Quelle: Max-Planck-Institut für Radioastronomie 26. Oktober 2023.

26. Oktober 2023 – Mit Hilfe eines Verbunds von Radioteleskopen auf der Erde und im Weltraum haben Astronomen das bisher detaillierteste Bild eines Plasma-Jets aufgenommen, der aus der direkten Umgebung eines supermassereichen Schwarzen Lochs im Herzen einer weit entfernten Galaxie herausschießt. Der Teilchenstrahl aus dem Zentrum eines fernen Blazars mit der Bezeichnung 3C 279 bewegt sich nahezu mit Lichtgeschwindigkeit und zeigt in der Nähe seines Ursprungs komplexe, in sich verdrehte Muster. Diese Muster stellen die seit 40 Jahren etablierte Theorie in Frage, die verwendet wird, um zu erklären, wie diese Jets entstehen und wie sie sich mit der Zeit verändern. Ein wesentlicher Beitrag zu den Beobachtungen kommt vom 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.

Die Ergebnisse werden in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift „Nature Astronomy“ veröffentlicht.

Blazare gehören zu den hellsten und stärksten Quellen elektromagnetischer Strahlung im Kosmos. Sie sind eine Unterklasse aktiver galaktischer Kerne, zu denen Galaxien mit einem zentralen supermassereichen Schwarzen Loch gehören, das Materie aus einer umgebenden Scheibe akkretiert: den Quasaren. Etwa 10 % der aktiven galaktischen Kerne, die als Quasare klassifiziert werden, erzeugen relativistische Plasmajets. Blazare gehören zu einem kleinen Teil der Quasare, bei denen wir diese Jets fast direkt auf den Beobachter gerichtet sehen können. Kürzlich hat ein Forscherteam unter Beteiligung des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie (MPIfR) in Bonn den innersten Bereich des Jets im Blazar 3C 279 mit einer noch nie dagewesenen Winkelauflösung abgebildet und dabei bemerkenswert regelmäßige Filamente entdeckt, die eine Korrektur der bisher verwendeten theoretischen Modelle erforderlich machen könnten, die erklären, durch welche Prozesse die Jets in aktiven Galaxien erzeugt werden.

„Dank der Weltraummission RadioAstron, bei der das Radioteleskop in der Erdumlaufbahn Entfernungen bis zum Mond erreichte, in Verbindung mit einem Netzwerk von dreiundzwanzig über die Erde verteilten Radioteleskopen haben wir das bisher höchstaufgelöste Bild vom Inneren eines Blazars erhalten, das es uns ermöglicht, die innere Struktur des Jets zum ersten Mal so detailliert zu beobachten“, erklärt Antonio Fuentes, ein Forscher am Institut für Astrophysik von Andalusien (IAA-CSIC) in Granada, Spanien, der die Arbeit leitete.

Das neue Fenster zum Universum, das die RadioAstron-Mission geöffnet hat, hat neue Details im Plasmajet von 3C 279 enthüllt, einem Blazar mit einem supermassereichen Schwarzen Loch in seinem Kern. Der Jet besteht aus mindestens zwei miteinander verdrillten Plasmasträngen, die sich über mehr als 570 Lichtjahre vom zentralen Schwarzen Loch aus ins All erstrecken. „Das ist das erste Mal, dass wir solche Filamente so nahe am Ursprung des Jets gesehen haben, und sie verraten uns mehr darüber, wie das Schwarze Loch das Plasma formt. Der innere Jet wurde auch von zwei anderen Teleskopnetzwerken, dem Global mm-VLBI Array und dem Event-Horizon-Teleskop, bei viel kürzeren Wellenlängen (3,5 mm bzw. 1,3 mm) beobachtet, aber sie waren nicht in der Lage, die filamentartigen Formen zu erkennen, weil sie zu schwach in der Strahlung und zu ausgedehnt für diese Auflösung waren“, sagt Eduardo Ros, Mitglied des Forschungsteams und europäischer Planer für das GMVA. „Dies zeigt, wie verschiedene Teleskope unterschiedliche Merkmale desselben Objekts aufdecken können“, fügt er hinzu.

Die Plasmastrahlen, die von Blazaren ausgehen, sind nicht wirklich geradlinig und gleichmäßig. Sie weisen Drehungen und Wendungen auf, die zeigen, wie das Plasma durch die Kräfte um das Schwarze Loch herum beeinflusst wird. Die Astronomen, die diese Drehungen in 3C 279 untersuchten, fanden heraus, dass sie durch Instabilitäten verursacht werden, die sich im Plasma-Jet entwickeln. Dabei stellten sie auch fest, dass die bisherige Theorie, um zu erklären, wie sich die Jets im Laufe der Zeit verändern, nicht mehr funktioniert. Daher werden neue theoretische Modelle benötigt, die zeigen, wie sich helixförmige Filamente so nahe am Ursprung des Jets bilden und entwickeln können. Dies ist eine große Herausforderung, aber auch eine große Chance, mehr über diese erstaunlichen kosmischen Phänomene zu erfahren.

„Ein besonders faszinierender Aspekt unserer Ergebnisse ist, dass sie auf das Vorhandensein eines spiralförmigen Magnetfeldes hindeuten, das den Jet einschließt“, sagt Guang-Yao Zhao, derzeit am MPIfR tätig und Mitglied des Wissenschaftlerteams. „Es könnte also das Magnetfeld sein, das sich im Uhrzeigersinn um den Jet in 3C 279 dreht, mit dem das Plasma des Jets, das sich mit 0,997-facher Lichtgeschwindigkeit bewegt, gelenkt und geleitet wird.“

„Ähnliche spiralförmige Filamente wurden schon früher in extragalaktischen Jets beobachtet, allerdings auf viel größerer Skala, wo man annimmt, dass sie aus verschiedenen Teilen der Strömung resultieren, die sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten bewegen und gegeneinander scheren“, fügt Andrei Lobanov, ein weiterer MPIfR-Wissenschaftler im Team, hinzu. „Mit dieser Studie betreten wir ein völlig neues Terrain, in dem diese Filamente tatsächlich mit den kompliziertesten Prozessen in der unmittelbaren Umgebung des Schwarzen Lochs, das den Jet erzeugt, in Verbindung gebracht werden können.“

Die Untersuchung des zentralen Jets in 3C 279, die jetzt in der aktuellen Ausgabe von „Nature Astronomy“ vorgestellt wird, erweitert die laufenden Bemühungen um ein besseres Verständnis der Rolle von Magnetfeldern bei der ursprünglichen Bildung relativistischer Ausströmungen aus aktiven galaktischen Kernen. Sie unterstreicht die zahlreichen verbleibenden Herausforderungen für die theoretische Modellierung dieser Prozesse und zeigt die Notwendigkeit einer weiteren Verbesserung der radioastronomischen Instrumente und Techniken, die die einzigartige Möglichkeit bieten, entfernte kosmische Objekte mit einer Rekord-Winkelauflösung abzubilden

