Eine NASA-Mission hat ein supermassereiches Schwarzes Loch beobachtet, das seinen hochenergetischen Jet auf die Erde richtet. Keine Panik. So beängstigend dieses kosmische Ereignis auch ist, es befindet sich in einer sehr sicheren Entfernung von etwa 400 Millionen Lichtjahren.
Aktiv ernährende supermassive Schwarze Löcher, einschließlich der vorliegenden, sind von wirbelnden Materiescheiben, sogenannten Akkretionsscheiben, umgeben, die sie im Laufe der Zeit nach und nach mit Energie versorgen. Ein Teil des Materials, das sie nicht aufnehmen, wird dann zu ihren Polen geleitet, wo es anschließend mit nahezu Lichtgeschwindigkeit oder relativistischer Geschwindigkeit zur Detonation gebracht wird. Dadurch entsteht eine sehr energiereiche und helle elektromagnetische Strahlung. In einigen Fällen, wie bei der neuesten Muse der NASA, ist das Flugzeug direkt auf die Erde gerichtet. Diese Ereignisse werden als Blazare bezeichnet.
Dieser Blazar mit dem Namen Markarian 421 befindet sich im Sternbild Ursa Major und wurde mit dem im Dezember 2021 gestarteten X-ray Imaging Explorer (IXPE) der NASA beobachtet. IXPE beobachtet eine Eigenschaft von Magnetfeldern, die Polarisation genannt wird und die Richtung der Felder angibt. Die Polarisation des von Markarian 421 freigesetzten Jets überraschte die Astronomen und zeigte, dass der Teil des Jets, in dem die Teilchen beschleunigt werden, auch ein Magnetfeld mit spiralförmiger Struktur beherbergt.
Blazar-Jets können sich über Millionen von Lichtjahren entfernt über den Weltraum erstrecken, aber die Mechanismen, die sie auslösen, sind noch nicht vollständig verstanden. Diese neuen Entdeckungen rund um Markarian 421 könnten jedoch etwas Licht auf dieses extreme kosmische Phänomen werfen.
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„Markarian 421 ist ein alter Freund von Hochenergie-Astronomen“, sagte die leitende Forscherin hinter der Entdeckung und Astrophysikerin der italienischen Weltraumbehörde Laura Di Gesso. sagte er in einer Erklärung. „Wir waren sicher, dass Blazar ein nützliches Ziel für IXPE sein würde, aber seine Entdeckungen übertrafen unsere besten Erwartungen und zeigten erfolgreich, wie Röntgenpolarimetrie unsere Fähigkeit bereichert, die komplexe Magnetfeldgeometrie und Teilchenbeschleunigung in verschiedenen Regionen der relativistischen Jets zu untersuchen.“
IXPE taucht tiefer in die verdrehte Hülle von Blazar-Flugzeugen ein
Der Hauptgrund für die Helligkeit der Jets, die supermassereiche Schwarze Löcher speisen, liegt darin, dass Teilchen, die sich der Lichtgeschwindigkeit nähern, riesige Energiemengen abgeben und sich gemäß der Physik von Einsteins spezieller Relativitätstheorie verhalten.
Blazar-Jets erhalten eine zusätzliche Steigerung dieser Helligkeit, weil ihre Ausrichtung auf uns dazu führt, dass sich die an ihren Jets anhaftenden Lichtwellenlängen „bündeln“, wodurch sich ihre Frequenzen und Energien erhöhen. Dies ähnelt dem „Rausch“ der Schallwellen einer herannahenden Krankenwagensirene, um eine Frequenzerhöhung zu erzeugen, die den Ton schärfer macht.
Aufgrund dieser beiden Effekte können Blazare oft das kombinierte Licht aller Sterne in den Galaxien, in denen sie sich befinden, überstrahlen. Jetzt hat IXPE dieses Licht verwendet, um ein Bild der Physik zu zeichnen, die im Herzen des Jets von Markarian 421 vor sich geht, und sogar den Ursprungspunkt des leuchtenden Strahls zu bestimmen.
Zuvor hatten Modelle von Blazar-Jets darauf hingewiesen, dass sie von helikalen Magnetfeldern begleitet werden, fast wie DNA in lebenden Zellen, nur dass sie einzelsträngig und nicht doppelsträngig sind. Was jedoch nicht erwartet wurde, war die Tatsache, dass die Magnetspirale Bereiche beherbergen würde, in denen Teilchen beschleunigt würden.
„Wir haben erwartet, dass sich die Richtung der Polarisation ändern könnte, aber wir gingen davon aus, dass große Zyklen selten sein würden, basierend auf früheren optischen Beobachtungen vieler Blazare“, sagte Mitforscher und MIT-Physiker Hermann Marshall.
Noch wichtiger ist, dass die Analyse der IXPE-Daten zeigte, dass die Polarisation des Flugzeugs zwischen seiner ersten und zweiten Beobachtung auf 0 % abfiel. Dies zeigte dem Team, dass sich das Magnetfeld wie ein Korkenzieher drehte.
„Wir stellten fest, dass die Polarisation tatsächlich ungefähr gleich war, aber ihre Ausrichtung machte buchstäblich eine Wende und drehte sich innerhalb von zwei Tagen um fast 180 Grad“, sagte Marshall. „Bei der dritten Beobachtung, die einen Tag später begann, waren wir dann erneut überrascht, einen Trend der Polarisation zu bemerken, der sich weiterhin mit der gleichen Geschwindigkeit dreht.“
Während dieser Manöver zeigten Messungen elektromagnetischer Strahlung in Form von optischem, Infrarot- oder Radiolicht keinen Einfluss auf die Stabilität und Struktur des Flugzeugs selbst, selbst wenn sich die Röntgenemissionen veränderten. Dies bedeutet, dass sich eine Stoßwelle entlang des verdrehten Magnetfelds von Markarian 421 ausbreitet.
Hinweise auf ein solches Phänomen wurden in einem anderen von IXPE beobachteten Blazar-Jet, Markarian 501, gesehen, aber die neuen Erkenntnisse des Teams stellen einen noch klareren Beweis dafür dar, dass das spiralförmige Magnetfeld tatsächlich zu einer wandernden Stoßwelle beiträgt, die die Jet-Partikel auf relativistische Geschwindigkeiten beschleunigt.
Das Team hinter der Arbeit beabsichtigt, Markarian 421 weiter zu untersuchen und andere Blazare zu identifizieren, um einige mit ähnlichen Eigenschaften zu finden, um einen Mechanismus aufzudecken, der die intensiven, hellen Ausflüsse antreibt, die diese Phänomene charakterisieren.
„Dank IXPE ist es eine aufregende Zeit für astrophysikalische Jet-Studien“, schloss de Jessu.
Die Forschungsergebnisse des Teams werden am Montag (17. Juli) in der Zeitschrift Nature Astronomy veröffentlicht.
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