Starke Druckwelle bei Schwarzem Loch beschleunigt Teilchen

Wissenschaft In fernen Galaxien

Starke Druckwellen an Schwarzen Löchern beschleunigen 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“ (l.)

Quelle: Pablo Garcia (NASA/MSFC)

Astronomen wissen seit langem, dass die Strahlung von Blazaren von hochenergetischen, elektrisch geladenen Teilchen stammt – es ist nicht klar, wie diese Teilchen auf hohe Energie beschleunigt werden. Jetzt bringt der Röntgenblick des IXPE-Teleskops Licht ins Dunkel.

mDas supermassereiche Schwarze Loch in einer fernen Galaxie leuchtet ungewöhnlich hell. Mit Hilfe des Röntgenteleskops IXPE hat ein internationales Forscherteam nun die Ursache für eines dieser supermassereichen Objekte entdeckt: starke Druckwellen an der Peripherie des Schwarzen Lochs. Das Loch beschleunigt Elektronen auf die höchste Energie – was dazu führt, dass diese Teilchen elektromagnetische Strahlung von Radiowellen über optisches Licht bis hin zu Röntgen- und Gammastrahlen emittieren. Nun gilt es zu prüfen, ob dieser Mechanismus die Ursache des Objekts ist, so Wissenschaftler im Fachblatt „Nature“.

Fast alle Galaxien haben Schwarze Löcher in ihren Zentren, die millionen- oder milliardenfach so groß sind wie die Sonne. Die meisten dieser massiven Objekte sind lautlos, sie geben keine Strahlung ab. Aber einige sind aktiv: Gas aus der Umgebung fällt in das Schwarze Loch und sendet dabei Licht aus. Durch das oft starke Magnetfeld des Schwarzen Lochs wird ein Teil der ankommenden Materie abgelenkt und an den Polen des Schwarzen Lochs als Materiestrahlen – sogenannte Jets – weit in den Weltraum geschleudert.

Wenn das Flugzeug fast genau auf die Erde gerichtet ist, leuchtet das sich bewegende Schwarze Loch von hier aus außergewöhnlich hell als “Blazar”. Astronomen wissen seit langem, dass die Strahlung von Blazaren von hochenergetischen, elektrisch geladenen Teilchen verursacht wird – bisher war nicht klar, wie diese Teilchen auf eine so hohe Energie beschleunigt wurden. Um der Ursache auf die Spur zu kommen, müssen Wissenschaftler die Polarisation der Strahlung bestimmen – also ob die elektromagnetischen Wellen in die gewünschte Richtung schwingen oder nicht.

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„Bisher waren solche Messungen nur im Radio- und optischen Bereich möglich“, erklärten Ioannis Liodakis von der Universität Turku in Finnland und seine Kollegen. „Doch damit detektieren wir nur Teilchen, die den Beschleuniger vor einigen Tagen oder Jahren verlassen haben. Der Ursprung der Beschleunigung lässt sich nur mit Hilfe von Röntgenmessungen beobachten.“

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Das änderte sich mit dem Röntgenteleskop IXPE – Imaging X-ray Polarimetry Explorer – das am 9. Dezember 2021 von der italienischen Raumfahrtbehörde Asi und Nasa ins All geschossen wurde. Polarisationsmessungen von Röntgenstrahlen in Blazar-Jets sind nun erstmals möglich. Im März 2022 richteten Liodakis und seine Kollegen das IXPE auf den 500 Millionen Lichtjahre entfernten Markarian-Blazar 501. Die Ergebnisse dieser Beobachtungen sind „ein entscheidender Fortschritt in der Erforschung von Blazaren“, so die unabhängige Astronomin Lea Marcotulli aus Yale Universität. In den Vereinigten Staaten in “Natur”.

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Denn Messungen des Teams von Liodakis zeigten eine deutliche Polarisation der Röntgenstrahlung. „Das deutet darauf hin, dass die Stoßwelle die Ursache für die Beschleunigung der Teilchen ist“, sagt der Wissenschaftler. Als Stoßwellen bezeichnen Forscher besonders starke Druckwellen, die sich schneller ausbreiten als Schall. Diese Schockwelle entsteht, wenn Materie, die von einem Schwarzen Loch in einer Ebene gebunden und auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt wird, in ihrer Nähe auf langsameres Gas trifft.

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

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