Mit Hilfe einer speziellen Technik, der so genannten Very Long Baseline Interferometry (VLBI), wird ein virtuelles Teleskop mit einem effektiven Durchmesser, der dem maximalen Abstand zwischen den an einer Beobachtung beteiligten Antennen entspricht, durch die Kombination und Korrelation von Daten aus verschiedenen Radioobservatorien erstellt. Der Projektwissenschaftler von RadioAstron, Yuri Kovalev, der jetzt am MPIfR arbeitet, betont, wie wichtig eine gute internationale Zusammenarbeit ist, um solche Ergebnisse zu erzielen: „Observatorien aus zwölf Ländern wurden mit Hilfe von Atomuhren mit der Weltraumantenne synchronisiert und bilden so ein virtuelles Teleskop in der Größe des Abstands zum Mond.“

Anton Zensus, Direktor am MPIfR und eine der treibenden Kräfte hinter der RadioAstron-Mission während der letzten zwei Jahrzehnte, sagt dazu: „Die Experimente mit RADIOASTRON, die zu Bildern wie diesen vom Quasar 3C 279 geführt haben, sind außergewöhnliche Leistungen, die durch die internationale wissenschaftliche Zusammenarbeit von Observatorien und Wissenschaftlern in vielen Ländern möglich wurden. Die Mission wurde jahrzehntelang gemeinsam geplant, bevor der Satellit gestartet wurde. Die eigentlichen Bilder wurden durch die Verbindung von Großteleskopen am Boden wie Effelsberg und durch eine sorgfältige Analyse der Daten in unserem VLBI-Korrelationszentrum in Bonn möglich.“

Weitere Informationen
Die Weltraum-Interferometer-Mission RadioAstron, die von Juli 2011 bis Mai 2019 aktiv war, bestand aus einem 10-Meter-Radioteleskop in einer Umlaufbahn um die Erde (Spektr-R), ergänzt durch etwa zwei Dutzend der weltweit größten bodengebundenen Radioteleskope, darunter das 100-Meter-Radioteleskop Effelsberg. Wenn die Signale der einzelnen Teleskope durch die Interferenz von Radiowellen kombiniert werden, bietet eine solche Anordnung von Teleskopen eine maximale Winkelauflösung, die der eines Radioteleskops mit einem Durchmesser von 350.000 km entspricht – fast die 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 Physikalischen Instituts Lebedew der Russischen Akademie der Wissenschaften und der Lavochkin Scientific and Production Association im Rahmen eines Vertrags mit der staatlichen Raumfahrtgesellschaft ROSCOSMOS in Zusammenarbeit mit Partnerorganisationen in Russland und anderen Ländern durchgeführt. Die astronomischen Daten dieser Mission werden von einzelnen Wissenschaftlern auf der ganzen Welt ausgewertet und führen zu Ergebnissen wie den hier vorgestellten.

Folgende Mitarbeiter des Forscherteams sind mit dem MPIfR affiliiert, in der Reihenfolge ihres Erscheinens auf der Autorenliste: Guang-Yao Zhao, Andrei P. Lobanov, Yuri Y. Kovalev, Efthalia (Thalia) Traianou, Jae-Young Kim, Eduardo Ros, und Tuomas Savolainen. Rocco Lico und Gabriele Bruni waren während der RadioAstron-Mission ebenfalls mit dem MPIfR affiliiert.

Yuri Y. Kovalev dankt für den Friedrich Wilhelm Bessel-Forschungspreis der Alexander von Humboldt-Stiftung.

Originalveröffentlichung
The filamentary internal structure of the 3C 279 blazar jet
Antonio Fuentes et al., in: Nature Astronomy (26. Oktober 2023).
DOI: 10.1038/s41550-023-02105-7
https://www.nature.com/articles/s41550-023-02105-7

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• Schwarze Löcher

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Quelle: Max-Planck-Institut für Radioastronomie 31. August 2023.

31. August 2023 – Ein internationales Team von Forscherinnen und Forschern unter der Leitung von Silke Britzen vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn hat Blazare untersucht, dabei handelt es sich um akkretierende supermassereiche schwarze Löcher in den Zentren von Galaxien. Blazare sind Objekte, bei denen einer der von dem aktiven galaktischen Kern emittierten Jets direkt auf die Erde gerichtet ist. Die Forscher können nachweisen, dass die beobachtete Variabilität der Blazare auf die Präzession der Jet-Quelle zurückzuführen ist, die entweder durch die Anwesenheit eines zweiten massereichen Schwarzen Lochs in der Nähe des primären Schwarzen Lochs oder durch eine verkrümmte Akkretionsscheibe um ein einzelnes Schwarzes Loch verursacht wird.

Mit dem Begriff „Blazar“ bezeichnen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler eines der dramatischsten Beispiele im Zoo von aktiven galaktischen Kernen (AGN), also akkretierenden supermassereichen Schwarzen Löchern in den Zentren von Galaxien. Blazare heißen die Schwarzen Löcher, deren Jet direkt auf die Erde gerichtet ist.

Die Ergebnisse der jahrzehntelangen Untersuchungen von Blazaren wurden stets so interpretiert, dass die häufige und deutliche Aufhellung dieser Quellen, die so genannte Flare-Aktivität, mit dem Ausstoß von Jet-Komponenten aus dem Kern in den Jet verbunden ist, was zu einer plötzlich verstärkten Emission führt.

Jets von Blazaren sind oft gekrümmt und nicht so linear ausgerichtet, wie man es erwarten könnte. Man nimmt an, dass gewundene Jetstrukturen mit dem Ausstoß von Komponenten aus dem Kern zusammenhängen. Es wurde vermutet, dass sowohl die gewundenen Jets als auch die Aufhellung der Zentralquelle einen zufälligen Ursprung haben – abhängig von der Fütterung des Schwarzen Lochs. Im Laufe der Jahre haben jedoch immer detailliertere Beobachtungsergebnisse Zweifel an diesem möglicherweise zu einfach angesetzten Zusammenhang aufkommen lassen.

Eine neue Veröffentlichung im „Astrophysical Journal“ stellt die angenommene Beziehung zwischen Ausstoß und Aufflackern für die hellen und stark veränderlichen Blazare in Frage. „Wir präsentieren Beweise und diskutieren die Möglichkeit, dass die tatsächliche Ursache eine Präzession der Jet-Quelle ist, die entweder durch ein supermassereiches binäres Schwarzes Loch am Fußpunkt des Jets oder – weniger wahrscheinlich – durch eine gekrümmte Akkretionsscheibe um ein einzelnes Schwarzes Loch verursacht wird, die für die beobachtete Variabilität verantwortlich ist“, sagt Silke Britzen vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn, die Erstautorin der Untersuchung.

Wenn Jets aufgrund der Präzession herumwirbeln, führt diese Bewegung aufgrund des Doppler-Effekts zu periodischen Änderungen der Intensität (siehe Abb. 1 oben für eine vereinfachte Darstellung des Effekts). Dieser Effekt wurde bei einer Reihe von Jets in aktiven Galaxienkernen über viele Jahre hinweg festgestellt.

