Astronomen haben beispiellose Bilder eines Plasmastrahls aus einem supermassereichen Schwarzen Loch im Blazar 3C 279 erhalten und dabei komplexe Muster enthüllt, die bestehende Theorien in Frage stellen. Im Rahmen dieser internationalen Anstrengung wurden mithilfe modernster Radioteleskopnetzwerke spiralförmige Filamente in der Nähe der Quelle des Jets entdeckt, was auf die mögliche Rolle von Magnetfeldern bei der Formung solcher Jets hinweist. (Konzept des Künstlers.)
Ein Teleskop, das größer als die Erde ist, hat im Universum ein Plasmaseil entdeckt.
Mithilfe eines Netzwerks von Radioteleskopen auf der Erde und im Weltraum haben Astronomen die detaillierteste Ansicht eines Jets aufgenommen, die es je gab Plasma Schießen aus einem Supermassereichen schwarzes Loch im Herzen einer fernen Galaxie.
Der Strahl, der aus dem Herzen eines fernen Blazars namens 3C 279 kommt, bewegt sich mit nahezu Lichtgeschwindigkeit und zeigt in der Nähe seiner Quelle komplexe, verdrehte Muster. Diese Muster stellen die Standardtheorie in Frage, die seit 40 Jahren verwendet wird, um zu erklären, wie sich diese Jets im Laufe der Zeit bilden und verändern.
Einen wesentlichen Beitrag zu den Beobachtungen leistete das Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn, wo die Daten aller beteiligten Teleskope zu einem virtuellen Teleskop mit einem effektiven Durchmesser von etwa 100.000 Kilometern kombiniert wurden.
Ihre Ergebnisse wurden kürzlich in veröffentlicht Naturastronomie.
Abbildung 1: Verschlungene Filamente im Blazar 3C 279. Hochaufgelöstes Bild des relativistischen Jets in dieser Quelle, wie er vom RadioAstron-Programm beobachtet wurde. Das Bild zeigt eine komplexe Struktur innerhalb des Strahls mit mehreren Filamenten im Parsec-Maßstab, die eine Helixform bilden. Das Array umfasst Daten von Radioteleskopen auf der ganzen Welt und im Erdorbit, darunter das 100-m-Radioteleskop Effelsberg. Die Daten wurden im Korrelatorzentrum des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie nachbearbeitet. Bildnachweis: NASA/DOE/Fermi LAT Collaboration; VLBA/Jorstad et al.; RadioAstron/Fuentes et al
Einblicke in Blazars
Blazare sind die hellsten und stärksten Quellen elektromagnetischer Strahlung im Kosmos. Sie sind eine Unterklasse aktiver galaktischer Kerne, bestehend aus Galaxien mit einem zentralen supermassereichen Schwarzen Loch, das Materie aus einer umgebenden Scheibe ansammelt. Etwa 10 % der aktiven galaktischen Kerne, die als Quasare klassifiziert werden, erzeugen relativistische Plasmastrahlen. Basare gehören zu einer kleinen Gruppe von Quasaren, bei denen wir sehen können, wie diese Jets fast direkt auf den Beobachter gerichtet sind.
Kürzlich hat ein Forscherteam, zu dem auch Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie (MPIfR) in Bonn gehörten, die innerste Region des Jets im Blazar 3C 279 mit einer beispiellosen Winkelauflösung abgebildet und dabei bemerkenswert regelmäßige helikale Filamente entdeckt, die möglicherweise erfordern eine Überarbeitung der bisher verwendeten theoretischen Modelle zur Erklärung der Prozesse, durch die Jets in aktiven Galaxien entstehen.
„Dank RadioAstron, der Weltraummission, bei der das umlaufende Radioteleskop Entfernungen bis zum Mond erreichte, und einem Netzwerk von 23 über die Erde verteilten Radioteleskopen haben wir das Bild mit der höchsten Auflösung vom Inneren eines Planeten erhalten „Die bisherige Entwicklung des Blazars ermöglicht es uns, die innere Struktur des Jets zum ersten Mal so detailliert zu beobachten“, sagt Antonio Fuentes, Forscher am Institut für Astrophysik Andalusiens (IAA-CSIC) in Granada, Spanien, der die Arbeit leitet.
