Starke Druckwelle bei Schwarzem Loch beschleunigt Teilchen

Wissenschaft In fernen Galaxien

Eine starke Druckwelle in einem Schwarzen Loch beschleunigt Teilchen

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

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

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 unklar, wie diese Teilchen auf ihre hohe Energie beschleunigt werden. Jetzt bringt der Röntgenblick des IXPE-Teleskops Licht ins Dunkel.

MSelbst supermassereiche Schwarze Löcher in fernen Galaxien leuchten ungewöhnlich hell. Mit Hilfe des neuen Röntgenteleskops IXPE hat ein internationales Forscherteam nun für eines dieser Himmelsobjekte herausgefunden, warum: Eine starke Druckwelle in der Nähe eines Schwarzen Lochs beschleunigt Elektronen auf extrem hohe Energien – die diese Teilchen bilden elektromagnetische Strahlung aus Radiowellen über optisches Licht bis hin zu Röntgen- und Gammastrahlen. Ob dieser Mechanismus bei all diesen Objekten die Ursache ist, muss nun überprüft werden, berichten die Wissenschaftler 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 lautlos und geben keine Strahlung ab. Aber einige sind aktiv: Gas aus der Umgebung fällt in Schwarze Löcher und leuchtet dabei auf. Durch das oft starke Magnetfeld von Schwarzen Löchern wird ein Teil der einfallenden Materie abgelenkt und an den Polen der Schwarzen Löcher als Materiestrahlenbündel – sogenannte Jets – weit in den Weltraum geschleudert.

Richtet sich ein solcher Jet zufällig ziemlich genau auf die Erde, leuchtet das aktive Schwarze Loch von hier aus als „Blazar“ besonders hell. Astronomen wissen seit langem, dass die Strahlung von Blazaren von hochenergetischen, elektrisch geladenen Teilchen verursacht wird – bisher war nicht klar, wie diese Teilchen auf ihre hohe Energie beschleunigt werden. Um der Ursache auf den Grund zu gehen, müssen Wissenschaftler 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. „Damit detektieren wir allerdings nur Partikel, die den Beschleunigungsbereich schon vor vielen Tagen oder gar Jahren verlassen haben. Der Ursprung der Beschleunigung lässt sich nur mit Röntgenmessungen beobachten.“

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Das änderte sich mit dem am 9. Dezember 2021 von der italienischen Raumfahrtbehörde Asi und der NASA gestarteten Röntgen-Weltraumteleskop IXPE – Imaging X-ray Polarimetry Explorer. Erstmals sind Messungen der Röntgenpolarisation 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 sind ein “entscheidender Durchbruch in der Erforschung von Blazaren”, kommentiert die unabhängige Astronomin Lea Marcotulli von der Yale University. in den USA in “Nature”.

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Denn die Messungen von Liodakis’ Team zeigen eine signifikante Röntgenpolarisation. „Das deutet auf die Stoßwelle als Ursache der Teilchenbeschleunigung hin“, sagen die Forscher. Als Stoßwelle bezeichnen Forscher eine besonders starke Druckwelle, die sich schneller ausbreitet als der Schall. Diese Schockwelle entsteht, wenn Materie, die von einem Schwarzen Loch im Strom gebunden und fast auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigt wird, mit langsamerem Gas in der Nähe kollidiert.

Zumindest für den Blazar Markarian 501 ist klar, dass die Schockwelle als kosmischer Teilchenbeschleuniger wirkt. Bleibt die Frage, ob das bei allen Blazaren der Fall ist – oder ob es verschiedene Blazare mit unterschiedlichen Teilchenbeschleunigungsmechanismen gibt. Aber mit IXPE haben Astronomen jetzt ein Instrument, um mit Röntgenblick die Beschleunigung vieler anderer Blazare zu untersuchen und damit diese Frage zu beantworten.

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