Für OJ 287 – den besten Kandidaten für ein binäres supermassereiches Schwarzes Loch – konnten Silke Britzen und ihr Team in ihrer „Rosetta“-Veröffentlichung die Präzession als Ursache für die starken Helligkeitsschwankungen und die Jet-Biegung nachweisen. Erst kürzlich wurden Vorhersagen aus ihrer Veröffentlichung von Komossa et al. bestätigt (siehe MPIfR-Pressemitteilung vom 23. Februar 2023).

Die Autoren haben das gleiche Modell nun auch auf andere Blazare angewendet. Für eine Stichprobe von 12 prominenten AGN zeigen ihre Ergebnisse, dass die Variabilität in der Helligkeit und in der Jet-Krümmung tatsächlich durch den Einfluss der Präzession erklärt werden kann.

Die Autoren bezweifeln nicht, dass die zugrundeliegende und schwer zu erforschende Jet-Physik auch durch interne Wechselwirkungen im Jet verursacht werden kann, die durch das so genannte Schock-in-Jet-Modell, durch Instabilitäten im Jet-Strahl oder durch energetische magnetische Rekonnexionen erklärt werden können. Allerdings wird das Aussehen der Jets durch die Präzession stark moduliert und verändert. Jets würden nicht so gekrümmt und so hell erscheinen, wäre die Präzession nicht am Werk.

Mit dem Wissen um die Auswirkungen der Präzession kann nun das Zusammenspiel eines kinematischen Systems erforscht werden, das im Wesentlichen vorhersagbar ist, da es geometrisch verstanden und modelliert werden kann (siehe Abb. 2 rechts und Video / Animation unten).

„Die Blazar-Variabilität in vielen Galaxien dürfte überwiegend nicht stochastischer, sondern eher deterministischer Natur sein“, ergänzt Silke Britzen. „Es ist faszinierend, das Innenleben der Maschinerie aktiver Galaxienkerne mit Hilfe von Variabilitätsstudien zu entschlüsseln.“

Eine der wichtigsten Folgerungen aus dieser Studie ist, dass die Krümmung des Jets wahrscheinlich ein Hinweis auf die Existenz von binären Schwarzen Löchern im Zentrum dieser Galaxien ist. So wird der Jet durch den Gravitationseinfluss eines zweiten Schwarzen Lochs auf das den Jet erzeugende Schwarze Loch zu einer mäandernden Bewegung gezwungen. Es gelang dem Team auch, Spuren einer Nutationsbewegung kleinerer Amplitude in den Radio-Lichtkurven sowie in der Kinematik der Jet-Komponenten nachzuweisen – das ist ein Effekt zweiter Ordnung und ein weiterer Beweis für die Präzession.

„Die Physik von Akkretionsscheiben und Jets ist ziemlich komplex, aber ihre Hauptkinematik kann mit einfachen Kreiseln verglichen werden – wenn man ein externes Drehmoment auf eine Akkretionsscheibe ausübt, zum Beispiel durch ein umlaufendes sekundäres Schwarzes Loch, wird sie eine Präzessions- und ebenso eine Nutationsbewegung ausführen, und mit ihr auch der Jet. Das ist ähnlich wie bei der Rotationsachse der Erde, die von Mond und Sonne beeinflusst wird“, fügt Michal Zajaček von der Masaryk-Universität (Brünn, Tschechische Republik), ein Mitautor der Studie, hinzu.

Radiobeobachtungen erreichen die höchste Auflösung bei astronomischen Beobachtungen, indem Radioteleskope über sehr große Entfernungen mit der „Very Long Baseline Radio Interferometry“ (VLBI) verbunden werden. Dies ist die gleiche Technik, die es dem Event-Horizon-Teleskop (EHT) ermöglichte, zum ersten Mal den Schatten eines Schwarzen Lochs abzubilden und das 6,5 Milliarden Sonnenmassen umfassende Schwarze Loch im Zentrum der Galaxie M87 zu beobachten.

Die Suche nach engen Paaren supermassereicher Schwarzer Löcher läuft seit Jahrzehnten und gleicht der Suche nach einer Stecknadel im Heuhaufen.

„Noch fehlt uns die ausreichende Auflösung, um die Existenz von supermassereichen binären Schwarzen Löchern direkt nachzuweisen. Aber die Präzession ihrer Jets scheint die beste Signatur solcher Objekte zu sein, deren Existenz nicht nur von Forschergruppen im Bereich Schwarze Löcher und AGNs erwartet wird, sondern auch im Bereich der Gravitationswellen, wo erst vor kurzem Beweise für die Existenz eines kosmischen Gravitationshintergrunds veröffentlicht wurden, der auf die Gravitationswellen zurückzuführen ist, die bei der Verschmelzungen massereicher Schwarzer Löcher im Laufe der kosmischen Geschichte ausgesandt werden“, schließt Silke Britzen.

Weitere Informationen:
Supermassereiche Schwarze Löcher befinden sich in der Regel in den Zentren von Galaxien. In aktiven Galaxien wird davon ausgegangen, dass die Akkretion von Materie auf das zentrale Schwarze Loch die enormen Energiemengen erzeugt, die die gesamte Galaxie überstrahlen können – das macht solche zentralen Regionen, die als Aktive Galaktische Kerne (AGN) bezeichnet werden, zu den leuchtkräftigsten, beständigen Quellen im Universum.

Ausgedehnte, bipolare Plasmastrahlen, die sich mit relativistischer Geschwindigkeit bewegen, so genannte Jets, werden durch ein starkes Magnetfeld aus der Zentralregion eines supermassereichen Schwarzen Lochs ausgestoßen.

Es wird beobachtet, dass sich helle Flecken im Jet, so genannte Jet-Komponenten, in den Jets mitbewegen. Diese Komponenten scheinen sich oft mit Überlichtgeschwindigkeit zu bewegen. Das steht jedoch nicht im Widerspruch zu Einsteins Spezieller Relativitätstheorie, da es sich leicht durch einen bekannten relativistischen Projektionseffekt erklären lässt. Da sich das Strahlmaterial mit Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit bewegt und auf den Beobachter gerichtet ist, erscheint die beobachtete Geschwindigkeit erhöht, da sich die beobachtete Ankunftszeit des Lichts verkürzt, wenn sich die Komponente auf den Beobachter zubewegt. Gleichzeitig wird die Intensität durch so genanntes relativistisches Beaming verstärkt, was auf verschiedene Weise überprüft werden kann, z. B. durch die Untersuchung der Helligkeitsänderung in den Jets. Die physikalischen Prozesse, die erklären, wie diese Komponenten entstehen, sind noch unbekannt.

Das Forscherteam umfasst Silke Britzen, Michal Zajaček, Gopal-Krishna, Christian Fendt, Emma Kun, Frédéric Jaron, Aimo Sillanpää, und Andreas Eckart. Silke Britzen und Andreas Eckart haben beide eine MPIfR-Zugehörigkeit.

