Forschung

Kollimation kosmischer Jets unter der Lupe

29.11.2022 - Hochauflösende Beobachtungen zeigen Bildungsregion eines Jets aus einem Quasar.

Eine internationale Gruppe von Wissenschaftlern, darunter auch Astronomen des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie in Bonn, präsentiert neue Beobachtungen des ersten jemals identifizierten Quasars. Dieser Quasar mit dem Namen 3C 273 befindet sich in einer Entfernung von rund 1,9 Milliarden Lichtjahren in Richtung des Sternbilds Virgo. Die neuen hochauflösenden Radiobilder verfolgen den Jet bis hinunter zu der Region, wo sich der Jet bildet. Sie zeigen, wie die Breite des Jets mit zunehmender Entfernung vom zentralen schwarzen Loch selbst variiert.

 

Aktive supermassereiche schwarze Löcher stoßen schmale, unglaublich energiereiche Plasma­strahlen aus, die mit nahezu Licht­geschwindigkeit entweichen. Thomas Krichbaum, Astronom am Bonner Max-Planck-Institut für Radio­astronomie (MPIfR) und einer der Haupt­autoren der Arbeit, sagt: „Radiojets in Quasaren werden schon seit langem untersucht, aber die Details der Jetbildung sind immer noch nicht gut verstanden und ein aktuelles Thema der laufenden Forschung. Eine ungelöste Frage ist, wie und wo genau die Jets zu einem engen Strahl gebündelt werden, so dass sie sich bis weit über die Grenzen ihrer Wirtsgalaxie ausbreiten können. Die Astronomen wissen jetzt, dass Jets sogar die Entwicklung von Galaxien beeinflussen können. Die neuen Radio­beobachtungen dringen bis zu 0,5 Lichtjahre tief in das Herz von 3C 273 vor, in die Region nahe dem schwarzen Loch, in der der Jet-Plasmastrom zu einem schmalen Strahl kollimiert wird.“

Die neue Studie umfasst Beobachtungen des Jets von 3C 273 mit der bisher höchsten Winkel­auflösung. Diese bahnbrechende Arbeit wurde durch den Einsatz eng miteinander koordinierter Radio­teleskope rund um den Globus ermöglicht, einer Kombination aus dem „Global Millimeter VLBI Array“ (GMVA) und dem „Atacama Large Millimeter/submillimeter Array“ (ALMA) in Chile. Darüber hinaus haben die Forscher ebenfalls koordinierte Beobachtungen mit dem „High Sensitivity Array“ (HSA) durchgeführt, um die Untersuchung von 3C 273 auf einen größeren Maßstab auszudehnen und die Expansion und Form des Jets auch bei größeren Entfernungen vom Quasarkern zu bestimmen. Die diesem Forschungs­projekt zu Grunde liegenden Messdaten wurden im Frühjahr 2017 aufgezeichnet, etwa zur gleichen Zeit wie die Beobachtungen des Event Horizon Telescope (EHT), die die ersten Bilder eines schwarzen Lochs im Zentrum von M87 enthüllten, einer Radiogalaxie, die etwa zwanzig Mal näher ist als 3C 273.

Das MPIfR ist federführendes Institut für den Betrieb des GMVA. Die Daten werden im Korrelator­zentrum des Instituts verarbeitet, und die Beobachtungen werden vom Institut aus koordiniert.

„3C 273 wird seit Jahrzehnten als ideales, nahe gelegenes Labor für die Untersuchung von Quasar-Jets betrachtet“, sagt Hiroki Okino, Hauptautor dieser Arbeit und Doktorand an der Universität von Tokio und dem National Astronomical Observatory of Japan. „Doch obwohl der Quasar relativ nah ist, hatten wir bis vor kurzem kein Beobachtungs­instrument, das Bilder erzeugen konnte, die scharf genug waren, um zu sehen, wie sich dieser schmale und starke Plasmastrom bildet.“

Das Bild des Jets von 3C 273 ermöglicht den Wissenschaftlern einen allerersten Blick in den innersten Teil des Jets in einem Quasar, dort wo die Kollimation oder Bündelung des Plasma­strahls stattfindet. Das Team fand außerdem heraus, dass sich der Öffnungs­winkel des Plasma­stroms, der vom schwarzen Loch weg fließt, langsam verengt. Dieser sich verengende Teil des Strahls setzt sich unglaublich weit fort, weit über den Bereich hinaus, in dem die Schwer­kraft des schwarzen Lochs dominiert.

„Es ist erstaunlich zu sehen, wie sich die Form des mächtigen Plasma­stroms in einem extrem aktiven Quasar langsam und über eine große Entfernung ändert. Dies wurde auch in der Nähe von viel schwächeren und weniger aktiven super­massereichen schwarzen Löchern beobachtet“, sagt Kazunori Akiyama, Forscher am MIT-Haystack-Observatorium und Leiter des Forschungs­projekts. „Die Ergebnisse werfen eine neue Frage auf: Wie kommt es, dass die Jet-Kollimation in derart unterschiedlichen Systemen schwarzer Löcher so gleichmäßig verläuft?“

Die neuen, extrem scharfen Bilder des Jets 3C 273 wurden durch die Einbeziehung des ALMA-Interferometers ermöglicht, das bei diesen Messungen wie ein einziges großes Radio­teleskop funktioniert. Das GMVA und ALMA wurden über Kontinente hinweg mit einer Technik namens „Very Long Baseline Interferometry“ (VLBI) verbunden, um sehr detaillierte Informationen auch von weit entfernten astronomischen Quellen zu erhalten. Die bemerkens­werte VLBI-Fähigkeit von ALMA wurde durch das „ALMA Phasing Project“ (APP) -Team ermöglicht. Das internationale APP-Team unter der Leitung des MIT-Haystack-Observatoriums und des MPIfR entwickelte die Hard- und Software, um ALMA, ein Array von 66 Teleskopen, in die empfindlichste astronomische Interferometrie­station der Welt zu verwandeln. Die Einbeziehung von ALMA in das Beobachtungs­netzwerk erhöht die Auflösung und Empfindlichkeit des VLBI-Arrays erheblich. Diese Fähigkeit war nicht nur für das GMVA von grund­legender Bedeutung, sondern auch für die Kartierung von schwarzen Löchern mit dem Event Horizon Telescope.

Anton Zensus, Direktor am MPIfR und Mitautor der vorliegenden Arbeit, fasst zusammen: „Der Beitritt von ALMA zu den globalen VLBI-Netzwerken markiert einen Wendepunkt für die Erforschung schwarzer Löcher. Damit ist es zum ersten Mal möglich, Bilder von super­massereichen schwarzen Löchern erhalten, und jetzt hilft es uns in Beobachtungs­objekten wie 3C 273, zum ersten Mal im Detail zu erforschen, wie schwarze Löcher ihre Jets antreiben, und das selbst bei weit entfernten Galaxien.“

MPIfR / DE
 

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