Starke Druckwelle bei Schwarzem Loch beschleunigt Teilchen

Wissenschaft In fernen Galaxien

Starke Druckwelle am Schwarzen Loch beschleunigt Teilchen

Illustration des IXPE-Weltraumteleskops (r.) und des Blazars Illustration des IXPE-Weltraumteleskops (r.) und des Blazars

Darstellung des Weltraumteleskops IXPE (r.) und des Blazars „Markarian 501“ (f.)

Quelle: Pablo Garcia (NASA/MSFC)

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Astronomen wissen seit langem, dass die Strahlung von Blazaren von hochenergetischen, elektrisch geladenen Teilchen stammt – es war nur unklar, wie diese Teilchen auf ihre hohe Energie beschleunigt werden. Jetzt bringt der Röntgenblick des IXPE-Teleskops Helligkeit ins Dunkel.

MSelbst supermassereiche Schwarze Löcher in fernen Galaxien leuchten ungewöhnlich hell. Mit dem neuen Röntgenteleskop IXPE hat ein internationales Forscherteam nun für einen dieser Himmelskörper herausgefunden, warum: Eine starke Druckwelle in der Nähe des Schwarzen Lochs beschleunigt Elektronen bis hin zu extrem hohen Energien – die diese Teilchen bilden elektromagnetische Strahlung von Radiowellen über optisches Licht bis hin zu Röntgen- und Gammastrahlen. Nun gilt es zu prüfen, ob dieser Mechanismus bei all diesen Objekten die Ursache ist, so die Forscher im Fachblatt „Nature“.

Fast alle Galaxien haben in ihrem Zentrum ein schwarzes Loch, das millionen- oder sogar milliardenfach so groß ist wie die Masse der Sonne. Die meisten dieser massiven Objekte verhalten sich ruhig und geben keine Strahlung ab. Aber einige sind aktiv: Gas aus der Umgebung fällt in die Schwarzen Löcher und leuchtet dabei auf. Durch das oft starke Magnetfeld der Schwarzen Löcher wird ein Teil der einfallenden Materie abgelenkt und an den Polen der Schwarzen Löcher als gebündelte Materiestrahlen – sogenannte Jets – weit ins All geschleudert.

Zeigt ein solcher Jet zufällig ziemlich genau auf die Erde, leuchtet das aktive Schwarze Loch von hier aus als „Blazar“ besonders hell auf. Astronomen wissen seit langem, dass die Strahlung von Blazaren von hochenergetischen, elektrisch geladenen Teilchen verursacht wird – bisher war nur unklar, wie diese Teilchen auf ihre hohe Energie beschleunigt werden. Um der Ursache auf die Spur zu kommen, müssen die Forscher die Polarisation der Strahlung bestimmen – also ob die elektromagnetischen Wellen in einer Vorzugsrichtung schwingen oder nicht.

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„Bisher waren solche Messungen nur im Radio- und optischen Bereich möglich“, erklären Ioannis Liodakis von der Universität Turku in Finnland und seine Kollegen. „Allerdings erkennen wir damit nur Teilchen, die den Beschleunigungsbereich bereits vor vielen Tagen oder sogar Jahren verlassen haben. Der Ursprung der Beschleunigung lässt sich nur mit Röntgenmessungen beobachten.“

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Das hat sich mit dem Röntgen-Weltraumteleskop IXPE – Imaging X-ray Polarimetry Explorer – geändert, das am 9. Dezember 2021 von der italienischen Raumfahrtbehörde Asi und der Nasa gestartet wurde. Erstmals sind Messungen der Polarisation von Röntgenstrahlen in Blazar-Jets möglich. Im März 2022 richteten Liodakis und seine Kollegen IXPE auf den 500 Millionen Lichtjahre entfernten Blazar Markarian 501. Die Ergebnisse dieser Beobachtungen seien ein “entscheidender Durchbruch in der Erforschung von Blazaren”, kommentiert die nicht teilnehmende Astronomin Lea Marcotulli von der Yale University in den USA in “Nature”.

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Denn die Messungen von Liodakis’ Team zeigen eine deutliche Polarisation der Röntgenstrahlung. „Das deutet auf eine Stoßwelle als Ursache für die Beschleunigung der Teilchen hin“, sagen die Forscher. Als Schockwelle bezeichnen Wissenschaftler eine besonders starke Druckwelle, die sich schneller ausbreitet als Schall. Diese Schockwelle tritt auf, wenn die vom Schwarzen Loch im Jet gebündelte und auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigte Materie in der Nähe auf langsameres Gas trifft.

Spätestens bei Blazar Markarian 501 ist klar, dass eine Schockwelle als kosmischer Teilchenbeschleuniger wirkt. Bleibt die Frage, ob dies bei allen Blazaren der Fall ist – oder ob es unterschiedliche Blazare mit unterschiedlichen Mechanismen gibt, um die Teilchen zu beschleunigen. Mit IXPE steht den Astronomen nun aber ein Instrument zur Verfügung, um mit Röntgenblick die Beschleunigung vieler weiterer Blazare zu untersuchen und so eine Antwort auf diese Frage zu finden.

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