Originalveröffentlichung:
Precession-induced Variability in AGN Jets and OJ 287
S. Britzen et al., in The Astrophysical Journal, 951, 106. DOI: 0.3847/1538-4357/accbbc,
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/accbbc,
pdf: https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/accbbc/pdf.

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• Schwarze Löcher

Der Beitrag Überzeugende Spur zu supermassereichen binären Schwarzen Löchern in aktiven galaktischen Kernen erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: Max-Planck-Institut für Radioastronomie 23. Februar 2023.

23. Februar 2023 – Eine internationale Forschungsgruppe unter der Leitung von Stefanie Komossa vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn präsentiert wichtige neue Ergebnisse zur Galaxie OJ 287, die auf den bisher dichtest getakteten und längsten Beobachtungen vom Radio- bis zum Hochenergiefrequenzbereich basieren. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler waren in der Lage, entscheidende Tests von Modellvorhersagen durchzuführen, die ein Paar Schwarzer Löcher im Zentrum dieser Galaxie beschreiben. Dazu wurden verschiedene Beobachtungsinstrumente wie das Radioteleskop Effelsberg und das Neil-Gehrels-Swift-Observatorium eingesetzt. Zum ersten Mal wurde eine unabhängige Bestimmung der Masse des Schwarzen Lochs durchgeführt und der Anteil der Materie in der umgebenden Akkretionsscheibe konnte abgeschätzt werden.

Die Resultate zeigen, dass ein außergewöhnlich großes Schwarzes Loch von mehr als 10 Milliarden Sonnenmassen nicht mehr erforderlich ist. Stattdessen sprechen die Ergebnisse für Modelle mit einer kleineren Masse des primären Schwarzen Lochs in der Größenordnung von 100 Millionen Sonnenmassen. Mehrere bisher nicht gelöste Rätsel, darunter das scheinbare Ausbleiben des letzten großen Strahlungsausbruchs von OJ 287 (der jetzt identifiziert wurde) und der viel diskutierte Emissionsmechanismus während der Hauptausbrüche, können auf diese Weise geklärt werden. Zusätzlich konnten Ergebnisse zur Blazar-Physik gewonnen werden, die Prozesse in der Nähe der Startregion des Jets aufzeigen.

Diese Ergebnisse sind von großer Bedeutung für die theoretische Modellierung von engen Paaren supermassereicher Schwarzen Löcher und ihrer Entwicklung, für das Verständnis des Zusammenspiels von Akkretion und der Entstehung von Jets Schwarzer Löcher, für künftige Pulsar-Timing-Messungen und den Nachweis von Gravitationswellen aus diesem System mit weltraumgestützten Observatorien sowie für eine direkte räumliche Auflösung dieses Systems mit dem Event-Horizon-Teleskop oder dem künftigen SKA-Observatorium.

Die Präsentation der Ergebnisse erfolgt in zwei aktuellen Veröffentlichungen in den Fachzeitschriften „MNRAS Letters“ und „The Astrophysical Journal“.

Blazare sind Galaxien mit starken, langlebigen Jets aus relativistischen Teilchen, die in unmittelbarer Nähe ihres zentralen supermassereichen Schwarzen Lochs ausgestoßen werden.

Wenn zwei Galaxien kollidieren und miteinander verschmelzen, entstehen supermassereiche binäre Schwarze Löcher. Solche Binärsysteme sind von großem Interesse, da sie eine Schlüsselrolle bei der Entwicklung von Galaxien und dem Wachstum von Schwarzen Löchern spielen. Außerdem sind miteinander verschmelzende Binärsysteme die stärksten Quellen von Gravitationswellen im Universum. Die künftige Satellitenmission LISA („Laser Interferometer Space Antenna“) der Europäischen Raumfahrtagentur (ESA) zielt auf den direkten Nachweis solcher Wellen ab. Die Suche nach Systemen binärer Schwarzer Löcher ist derzeit in vollem Gange.

OJ 287 ist ein heller Blazar in Richtung des Sternbilds Krebs in einer Entfernung von ca. 5 Milliarden Lichtjahren. Er ist einer der besten Kandidaten für ein kompaktes binäres supermassereiches Schwarzes Loch. Das Markenzeichen von OJ 287 sind außergewöhnliche Strahlungsausbrüche, die sich alle 11 bis 12 Jahre wiederholen. Einige dieser Ausbrüche sind so intensiv, dass OJ 287 vorübergehend zum hellsten Blazar am Himmel wird. Die sich wiederholenden Ausbrüche sind so bemerkenswert, dass in der Literatur eine Reihe verschiedener Binärmodelle zur Erklärung dieser Ausbrüche vorgeschlagen wurden. Da ein zweites Schwarzes Loch im System das massereichere Schwarze Loch umkreist, stört es entweder den Jet oder die Akkretionsscheibe des massereicheren Schwarzen Lochs und ruft auf diese Weise eine periodische Modulation der Helligkeit von OJ 287 hervor.

Bislang gab es jedoch keine direkte, unabhängige Bestimmung der Masse des primären Schwarzen Lochs, und keines der Modelle konnte in systematischen Beobachtungskampagnen kritisch geprüft werden, da diese Kampagnen über keine breitbandige Abdeckung der Strahlung in vielen verschiedenen Frequenzen verfügten. Zum ersten Mal wurden nun zahlreiche Sätze von gleichzeitigen Röntgen-, UV- und Radiobeobachtungen sowie optischer und Gammastrahlenbänder genutzt. Ermöglicht wurden die neuen Erkenntnisse durch das MOMO-Projekt („Multiwavelength Observations and Modelling of OJ 287“), das eine der dichtesten und am längsten andauernden Mehrfrequenz-Beobachtungskampagnen aller Blazare, die auch Röntgenstrahlung einbeziehen, darstellt, außerdem die dichteste jemals für OJ 287 durchgeführte Beobachtungskampagne.

„OJ 287 ist ein exzellentes Labor, um die physikalischen Bedingungen zu untersuchen, die in einer der extremsten astrophysikalischen Umgebungen herrschen: Scheiben und Jets von Materie in unmittelbarer Nähe von einem oder zwei supermassereichen Schwarzen Löchern“, sagt Stefanie Komossa vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR), die Erstautorin der beiden hier vorgestellten Studien. „Deswegen haben wir das Projekt MOMO initiiert. Es bedient sich dicht getakteter Beobachtungen von OJ 287 bei mehr als 14 Frequenzen vom Radio- bis zum Hochenergiebereich, die sich über Jahre erstrecken, sowie spezieller Nachbeobachtungen von mehreren boden- und weltraumgestützten Observatorien aus, wenn der Blazar in außergewöhnlichen Zuständen gefunden wird.“

„Tausende von Datensätzen wurden bereits aufgenommen und ausgewertet. Das macht OJ 287 zu einem der am besten überwachten Blazare im UV-Röntgen-Radio-Bereich“, fügt Ko-Autor Alex Kraus vom MPIfR hinzu. „Das Radioteleskop Effelsberg und die Weltraummission Swift spielen eine zentrale Rolle in dem Projekt.“

Das Radioteleskop Effelsberg liefert Informationen über ein breites Spektrum von Radiofrequenzen, während das Neil-Gehrels-Swift-Observatorium genutzt wird, um gleichzeitig UV-, optische und Röntgendaten zu erhalten. Hochenergetische Gammastrahlendaten vom Fermi-Observatorium sowie Radiodaten vom Submillimeter Array (SMA) auf dem Maunakea/Hawaii wurden ebenfalls benutzt.