Theoretische Implikationen und Herausforderungen
Das durch die RadioAstron-Mission geöffnete neue Fenster zum Universum hat neue Details im Plasmastrahl von 3C 279 enthüllt, einem Blazar mit einem supermassereichen Schwarzen Loch in seinem Kern. Der Jet besteht aus mindestens zwei verdrillten Plasmafilamenten, die sich mehr als 570 Lichtjahre vom Zentrum entfernt erstrecken.
„Dies ist das erste Mal, dass wir solche Filamente so nahe am Ursprung des Jets sehen, und sie verraten uns mehr darüber, wie das Schwarze Loch das Plasma formt. Der innere Jet wurde auch von zwei anderen Teleskopen, dem GMVA und dem EHT, bei viel kürzeren Wellenlängen (3,5 mm und 1,3 mm) beobachtet, aber sie konnten die Filamentformen nicht erkennen, weil sie für diese Auflösung zu schwach und zu groß waren. “, sagt Eduardo Ros, Mitglied des Forschungsteams und europäischer Planer der GMVA. „Dies zeigt, wie verschiedene Teleskope unterschiedliche Merkmale desselben Objekts offenbaren können“, fügt er hinzu.
Abbildung 2: RadioAstron VLBI-Beobachtungen liefern ein virtuelles Teleskop mit bis zu achtfachem Erddurchmesser (350.000 km maximale Basislinie). Bildnachweis: Roscosmos
Die von Blazaren kommenden Plasmastrahlen sind nicht wirklich gerade und gleichmäßig. Sie zeigen Drehungen und Wendungen, die zeigen, wie das Plasma von den Kräften um das Schwarze Loch beeinflusst wird. Die Astronomen, die diese Drehungen in 3C279, sogenannte helikale Filamente, untersuchten, stellten fest, dass sie durch Instabilitäten verursacht wurden, die sich im Jet-Plasma entwickelten. Dabei stellten sie auch fest, dass die alte Theorie, mit der sie erklärt hatten, wie sich die Jets im Laufe der Zeit veränderten, nicht mehr funktionierte. Daher sind neue theoretische Modelle erforderlich, die erklären können, wie sich solche helikalen Filamente so nahe am Strahlursprung bilden und entwickeln. Dies ist eine große Herausforderung, aber auch eine großartige Gelegenheit, mehr über diese erstaunlichen kosmischen Phänomene zu erfahren.
„Ein besonders faszinierender Aspekt unserer Ergebnisse ist, dass sie auf das Vorhandensein eines helikalen Magnetfelds hinweisen, das den Jet einschließt“, sagt Guang-Yao Zhao, derzeit Mitglied des MPIfR und Mitglied des Wissenschaftlerteams. „Deshalb könnte es das Magnetfeld sein, das sich im Uhrzeigersinn um den Jet in 3C 279 dreht und das Plasma des Jets lenkt und leitet, das sich mit einer Geschwindigkeit von 0,997-facher Lichtgeschwindigkeit bewegt.“
„Ähnliche helikale Filamente wurden schon früher in extragalaktischen Jets beobachtet, allerdings in viel größeren Maßstäben, wo man annimmt, dass sie dadurch entstehen, dass sich verschiedene Teile der Strömung mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten bewegen und gegeneinander scheren“, fügt Andrei Lobanov, ein weiterer MPIfR-Wissenschaftler im Forscherteam, hinzu . „Mit dieser Studie betreten wir ein völlig neues Terrain, in dem diese Filamente tatsächlich mit den kompliziertesten Prozessen in unmittelbarer Nähe des Schwarzen Lochs in Verbindung gebracht werden können, das den Jet erzeugt.“
Die Untersuchung des inneren Jets in 3C279, die jetzt in der neuesten Ausgabe von Nature Astronomy vorgestellt wird, erweitert die laufenden Bemühungen, die Rolle von Magnetfeldern bei der anfänglichen Bildung relativistischer Ausflüsse aus aktiven galaktischen Kernen besser zu verstehen. Es betont die zahlreichen verbleibenden Herausforderungen für die aktuelle theoretische Modellierung dieser Prozesse und zeigt die Notwendigkeit einer weiteren Verbesserung radioastronomischer Instrumente und Techniken auf, die die einzigartige Möglichkeit bieten, entfernte kosmische Objekte mit einer Rekordwinkelauflösung abzubilden.
