Zyklische Gammastrahlung aus galaktischen Kernen

Die meisten Galaxien tragen in ihrem Zentrum ein schwarzes Loch. Dies haben astronomische Beobachtungen in den vergangenen Jahrzehnten wiederholt bestätigt. „Im Allgemeinen zeichnen sich diese schwarzen Löcher durch Massen von mehr als einer Million Sonnen aus“, sagte Pablo Peñil. Er ist Doktorand an der Universidad Complutense de Madrid in Spanien und Hauptautor einer Studie, die jetzt erschienen ist. Daran beteiligt war auch Sara Buson, Juniorprofessorin für Hoch­energie­astro­physik an der Fakultät für Physik und Astronomie der Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU). In dieser Studie stellt das internationale Team von Astronomen neue Erkenntnisse über die periodische Gamma­strahlen­emission von elf aktiven Galaxien vor.
 

Wie die Wissenschaftler anhand der Daten aus jahr­zehnte­langen Beobachtungen nachweisen konnten, wiederholen sich diese Emissionen im Durch­schnitt fast alle zwei Jahre. Die Studie ebnet damit den Weg für zukünftige Unter­suchungen von außer­gewöhnlichen Galaxien, die zwei super­masse­reiche schwarze Löcher in ihren Zentren beherbergen.

„Wir haben herausgefunden, dass einige dieser supermassereichen schwarzen Löcher, die als aktive galaktische Kerne bekannt sind, Teilchen in gebündelten Jets bis nahe an die Lichtgeschwindigkeit beschleunigen“, erklärt Peñil. Die Emission dieser Jets lasse sich im gesamten elektro­magnetischen Spektrum nachweisen, aber der größte Teil ihrer Energie werde in Form von Gammastrahlen freigesetzt, die mit dem Weltraum­teleskop Fermi-LAT der NASA beobachtet wurden.

Aktive galaktische Kerne zeichnen sich durch abrupte und unvorhersehbare Helligkeits­schwankungen aus. Muster darin zu erkennen, ist nicht einfach. Dank eines Jahrzehnts von Fermi-LAT-Beobachtungen war das von Peñil geleitete Team in der Lage, die Wiederholung von Gammastrahlensignalen über Zyklen von einigen Jahren zu identifizieren. „Unsere Studie stellt die bisher vollständigste Arbeit über die Suche nach der Periodizität von Gammastrahlen dar. Sie wird dazu beitragen, Erkenntnisse über den Ursprung der rätselhaften Helligkeits­änderungen zu gewinnen“, sagte Alberto Domínguez, Peñils Doktorvater in Madrid und Mitautor des Artikels. „Wir haben neun Jahre ununter­brochene LAT-All-Sky-Beobachtungen verwendet. Unter den mehr als zweitausend analysierten aktiven galaktischen Kernen zeichnet sich nur etwa ein Dutzend durch diese faszinierende zyklische Emission aus.“

„Früher waren nur zwei Blazare bekannt, die periodische Veränderungen in ihrer Gammastrahlen-Aktivität zeigen. Dank unserer Studie können wir sagen, dass dieses Verhalten auch bei anderen elf Quellen auftritt“, ergänzt Sara Buson. „Darüber hinaus fand unsere Studie weitere dreizehn Galaxien mit Hinweisen auf zyklische Emission, aber um dies definitiv zu bestätigen, müssen wir warten, bis Fermi-LAT weitere Daten sammelt.“ Nach Aussagen der Astro­physikerin stellt diese Vergrößerung der begrenzten Stichprobe periodischer Gamma­strahlen-Emitter einen wichtigen Fortschritt für das Verständnis der zugrunde liegenden physikalischen Prozesse in diesen Galaxien dar.

Mit seiner Studie hat das Team den ersten schwierigen Schritt zur Identifizierung einer großen Anzahl von Galaxien geschafft, die über Jahre hinweg periodisch emittieren, und versucht zu klären, was dieses periodische Verhalten in diesen galaktischen Kernen hervorruft. „Der nächste Schritt wird die Vorbereitung von Beobachtungs­kampagnen mit anderen Teleskopen sein, um diese Galaxien genau zu verfolgen und hoffentlich die Gründe für diese überzeugenden Beobachtungen zu entschlüsseln", sagt Marco Ajello von der Clemson University in South Carolina, USA.

In der Diskussion sind mehrere Möglichkeiten. Diese reichen von Leucht­turm­effekten, die von den Jets erzeugt werden, bis hin zu Modulationen im Materiestrom zum schwarzen Loch. Ein weiterer Lösungs­ansatz geht davon aus, dass die Periodizität durch ein Paar super­masse­reicher schwarzer Löcher erzeugt wird, die umeinander rotieren. „Das Verständnis der Beziehung dieser schwarzen Löcher mit ihrer Umgebung wird für ein vollständiges Bild der Galaxien­entstehung von wesentlicher Bedeutung sein“, so Marco Ajello.

U. Würzburg / DE 
 

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  P. Peñil et al.: Systematic search for gamma-ray periodicity in active galactic nuclei detected by the Fermi Large Area Telescope, Astrophys. J., online 19. Juni 2020; DOI: 10.3847/1538-4357/ab910d
• Gruppe von Sara Buson, Julius-Maximilians-Universität Würzburg
• Fermi-Large Area Telescope (LAT), NASA