In der Regel dominiert der Jet die elektromagnetische Strahlung von OJ 287. Der Jet ist so hell, dass er die Strahlung der Akkretionsscheibe (die Strahlung der Materie, die in das Schwarze Loch fällt) überstrahlt, so dass es schwierig bis unmöglich ist, die Emission der Akkretionsscheibe zu beobachten. Das ist so, als würde man direkt in einen Autoscheinwerfer schauen. Aufgrund der großen Anzahl von MOMO-Beobachtungen, die das Licht von OJ 287 in einem dichten Rhythmus abdeckten (fast jeden zweiten Tag eine neue Beobachtung mit Swift), wurden jedoch „Deep Fades“ entdeckt. Dabei handelt es sich um Zeiten, in denen die Jet-Emission stark abklingt. Dadurch wird es den Forschern möglich, die Emission aus der Akkretionsscheibe einzugrenzen. Die Ergebnisse zeigen, dass die Materiescheibe, die das Schwarze Loch umgibt, mindestens um einen Faktor 10 schwächer ist als bisher angenommen, mit einer geschätzten Leuchtkraft von nicht mehr als 2 x 10⁴⁶ erg/s, was etwa dem 5-Billionenfachen der Leuchtkraft unserer Sonne (5 x 10¹² Lʘ) entspricht.

Zum ersten Mal wurde die Masse des primären Schwarzen Lochs von OJ 287 aus der Bewegung der an das Schwarze Loch gebundenen gasförmigen Materie abgeleitet. Die Masse beträgt das Hundertmillionenfache der Masse unserer Sonne. „Dieses Ergebnis ist sehr wichtig, denn die Masse ist ein Schlüsselparameter in den Modellen, die die Entwicklung eines solchen Binärsystems untersuchen: Wie weit sind die Schwarzen Löcher voneinander entfernt, wie schnell werden sie verschmelzen, wie stark ist ihr Gravitationswellensignal“, kommentiert Dirk Grupe von der Northern Kentucky University (USA), ein Mitautor beider Studien.

„Die neuen Ergebnisse deuten darauf hin, dass eine außergewöhnlich große Masse für das Schwarze Loch von OJ 287, die 10 Milliarden Sonnenmassen übersteigt, nicht mehr erforderlich ist, ebenso wenig wie eine besonders leuchtkräftige Materiescheibe um das Schwarzen Loch“, fügt Thomas Krichbaum vom MPIfR hinzu, ein Mitautor des ApJ-Artikels. Die Ergebnisse sprechen eher für ein Binär-Modell mit geringerer Masse.

Die Studie löst auch zwei seit langem diskutierte Rätsel: das scheinbare Fehlen des letzten der hellen Ausbrüche, für die OJ 287 berühmt ist, und den Emissionsmechanismus hinter den Ausbrüchen. Die MOMO-Beobachtungen ermöglichen es, den Zeitpunkt des letzten Ausbruchs genau festzulegen. Er ereignete sich nicht im Oktober 2022, wie es das Modell mit riesiger Schwarz-Loch-Masse vorhergesagt hatte, sondern in den Jahren 2016-2017, die von MOMO umfassend erfasst wurden. Darüber hinaus zeigen Radiobeobachtungen mit dem 100-Meter-Teleskop in Effelsberg, dass diese Ausbrüche nicht-thermischer Natur sind. Das bedeutet, dass Jet-Prozesse die Energiequelle der Ausbrüche sind.

Die MOMO-Ergebnisse haben Auswirkungen auf gegenwärtige und künftige Suchstrategien nach weiteren Binärsystemen dieser Art mit Hilfe großer Observatorien wie dem Event-Horizon-Teleskop und in Zukunft dem SKA-Observatorium. Sie könnten in Zukunft den direkten Radionachweis und die räumliche Auflösung der beiden Schwarzen Löcher in OJ 287 und ähnlichen Systemen sowie den Nachweis von Gravitationswellen von diesen Systemen ermöglichen. OJ 287 wird aufgrund der abgeleiteten Masse des primären Schwarzen Lochs von 100 Millionen Sonnenmassen nicht mehr als Zielquelle für Pulsar-Timing-Arrays dienen, wird aber (während des Verschmelzens) in der Reichweite zukünftiger weltraumgestützter Observatorien liegen.

„Unsere Ergebnisse sind von großer Bedeutung für die theoretische Modellierung von binären supermassereichen Schwarzen Löchern und ihrer Entwicklung, für das Verständnis der Physik der Akkretion und des Materieauswurfs in der Nähe von supermassereichen Schwarzen Löchern und für die elektromagnetische Identifizierung von Binärsystemen im Allgemeinen“, schließt Stefanie Komossa.

Hintergrundinformation:
MOMO („Multiwavelength Observations and Modelling of OJ 287“): Das Projekt hat zum Ziel, die Physik von Scheibe und Jet im Blazar OJ 287 zu verstehen, Modelle für binäre Schwarze Löcher zu testen und den Status und die Entwicklung von kompakten Binärsystemen zu verstehen. Es wurde 2015 begonnen und umfasst mehrjährige Beobachtungen der Galaxie OJ 287 mit hoher Taktrate in einem sehr breiten Frequenzspektrum vom Radio- bis zum Hochenergiebereich. Die Beobachtungen werden mit einer hohen Taktrate (bis zu einmal pro Tag) durchgeführt. MOMO deckt alle Aktivitätszustände von OJ 287 ab. Bei außergewöhnlichen Zuständen von OJ 287 werden Folgebeobachtungen mit zusätzlichen boden- und weltraumgestützten Teleskopen durchgeführt, einschließlich empfindlicher Spektroskopie im optischen und Röntgenbereich.

Das Radio-Observatorium Effelsberg befindet sich in einem Tal in der Eifel bei Bad Münstereifel-Effelsberg, etwa 40 km südwestlich von Bonn. Es wird vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn betrieben. Das 100-m-Radioteleskop ist eines der größten voll beweglichen Radioteleskope der Erde. Es ermöglicht Messungen in einem breiten Spektrum von Radiofrequenzen zwischen 300 MHz und 90 GHz.

Das Neil-Gehrels-Swift-Observatorium ist ein weltraumbasiertes Multi-Wellenlängen-Observatorium zur Erforschung von Gammastrahlenausbrüchen und einer Vielzahl anderer astrophysikalischer Objekte mit stark veränderlicher Strahlung. Der Satellit Swift hat drei Teleskope an Bord, die Messungen im optischen, UV-, Röntgen- und Gammastrahlenbereich durchführen. Swift ist Teil des NASA-Programms Medium Explorer (MIDEX) und wurde 2004 in eine erdnahe Umlaufbahn gebracht.

