der Jet nicht nur präzediert. Er scheint darüber hinaus auch eine kleinere nutations-ähnliche Bewegung durchzu­führen. Die kombi­nierte Bewegung des Jets aus Präzession und Nutation führt zur beobach­teten Varia­bilität in der Radio­strahlung und kann auch einige der optischen Strahlungs­ausbrüche erklären.“

„Uns ist klar geworden, dass es der gleiche physi­kalische Prozess ist, der die Bewegung des Jets an der Sphäre und die beobachteten Helligkeits­schwankungen der Galaxie hervorruft. Es ist letztendlich die Änderung in der Bewegung des Jets. Pure Geometrie und klar vorher­bestimmt, keine Magie!“ fügt Silke Britzen hinzu. „Das eröffnet uns eine einzig­artige Möglichkeit, die Jets und ihren potentiellen Ursprung in unmittel­barer Nachbar­schaft des zentralen Schwarzen Lochs zu verstehen. Dieser Jet ist in der Tat für uns ein Rosetta­stein, um den funda­mentalen Zusammen­hang zwischen Jets und aktiven Schwarzen Löchern in den Zentren von Galaxien zu verstehen.“ Britzen und ihr Forscherteam sind überzeugt davon, dass das Präzessions­szenario auch die über einen Zeitraum von 130 Jahren beobach­teten optischen Strahlungs­ausbrüche erklären kann. Für die end­gültige Bestätigung sind aber zunächst einmal zusätz­liche Daten und weitere Analyse­arbeit erfor­derlich.

Eine nach wie vor offene Frage betrifft den Ursprung der Jet­präzession. Für die Präzession des Jets von OJ 287 benennt das Team zwei mögliche Szenarien. „Wir haben entweder ein System von zwei supermasse­reichen Schwarzen Löchern, wobei der von einem der beiden erzeugte Jet durch Gezeiten­kräfte des anderen in eine Taumel­bewegung versetzt wird“, schließt Christian Fendt vom Heidel­berger Max-Planck-Institut für Astronomie. „Oder aber es handelt sich um ein Schwarzes Loch, das durch Gezeiten­kräfte von einer schief ausge­richteten Akkretions­scheibe beeinflusst wird.“ So oder so, der Jet der aktiven Galaxie OJ 287 ist einer der am besten unter­suchten und am besten verstan­denen Jets und wird mit Sicherheit helfen, Jets in den Zentren von weiteren Galaxien zu entschlüsseln. Er könnte auch dazu beitragen, die immer noch rätsel­hafte Akti­vität von supermasse­reichen Schwarzen Löchern in den Zentren von Galaxien aufzu­klären.

MPIfR / JOL

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