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Radiogalaxie Centaurus A : Schwarzes Loch als gigantische Teilchenkanone

  • -Aktualisiert am

Radiogalaxie Centaurus A und die imposanten Jets: zusammengesetzte, künstlich eingefärbte Beobachtung Bild: Eso/WFI (Optical); MPIfR/Eso/Ape

Gewaltige Schwarze Löcher im Herzen von Galaxien schleudern Materie weit hinaus ins All – und beschleunigen Teilchen über Tausende von Lichtjahren hinweg.

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          Sie sind so etwas wie kosmische Staubsauger und Teilchenkanonen in einem: Supermassereiche Schwarze Löcher im Zentrum von Galaxien ziehen nicht nur Materie an. Ein Teil der angezogenen Gasmassen wird in gigantischen „Jets“ auch wieder ins All zurückgeschleudert. Die Ursache hierfür liegt in der Dynamik der angezogenen Materie, die sich beim Einstrudeln enorm aufheizt. In diesem heißen Plasma sorgt ein komplexes Zusammenspiel von Magnetfeldern dafür, dass sich zwei eng kollimierte, gegenläufige Teilchenstrahlen bilden, die Tausende von Lichtjahren ins All hineinreichen können. Wie genau sich solche Jets bilden und ausbreiten, ist allerdings bislang wenig bekannt und ein wichtiges fehlendes Puzzlestück der modernen Astrophysik – denn solche Jets sind für einen wesentlichen Teil der kosmischen Strahlung verantwortlich.

          Ein Forscherteam des H.E.S.S.-Konsortiums („High Energy Stereoscopic System“) hat nun eine überraschende Entdeckung gemacht, die einige bisherige Annahmen über den Haufen zu werfen scheint. In „Nature“  beschreiben die Wissenschaftler, dass sie mit ihrem Teleskopsystem die Radiogalaxie Centaurus A insgesamt 200 Stunden lang im Bereich der Gammastrahlung überwacht haben – das ist extrem hochenergetische elektromagnetische Strahlung, die um viele Größenordnungen energiereicher als Röntgenstrahlung ist. Centaurus A zeigt zwei ausgedehnte Radiokeulen, die durch die beiden Jets des zentralen Schwarzen Lochs angetrieben werden. Ihre hohe Leuchtkraft im Radio- und auch im Gammabereich erhält die Galaxie dadurch, dass ihr Schwarzes Loch besonders aktiv ist und in hohem Maße Materie verschlingt. Centaurus A ist mit einem Abstand von rund zwölf Millionen Lichtjahren die nächstgelegene Radiogalaxie und bietet sich deshalb besonders für detaillierte Beobachtungsstudien an.

          Verräterische Leuchtspuren kosmischer Gammaquanten

          Zwar sind einige Radiogalaxien als starke Gammaquellen bekannt. Aber bislang war es nie gelungen, die Jets im Gammabereich näher in ihrer räumlichen Struktur aufzulösen. Aufgrund der großen kosmischen Distanzen waren sie mit den entsprechenden Teleskopen nur als Punktquellen zu erkennen. Das liegt daran, dass Gammastrahlung sich nicht so einfach optisch abbilden lässt wie Strahlung im sichtbaren, infraroten oder Radiobereich. Das H.E.S.S.-Team, bestehend aus 200 Forschern aus 13 Ländern, musste deshalb die besondere Technik ihres Teleskopsystems – des gegenwärtig leistungsstärksten Observatoriums dieser Art – bis an die Grenzen seiner Leistungsfähigkeit ausreizen.

          Das Teleskop-Array H.E.S.S. in Namibia

          Ihr Observatorium besteht aus mehreren Teleskopschalen, die aber nicht ins All, sondern auf die obere Atmosphäre blicken. Trifft eines der seltenen, extrem hochenergetischen Gammaquanten der kosmischen Strahlung auf die obersten Luftschichten, entsteht für einen kurzen Augenblick eine Leuchtspur, die diese Teleskope aus verschiedenen Beobachtungswinkeln aufnehmen und dadurch die Ursprungsrichtung des Gammaquants bestimmen können.

          Bislang gingen Astrophysiker davon aus, dass hochenergetische Gammastrahlung vor allem aus dem Zentralbereich der Galaxie direkt in der Nähe des Schwarzen Loches stammt. Dies schien aus der Tatsache zu folgen, dass die Stärke der Gamma-Emissionen im Takt von Minuten variieren kann. Das ist nur möglich, wenn die Emissionsregion räumlich begrenzt ist.

          Schockwellen galaktischer Jets

          „Wie wir nun zum ersten Mal feststellen konnten, werden die hochenergetischen Gammaquanten aber nicht nur in einem kleinen Bereich erzeugt, sondern über Tausende von Lichtjahren im Jet“, sagt Mathieu de Naurois von der École Polytechnique in Palaiseau. Um die erzielte Bildschärfe im Gammabereich zu erreichen und möglichst viele Informationen aus den Daten zu extrahieren, mussten die Forscher sehr aufwändige Analyseprogramme entwickeln.

          Die Entdeckung, dass die Gamma-Emission sich quer über den Jet erstreckt, ist für die Erforschung der kosmischen Strahlung sehr aufschlussreich, denn die Gammaquanten sind in solchen Jets Sekundärprodukte. Die starken Magnetfelder beschleunigen zunächst Elektronen zu extremen Energien – weit höher als die Energien, die mit irdischen Teilchenbeschleunigern möglich sind. Die Elektronen geben einen Teil ihrer Energie dann in Form von Gammastrahlung ab. Da aber hochenergetische Elektronen ihre Energie auf einer Distanz von rund 100 Lichtjahren durch Streueffekte mit der interstellaren Materie und der Hintergrundstrahlung verlieren, bedeutet das, dass auch weit draußen im Jet noch hocheffektive Beschleunigungsmechanismen wirken müssen.

          „Die Elektronen werden also nicht einfach in der unmittelbaren Nähe des Schwarzen Lochs beschleunigt und tragen diese Energie dann mit dem Jet nach außen“, erklärt de Naurois, „Sie erfahren auch entlang des Jets noch enorme Beschleunigungen.“ Wie das physikalisch funktionieren kann, hatte der Nobelpreisträger Enrico Fermi schon vor rund 70 Jahren mit sogenannten relativistischen Schockfronten in einem turbulenten Plasma erklärt. Es war aber bislang nicht klar, inwiefern sich derartige Schockfronten entlang von galaktischen Jets bilden können. Mit den neuen Messungen dürfte deshalb nun eine wesentlich bessere Modellierung dieser Teilchenkanonen möglich werden.

          Allerdings steht noch die Frage im Raum, ob Centaurus A in dieser Hinsicht vielleicht eher ungewöhnliche Jets aufweist. Die Forscher wollen deshalb nun auch die Radiogalaxie M87 untersuchen – eine der wenigen weiteren Radiogalaxien in kosmischer Nähe. Die Gamma-Struktur weiter entfernter Radiogalaxien wird erst mit dem noch leistungsfähigeren „Cherenkov Telescope Array“ sichtbar werden, das sich gegenwärtig im Aufbau befindet.

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