Das Forschungsteam umfasst S. Komossa, D. Grupe, A. Kraus, M.A. Gurwell, Z. Haiman, F.K. Liu, A. Tchekhovskoy, L.C. Gallo, M. Berton, R. Blandford, J.L. Gómez, und A.G. Gonzalez (MNRAS Letter), sowie S. Komossa, A. Kraus, D. Grupe, A.G. Gonzalez, M.A. Gurwell, L.C. Gallo, F.K. Liu, I. Myserlis, T.P. Krichbaum, S. Laine, U. Bach, J.L. Gómez, M.L. Parker, S. Yao, und M. Berton (ApJ Paper). Stefanie Komossa, Alex Kraus, Thomas Krichbaum, Uwe Bach und Su Yao sind Mitarbeiter des MPIfR.

Originalveröffentlichungen:
Absence of the predicted 2022 October outburst of OJ 287 and implications for binary SMBH scenarios
S. Komossa et al., in: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society Letters, 23. Februar 2023. DOI: 10.1093/mnrasl/slad016

Multifrequency radio variability of the blazar OJ 287 from 2015–2022, absence of predicted 2021 precursor-flare activity, and a new binary interpretation of the 2016/2017 outburst
S. Komossa et al., in: Astrophysical Journal, 23. Februar 2023. DOI: 10.3847/1538-4357/acaf71 (Preprint via astro-ph: https://arxiv.org/abs/2302.11486)

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• Aktive Galaktische Kerne – Quasare – supermassive Schwarze Löcher

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Quelle: Johannes Gutenberg-Universität Mainz 4. November 2022.

Ein internationales Team von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern hat erstmals Beweise für die Emission hochenergetischer Neutrinos aus der Galaxie NGC 1068, auch bekannt als Messier 77, gefunden. NGC 1068 ist eine aktive Galaxie im Sternbild Cetus und einer der bekanntesten und am besten untersuchten Galaxien überhaupt. Sie wurde erstmals 1780 entdeckt, ist 47 Millionen Lichtjahre von uns entfernt und kann mit einem großen Fernglas beobachtet werden. Die Ergebnisse, die heute in Science veröffentlicht werden, wurden in einem wissenschaftlichen Online-Webinar vorgestellt, an dem Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler sowie Medien aus der ganzen Welt teilnahmen.

Die Entdeckung wurde am von der National Science Foundation unterstützten IceCube-Neutrino-Observatorium gemacht, einem gewaltigen Neutrinoteleskop, das eine Milliarde Tonnen instrumentiertes Eis in einer Tiefe von 1,5 bis 2,5 Kilometern unter der Oberfläche der Antarktis in der Nähe des Südpols umfasst. Dieses einzigartige Teleskop, das mit Hilfe von Neutrinos die entlegensten Bereiche unseres Universums erforscht, meldete die erste Beobachtung einer hochenergetischen astrophysikalischen Neutrinoquelle im Jahr 2018. Bei der Quelle, TXS 0506+056, handelt es sich um einen bekannten Blazar, der sich in der linken Schulter des Sternbilds Orion in vier Milliarden Lichtjahren Entfernung befindet. Damals war noch eine Bestätigung durch optische Teleskope notwendig, um die Quelle sicher zu identifizieren. Diesmal wurden jedoch über einen Zeitraum von 10 Jahren genug Neutrinos von IceCube alleine entdeckt.

„Ein einziges Neutrino kann eine Quelle ausmachen. Aber nur eine Beobachtung mit mehreren Neutrinos kann den verborgenen Kern der energiereichsten kosmischen Objekte aufdecken“, erläutert dazu Francis Halzen, Physikprofessor an der University of Wisconsin-Madison und leitender Forscher von IceCube. Er fügt hinzu: „IceCube hat etwa 80 Neutrinos mit einer Energie im Bereich von Teraelektronenvolt aus NGC 1068 gesammelt, die noch nicht ausreichen, um alle unsere Fragen zu beantworten, aber sie sind definitiv der nächste große Schritt zur Verwirklichung der Neutrinoastronomie.“

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus den Arbeitsgruppen von Prof. Dr. Sebastian Böser und früher Prof. Dr. Lutz Köpke vom Institut für Physik und vom Exzellenzcluster PRISMA+ der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) gehören bereits seit 1999 dem IceCube-Konsortium an, das auch durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert wird. „Die Herkunft von Neutrinos bis in die Tiefen des Weltalls zurückverfolgen zu können – genau hierfür wurde IceCube ursprünglich geplant. Nach dieser langen Zeit ist es ein tolles Gefühl, unsere Ziele verwirklicht zu sehen. Wir sind sehr stolz, dass wir nach einer ganzen Reihe bemerkenswerter Resultate nun auch dieses herausragende Ergebnis als Kollaboration erreicht haben“, freut sich Prof. Dr. Sebastian Böser.

Neutrinos bewegen sich ungehindert im Weltall
Anders als Licht können Neutrinos in großer Zahl aus extrem dichten Umgebungen im Universum entweichen. Sie erreichen die Erde weitgehend ungestört von Materie und elektromagnetischen Feldern, die den extragalaktischen Raum durchdringen und behalten dabei ihre ursprüngliche Flugrichtung immer bei. Obwohl Wissenschaftler die Neutrinoastronomie bereits vor mehr als 60 Jahren ins Auge gefasst haben, ist der Nachweis der geisterhaften Teilchen aufgrund ihrer schwachen Wechselwirkung mit Materie und Strahlung äußerst schwierig. Wenn er gelingt, könnten Neutrinos jedoch der Schlüssel sein, um Einblicke in die extremsten Objekte im Kosmos zu erhalten.

Wie unsere Heimatgalaxie, die Milchstraße, ist auch NGC 1068 eine Balkenspiralgalaxie mit locker gewundenen Armen und einem relativ kleinen zentralen Wulst. Im Gegensatz zur Milchstraße ist NGC 1068 eine aktive Galaxie, bei der die meiste Strahlung nicht von Sternen erzeugt wird, sondern von Material, das in ein Schwarzes Loch fällt, das Millionen Mal massiver ist als unsere Sonne und sogar noch massiver als das inaktive Schwarze Loch im Zentrum unserer Galaxie. NGC 1068 ist eine Galaxie vom Typ Seyfert II die aus einem solchen Winkel betrachtet wird, dass der zentrale Bereich, in dem sich das Schwarze Loch befindet, verdeckt ist. In einer Seyfert-II-Galaxie verdeckt ein Torus aus Kernstaub den größten Teil der hochenergetischen Strahlung, die von der dichten Gas- und Teilchenmasse erzeugt wird, die sich langsam spiralförmig zum Zentrum der Galaxie bewegt.

