Wie funktioniert ein Quasar-Jet?

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Astronomen durchleuchten den Jet eines Schwarzen Lochs und klären den Mechanismus in diesen Teilchenströmen auf.

Quasare sind kosmische Kraftwerke, deren Energieproduktion von gigantischen Schwarzen Löchern angetrieben wird. Als die hellsten Objekte im All senden sie stark gebündelte, hochenergetische Teilchenströme (Jets) aus, die in allen Frequenzbereichen strahlen. Wie aber funktioniert ein solcher Quasar-Jet? Astronomen um Sebastian Jester, Otto-Hahn-Stipendiat der Max-Planck-Gesellschaft an der University of Southampton, haben mit dem Röntgenteleskop CHANDRA jetzt das Objekt 3C 273 beobachtet. Ergebnis: Die Röntgentrahlung seines Jets wird direkt von ultra-energiereichen Teilchen erzeugt. Eine Untersuchung der Infrarotstrahlung des Jets mit dem Satellitenteleskop SPITZER brachte dieselben Ergebnisse. Beide Studien sind im Internet zugänglich und werden im September im Astrophysical Journal erscheinen.

Abb.: Der Jet des Quasars 3C 273 geht von einem gewaltigen Schwarzen Loch aus, das man sich unmittelbar außerhalb des linken Bildrandes zu denken hat. Sein hellster, hier gezeigter Teil misst etwa 100.000 Lichtjahre. Das Röntgenlicht (aufgenommen mit CHANDRA) ist blau dargestellt, sichtbares Licht (aufgenommen mit HUBBLE) grün und Radiowellen (aufgenommen mit dem VLA-Radioteleskop) rot; in den gelben Bereichen wird sowohl starke Radio- als auch optische Strahlung emittiert. Die neuen Daten von CHANDRA und SPITZER deuten darauf hin, dass die Strahlung in allen Wellenlängenbereichen durch extrem energiereiche Teilchen erzeugt wird. Ein Rätsel bleibt, wie die strahlenden Teilchen im Jet beschleunigt werden. (Bild: Sebastian Jester et al. / ApJ)

„Die Teilchenströme in den Quasar-Jets bewegen sich fast mit Lichtgeschwindigkeit und erzeugen sichtbares Licht und Röntgenstrahlen. Aber sie sind so weit von der Erde entfernt, dass sie uns extrem leuchtschwach erscheinen und wir bisher keine Daten hatten, aus denen sich der Emissionsmechanismus herausfinden ließ“, sagt Sebastian Jester, Hauptautor der ersten Studie und Mitautor der zweiten.

Bisher gab es zwei konkurrierende Vorstellungen darüber, wie der Jet Röntgenlicht erzeugt: Das „Compton-Modell“ besagt, dass niederenergetische Teilchen Photonen aus der Mikrowellen-Hintergrundstrahlung streuen und so die hochenergetische Strahlung erzeugen; dem „Synchrotron-Modell“ zufolge gibt es im Jet extrem energiereiche Elektronen oder Protonen, die selbst im Röntgenlicht leuchten.

Die neuen Daten in vielen verschiedenen Spektralbereichen zeigen klar, dass die Radiostrahlung, das infrarote und optische Licht sowie die Röntgenstrahlung nicht unabhängig voneinander entstehen. Vielmehr wird die gesamte vom Jet emittierte Strahlung von so genannten ultra-energiereichen Teilchen als Synchrotron-Strahlung abgegeben; das sind elektromagnetische Wellen, die tangential zur Bewegungsrichtung von relativistischen Elektronen oder Positronen austreten, wenn diese in einem Magnetfeld abgelenkt werden. Damit dürfte das „Compton-Modell“ aus dem Rennen sein.