Technologische Fortschritte und Zusammenarbeit
Mithilfe einer speziellen Technik namens Very Long Baseline Interferometry (VLBI) wird durch die Kombination und Korrelation von Daten verschiedener Radioobservatorien ein virtuelles Teleskop mit einem effektiven Durchmesser erstellt, der dem maximalen Abstand zwischen den an einer Beobachtung beteiligten Antennen entspricht. Der RadioAstron-Projektwissenschaftler Yuri Kovalev, jetzt am MPIfR, betont die Bedeutung einer gesunden internationalen Zusammenarbeit, um solche Ergebnisse zu erzielen: „Observatorien aus zwölf Ländern wurden mithilfe von Wasserstoffuhren mit der Weltraumantenne synchronisiert und bildeten so ein virtuelles Teleskop in der Größe der Entfernung zum Mond.”
Anton Zensus, Direktor des MPIfR und einer der treibenden Kräfte hinter der RadioAstron-Mission in den letzten zwei Jahrzehnten, erklärt: „Die Experimente mit RADIOASTRON, die zu Bildern wie diesen für den Quasar 3C279 führten, sind außergewöhnliche Leistungen, die durch internationale wissenschaftliche Zusammenarbeit von Observatorien möglich sind.“ und Wissenschaftler in vielen Ländern. Die Mission erforderte vor dem Start des Satelliten jahrzehntelange gemeinsame Planung. Die Erstellung der tatsächlichen Bilder wurde durch den Anschluss großer Teleskope am Boden wie Effelsberg und durch eine sorgfältige Analyse der Daten in unserem VLBI-Korrelationszentrum in Bonn möglich.“
Referenz: „Filamente Strukturen als Ursprung der Blazar-Jet-Radiovariabilität“ von Antonio Fuentes, José L. Gómez, José M. Martí, Manel Perucho, Guang-Yao Zhao, Rocco Lico, Andrei P. Lobanov, Gabriele Bruni, Yuri Y. Kovalev, Andrew Chael, Kazunori Akiyama, Katherine L. Bouman, He Sun, Ilje Cho, Efthalia Traianou, Teresa Toscano, Rohan Dahale, Marianna Foschi, Leonid I. Gurvits, Svetlana Jorstad, Jae-Young Kim, Alan P. Marscher, Yosuke Mizuno, Eduardo Ros und Tuomas Savolainen, 26. Oktober 2023, Naturastronomie.
DOI: 10.1038/s41550-023-02105-7
Weitere Informationen
Die RadioAstron-Mission Earth-to-Space Interferometer, die von Juli 2011 bis Mai 2019 aktiv war, bestand aus einem 10-Meter-Radioteleskop im Orbit (Spektr-R) und einer Sammlung von etwa zwei Dutzend der weltweit größten bodengestützten Radioteleskope, darunter das 100-m-Radioteleskop Effelsberg. Als die Signale einzelner Teleskope mithilfe der Interferenz von Radiowellen kombiniert wurden, lieferte diese Teleskopgruppe eine maximale Winkelauflösung, die einem Radioteleskop mit einem Durchmesser von 350.000 km entsprach – fast der Entfernung zwischen Erde und Mond. Damit war RadioAstron das Instrument mit der höchsten Winkelauflösung in der Geschichte der Astronomie. Das RadioAstron-Projekt wurde vom Astro Space Center des Lebedev Physical Institute der Russischen Akademie der Wissenschaften und der Lavochkin Scientific and Production Association im Rahmen eines Vertrags mit der State Space Corporation ROSCOSMOS in Zusammenarbeit mit Partnerorganisationen in Russland und anderen Ländern geleitet. Die astronomischen Daten dieser Mission werden von einzelnen Wissenschaftlern auf der ganzen Welt analysiert und liefern die hier vorgestellten Ergebnisse.
Folgende Mitarbeiter der vorgestellten Arbeit sind dem MPIfR angeschlossen, in der Reihenfolge ihres Erscheinens in der Autorenliste: Guang-Yao Zhao, Andrei P. Lobanov, Yuri Y. Kovalev, Efthalia (Thalia) Traianou, Jae-Young Kim, Eduardo Ros, und Tuomas Savolainen. Auch die Mitarbeiter Rocco Lico und Gabriele Bruni waren während der Zeit der RadioAstron-Mission dem MPIfR angegliedert.
Yuri Y. Kovalev würdigt den Friedrich Wilhelm Bessel-Forschungspreis der Alexander von Humboldt-Stiftung.