In vielen Modellen würde man erwarten, dass die Neutrinos von hoch-energetischen Gamma-Strahlen begleitet werden. Dies wurde – in Übereinstimmung mit aktuellen Modellen – aber nicht beobachtet. „Neuere Modelle der Umgebung von Schwarzen Löchern in diesen Objekten legen nahe, dass Gas, Staub und Strahlung die Gammastrahlen blockieren sollten, die sonst die Neutrinos begleiten würden“, sagt Hans Niederhausen, ein Postdoktorand an der Michigan State University und Mitglied von IceCube. „Dieser Neutrinonachweis aus dem Kern von NGC 1068 wird unser Verständnis der Umgebung von supermassiven Schwarzen Löchern verbessern.“

Im Gegensatz zur Quelle TXS 0506+056, die nur für eine kurze Zeit aktiv war, sendet NGC 1068 einen kontinuierlichen Fluss von Neutrinos. „Ich denke, NGC 1068 könnte eine Referenzgalaxie für zukünftige Neutrinoteleskope werden“, sagt daher Theo Glauch, ein Postdoktorand an der Technischen Universität München (TUM) und Mitglied von IceCube. „Sie ist ein astronomisch bereits sehr gut untersuchtes Objekt. Die Neutrinos werden es uns ermöglichen, diese Galaxie auf eine völlig andere Weise zu sehen und neue Erkenntnisse zu gewinnen.“

„Dieses Ergebnis ist eine deutliche Verbesserung gegenüber einer früheren Studie über NGC 1068, die 2020 veröffentlicht wurde“, sagt Ignacio Taboada, ein Physikprofessor am Georgia Institute of Technology und Sprecher der IceCube Kollaboration. „Teils ist die Verbesserung auf optimierte Mess-Techniken , teils auf eine sorgfältige Aktualisierung der Detektorkalibrierung zurückzuführen. Die Arbeit der Teams für den Betrieb und die Kalibrierung des Detektors ermöglichte es die Neutrinorichtung besser zu rekonstruieren und so NGC 1068 genau lokalisieren zu können. Die Identifizierung dieser Quelle ist somit letztlich ein Ergebnis der harten Arbeit der IceCube-Kollaboration.“

„Das ist eine großartige Nachricht für die Zukunft unseres Fachgebiets. Es bedeutet, dass es mit einer neuen Generation von empfindlicheren Detektoren noch viel zu entdecken geben wird. Das zukünftige IceCube-Gen2-Observatorium könnte nicht nur viel mehr dieser extremen Teilchenbeschleuniger aufspüren, sondern auch ihre Untersuchung bei noch höheren Energien ermöglichen. Es ist, als ob IceCube uns eine Karte zu einer Schatzkammer übergeben hat“, sagt Marek Kowalski, leitender Wissenschaftler am Deutschen Elektronen-Synchrotron (DESY).

Mit den Neutrinomessungen von TXS 0506+056 und NGC 1068 ist IceCube der Antwort auf die jahrhundertealte Frage nach dem Ursprung der kosmischen Strahlung einen Schritt näher gekommen. Noch interessanter ist, dass diese Ergebnisse auch darauf hindeuten, dass es noch viele weitere ähnliche Objekte gibt, die noch nicht identifiziert wurden. „Die Enthüllung des undurchsichtigen Universums hat gerade erst begonnen, und die Neutrinos werden eine neue Ära der Entdeckungen in der Astronomie einleiten“, sagt Elisa Resconi, Professorin für Physik an der TUM.

Originalartikel:
“Evidence for neutrino emission from the nearby active galaxy NGC 1068,”
The IceCube Collaboration: R. Abbasi et al.
DOI:10.1126/science.abg3395
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abg3395

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• Antarktis-Neutrinoteleskop IceCube

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Quelle: Technische Universität Dortmund 8. September 2022.

8. September 2022 – Der Nachweis ist so spektakulär, dass die Arbeit es in die aktuelle Ausgabe des renommierten Wissenschaftsmagazins Nature geschafft hat. An den Beobachtungen war auch Privatdozent Dr. Dominik Elsässer von der Fakultät Physik der TU Dortmund beteiligt. Er arbeitete für die Datensammlung mit Schüler*innen aus Würzburg zusammen.

Aktive Galaxienkerne gehören zu den leuchtkräftigsten Objekten im Universum. Es handelt sich dabei um extrem helle Zentralbereiche von Galaxien, die aus großen Distanzen beobachtbar sind. Ihre Helligkeit resultiert meist aus den Vorgängen um ein Schwarzes Loch, auf das Materie aus der Umgebung zustürzt. Dabei bilden sich manchmal Plasmaströme aus geladenen Teilchen, sogenannte Jets. Astrophysiker*innen erforschen aktive Galaxienkerne und ihre Jets, da sie vermuten, dass diese Teilchen enorm beschleunigen können und dabei noch viel höhere Energien erreichen als die größten Teilchenbeschleuniger auf der Erde.

Knick im Plasmastrom verursacht Helligkeitsschwankungen
Eine Unterklasse von aktiven Galaxienkernen sind die sogenannten „Blazare“. Ein bekannter Blazar heißt „BL Lacertae“: Diese etwa 900 Millionen Lichtjahre entfernte Galaxie beherbergt ein Schwarzes Loch mit einer Masse, die 170 Millionen Mal größer ist als die unserer Sonne. Bei der Analyse von Daten eines besonderen Helligkeitsausbruchs von BL Lacertae im Jahr 2020 fiel Astronom*innen auf, dass die Helligkeit außergewöhnlich regelmäßig schwankte. Diese quasi-periodischen Oszillationen konnten die Forschenden mit einer Veränderung im Plasma des Jets erklären, einer sogenannten Knick-Instabilität, die das Magnetfeld beeinflusst. Zu den sichtbaren Helligkeitsfluktuationen kommt es, da sich die energiereichen Teilchen im Jet durch genau diesen Knick bewegen.

„Die Knick-Instabilität ist von großer Bedeutung für die Untersuchung von Plasmen. Die Entdeckung im Jet von BL Lacertae ermöglicht nun vollkommen neue Einblicke in diesen kosmischen Teilchenbeschleuniger“, sagt Dr. Dominik Elsässer. Aus diesem Grund wurde die Arbeit vom renommierten Fachmagazin Nature zur Veröffentlichung ausgewählt. Die Publikation entstand im Rahmen des Whole Earth Blazar Telescope Projekts, eines internationalen Konsortiums von Astronom*innen, die speziell Blazare überwachen.

Schüler*innen überwachen Helligkeiten aktiver Galaxienkerne.
Ein Teil der Daten, die zur aktuellen Nature-Veröffentlichung geführt haben, stammt aus einem Kooperationsprojekt zwischen dem Friedrich-Koenig-Gymnasium in Würzburg, dem Lehrstuhl für Astronomie der Universität Würzburg und der Fakultät Physik der TU Dortmund. In einem Schülerlabor werden seit zehn Jahren die Helligkeiten aktiver Galaxienkerne überwacht. Dabei führen die Schüler*innen in über 100 Nächten pro Jahr selbstständig die Messungen durch und werten auch die Daten eigenständig aus. Die wissenschaftliche Leitung des Projekts liegt bei Prof. Karl Mannheim von der Universität Würzburg und Dr. Dominik Elsässer von der TU Dortmund.