Der in der Abbildung dargestellte hellste Teil des Jets hat eine Ausdehnung von etwa 100.000 Lichtjahren, die Lebensdauer der strahlenden Teilchen beträgt aber nur etwa 100 Jahre. Die hochenergetischen Partikel, die sich fast mit Lichtgeschwindigkeit bewegen, können nicht einfach aus dem Schwarzen Loch geschossen werden, um dann weit draußen ihre Energie als Strahlung abzugeben - dazu „leben“ sie zu kurz. Vielmehr müssen sie vor Ort beschleunigt werden, unmittelbar dort, wo sie ihre Energie als Strahlung abgeben: also überall im leuchtenden Jet.

„Unsere Ergebnisse machen es nötig, radikal neu über die physikalischen Prozesse nachzudenken, die in solchen Jets von Schwarzen Löchern ablaufen“, sagt Yasunobu Uchiyama, Leiter der SPITZER-Teams, „aber jetzt haben wir entscheidende neue Hinweise, um eines der großen Rätsel der Astrophysik lösen zu können.“ Und Sebastian Jester ergänzt: „Wir sehen nun klar, dass der innere Aufbau eines solchen Jets sehr viel komplizierter ist, als wir bisher angenommen haben. Doch mysteriös bleibt die Frage, wie die Jets es schaffen, Teilchen vor Ort zu so hohen Energien zu beschleunigen. Unsere großen Teilchenbeschleuniger - Fermilab, DESY und CERN - könnten da neidisch werden.“

Zu den Mitautoren der CHANDRA-Studie zählt Klaus Meisenheimer vom Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg, wo auch Sebastian Jester seine Arbeiten an diesen rätselhaften Objekten begonnen hatte. Mit Wissenschaftlern am Massachusetts Institute of Technology (MIT) und am Smithsonian Astronomical Observatory (SAO) in Cambridge, Massachusetts, wurde ebenfalls eng zusammengearbeitet. Das Team benutzte das Röntgenteleskop CHANDRA, um erstmals die Energieverteilung der Röntgenstrahlung des Jets von 3C 273 zu bestimmen.

Eine weitere Gruppe unter der Leitung von Yasunobu Uchiyama, vormals am Center for Astronomy der Yale-Universität und jetzt Mitarbeiter von JAXA in Japan, hat den Jet von 3C 273 mit dem Weltraumteleskop SPITZER beobachtet, das sehr viel schwächere Infrarot-Strahlungsquellen registriert als erdgebundene Fernrohre. Die Beobachtungen mit SPITZER ermöglichten es den Astronomen in Stanford, Southampton, am Goddard Space Flight Center und am Brera-Observatorium in Mailand, zum ersten Mal den Verlauf des Infrarot-Spektrums zu bestimmen. Damit ließ sich die Frage nach dem Ursprung der Jet-Strahlung klären.

Beide Teams nutzten auch Daten des Weltraumteleskops HUBBLE sowie der Radioteleskope des Very Large Array (VLA) in New Mexico. Die drei Weltraumteleskope und das VLA sehen die Himmelsquellen bei unterschiedlichen Wellenlängen, und erst die Kombination von allen vieren lieferte ein umfassendes Verständnis des Jets.

Beide Studien wurden durch Drittmittel der US-Raumfahrtbehörde NASA unterstützt.

Quelle: MPG / \[JS/HOR\]

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichungen:
  S. Jester et al., New Chandra observations of the jet in 3C273. I. Softer X-ray than radio spectra and the X-ray emission mechanism, Astrophysical Journal, 10. September 2006:
  http://arxiv.org/abs/astro-ph/0605529 (Preprint)
  Y. Uchiyama et al., Shedding New Light on the 3C 273 Jet with the Spitzer Space Telescope, Astrophysical Journal, 10. September 2006:
  http://arxiv.org/abs/astro-ph/0605530 (Preprint)  
• Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V.:
  http://www.mpg.de  
• Max-Planck-Institut für Astronomie, Heidelberg:
  http://www.mpia-hd.mpg.de  
• SPITZER:
  http://www.spitzer.caltech.edu  
• CHANDRA:
  http://chandra.harvard.edu  
• Hubble:
  http://hubblesite.org  
• Very Large Array (VLA):
  http://www.vla.nrao.edu