Publikation:
Rapid quasi-periodic oscillations in the relativistic jet of BL Lacertae, https://www.nature.com/articles/s41586-022-05038-9

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• Aktive Galaktische Kerne – Quasare – supermassive Schwarze Löcher

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Quelle: Universität Würzburg 14. Juli 2022.

14. Juli 2022 – Die Erdatmosphäre wird ständig von kosmischer Strahlung bombardiert. Diese besteht aus elektrisch geladenen Teilchen mit Energien von bis zu 1020 Elektronenvolt. Das ist eine Million Mal mehr als die Energie, die im leistungsstärksten Teilchenbeschleuniger der Welt erreicht wird, dem Large Hadron Collider bei Genf.

Die extrem energiereichen Teilchen kommen aus den Tiefen des Weltraums, sie haben Milliarden von Lichtjahren zurückgelegt. Woher kommen sie, was schießt sie mit so ungeheurer Wucht durch das Universum? Diese Fragen gehören zu den größten Herausforderungen der Astrophysik seit über einem Jahrhundert.

Die Geburtsstätten der kosmischen Strahlung erzeugen Neutrinos. Das sind neutrale Teilchen, die sich nur schwer nachweisen lassen. Sie haben fast keine Masse und treten kaum mit Materie in Wechselwirkung. Sie rasen durch das Universum und können Galaxien, Planeten und den menschlichen Körper fast spurlos durchqueren.

„Astrophysikalische Neutrinos entstehen ausschließlich in Prozessen, bei denen die kosmische Strahlung beschleunigt wird“, erklärt Astrophysik-Professorin Sara Buson von der Julius-Maximilians-Universität (JMU) Würzburg. Genau das macht diese Neutrinos zu einzigartigen Boten, die den Weg zur Lokalisierung der Quellen kosmischer Strahlung ebnen.

Artikel in Science löste kontroverse Debatte aus
Trotz der riesigen Datenmenge, die Astrophysiker gesammelt haben, ist die Zuordnung von hochenergetischen Neutrinos zu den astrophysikalischen Quellen, aus denen sie stammen, seit Jahren ein ungelöstes Problem. Sara Buson hat das immer als eine spannende Herausforderung betrachtet.

2017 brachten die Forscherin und weitere Kollegen von ihr in der Fachzeitschrift Science erstmals einen Blazar (TXS 0506+056) als mutmaßliche Neutrinoquelle ins Gespräch. Blazare sind aktive galaktische Kerne, die von supermassiven schwarzen Löchern angetrieben werden und viel mehr Strahlung aussenden als ihre gesamte Galaxie. Die Veröffentlichung löste eine wissenschaftliche Debatte darüber aus, ob es tatsächlich einen Zusammenhang zwischen Blazaren und hochenergetischen Neutrinos gibt.

Erfolg mit Multi-Messenger-Analysen
Nach diesem ersten ermutigenden Schritt begann die Gruppe von Professor Buson im Juni 2021 ein ehrgeiziges Multi-Messenger-Forschungsprojekt, das vom Europäischen Forschungsrat unterstützt wird. Dabei geht es darum, verschiedene Signale („messenger“, zum Beispiel Neutrinos) aus dem Universum zu analysieren. Das Hauptziel besteht darin, den Ursprung astrophysikalischer Neutrinos zu klären und möglicherweise Blazare als erste Quelle extragalaktischer hochenergetischer Neutrinos zu identifizieren.

Das Projekt zeigt nun einen ersten Erfolg: In der Fachzeitschrift Astrophysical Journal Letters berichtet Sara Buson zusammen mit ihrer Gruppe, dem ehemaligen Postdoc Raniere de Menezes und mit Andrea Tramacere von der Universität Genf, dass Blazare mit einem noch nie dagewesenen Grad an Sicherheit mit astrophysikalischen Neutrinos in Verbindung gebracht werden können.

PeVatron-Blazare als extragalaktische Neutrinofabriken identifiziert
„Wir nutzen Neutrinodaten, die vom IceCube-Neutrino-Observatorium in der Antarktis gewonnen wurden – dem empfindlichsten Neutrinodetektor, der derzeit in Betrieb ist – und einen Katalog von astrophysikalischen Objekten, die mit Sicherheit als Blazare identifiziert wurden“, sagt die JMU-Professorin.

„Wir haben eine Kreuzkorrelationsanalyse zwischen den Datenproben durchgeführt und starke Belege dafür gefunden, dass eine Untergruppe von Blazaren die beobachteten hochenergetischen Neutrinos erzeugt. Die Wahrscheinlichkeit, dass es sich dabei um einen Zufall handelt, ist sehr gering und liegt bei nur 6 × 10^-7, also bei weniger als eins zu einer Million. Die Ergebnisse liefern zum ersten Mal einen unwiderlegbaren Beobachtungsbeweis dafür, dass die Untergruppe der PeVatron-Blazare extragalaktische Neutrinoquellen und damit Beschleuniger der kosmischen Strahlung sind.“

Laut Sara Buson ist die Entdeckung dieser hochenergetischen Neutrinofabriken ein Meilenstein für die Astrophysik: „Sie bringt uns einen Schritt weiter bei der Lösung des jahrhundertelangen Rätsels um den Ursprung der kosmischen Strahlung.“

Nur die Spitze des Eisbergs
Trotz dieses Erfolges ist sich die JMU-Forscherin bewusst, dass es noch viel zu tun gibt. Sie zitiert den Wissenschaftler Blaise Pascal aus dem 17. Jahrhundert: „Das Wissen ist wie eine Kugel: Je größer ihr Volumen ist, desto größer ist ihr Kontakt mit dem Unbekannten.“

Das gilt auch für Busons Forschung: „Was wir beobachten, ist nur die Spitze des Eisbergs, das sind möglicherweise nur die hellsten und effizientesten Neutrino-Emitter.“ In der Tat, sagt sie, habe sich die statistische Analyse nur auf die vielversprechendsten IceCube-Neutrinodaten konzentriert. Buson erwartet, dass anspruchsvollere Analysetechniken weitere Entdeckungen bringen werden.

Die PeVatron-Blazare sind eine neue Herausforderung für die Multi-Messenger-Astrophysik, so Buson: „Was macht diese Gruppe von Blazaren so besonders unter den Tausenden von vergleichbaren Objekten in unserem Universum? Diese und andere Fragen werden unsere Multi-Messenger-Gemeinschaft in den kommenden Jahrzehnten beschäftigen.“

Publikation
“Beginning a journey across the Universe: the discovery of extragalactic neutrino factories“, Astrophysical Journal Letters, 14. Juli 2022, Open Access, doi.org/10.3847/2041-8213/ac7d5b
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ac7d5b
pdf: https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ac7d5b/pdf

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