Kosmische Leuchtfeuer: Astronomen haben entdeckt, wie Quasare ihre intensive Strahlung erzeugen, die sich über Milliarden von Lichtjahren erstreckt. Folglich tritt der energiereichste Teil dieser Strahlung auf, wenn Teilchen, die von diesen Schwarzen Löchern beschleunigt werden, auf eine Stoßfront treffen und abrupt abgebremst werden. Dabei wird Synchrotronstrahlung freigesetzt, vor allem im Röntgenbereich, erst später treten andere Komponenten der längerwelligen Strahlung auf, wie die Forscher in “Nature” berichten.
Quasare sind die hellsten Objekte im Kosmos. Die intensiven Strahlungskegel dieser aktiven galaktischen Kerne können so hell leuchten wie Hunderte von Billionen Sonnen und Milliarden von Lichtjahren ins All reichen. Die Quelle dieser enormen Strahlung ist das supermassive Schwarze Loch im Zentrum dieser fernen Galaxien: Es saugt riesige Mengen an Materie an und gibt Energie in Form von beschleunigten Teilchen und Strahlung ab. Quasare, deren Strahlungs- und Teilchenjets direkt auf die Erde gerichtet sind, werden auch Blazare genannt.
Schockfront oder Turbulenzen?
Doch wie die Strahlung von Quasaren im Detail entsteht, war bisher nicht bekannt. Beobachtungen und Modelle deuten darauf hin, dass riesige Jets hochbeschleunigter Teilchen die Quelle der hochenergetischen Emissionen sind. Ähnlich wie Teilchenbeschleuniger oder Synchrotronsysteme für Röntgenlaser können diese Teilchen überschüssige Energie als Strahlung freisetzen, wenn sie abgebremst oder abgelenkt werden.
Unklar war jedoch, durch welchen Mechanismus die schnellen Teilchen im Quasarjet abgebremst werden, entweder schlagartig an einer Stoßfront oder in Turbulenzen über den Jet verteilt. Diese lässt sich unter anderem an der Polarisation der Strahlung unterscheiden: Je gerichteter die Strahlung des Quasars, desto konzentrierter und gleichmäßiger muss die Strahlquelle sein.
Das Problem ist jedoch, dass die Polarisation der Quasarstrahlung bisher nur im Wellenlängenbereich von Radio- und optischem Licht gemessen werden konnte, was auf verteiltere und turbulentere Quellregionen hindeuten schien. Für hochenergetische Röntgenstrahlen waren solche Messungen nicht verfügbar.
Erste Röntgenpolarimetrie in einem Blazar
Das hat sich nun geändert: Im Dezember 2021 wurde ein neues Weltraumteleskop gestartet, das erstmals die Polarisation kosmischer Röntgenstrahlung messen kann. „Der Imaging X-ray Polarimetry Explorer (IXPE7) kann somit ein vollständigeres Bild der Emissionsregion von Quasaren liefern, als dies bisher möglich war“, erklären Ioannis Liodakis vom Finnischen Zentrum für Astronomie in Turku und seine Kollegen
Für ihre Studie nutzten die Astronomen den Satelliten IXPE7, um die Strahlung des Blazars Markarian 501 zu analysieren. Dieser aktive Galaxienkern ist „nur“ etwa 450 Millionen Lichtjahre von uns entfernt, seine Strahlung scheint also besonders intensiv und lässt sich leicht messen. Daher ist er nun der erste Blazar, der im März 2022 mit einem Röntgenpolarimeter untersucht wurde. Gleichzeitig haben viele andere Observatorien die Strahlung der restlichen Wellenlängen dieses Quasars eingefangen.
Treffen die beschleunigten Teilchen im Quasarjet auf eine Stoßfront, werden sie abrupt abgebremst und geben hochenergetische Röntgenstrahlung ab. Wenn sie fliegen, erzeugen sie mehr Strahlung mit geringerer Energie. © Pablo Garcia/NASA/MSFC
Quelle von Röntgenstrahlen und anderen unterschiedlichen Strahlungen
Die Messungen zeigten: In den unteren Energiebereichen des Spektrums ist die Strahlung des Quasars schlecht polarisiert und ungleichmäßig. Anders jedoch im hochenergetischen Röntgenbereich: Dort erfasste das Polarimeter einen Polarisationsgrad von mehr als zehn Prozent und einen Winkel, der der Ausrichtung des Quasarstrahls entspricht, wie Liodakis und sein Team berichten.
Daher liefern diese Daten entscheidende Informationen über die Herkunft dieser Röntgenstrahlung: „Das deutet auf eine Schockfront als Quelle der Teilchenbeschleunigung hin“, erklären die Forscher. Demnach wird diese hochenergetische Strahlung freigesetzt, weil die Teilchen im Jet, beschleunigt durch die Magnetfelder des Schwarzen Lochs, auf einen Bereich aus langsameren Teilchen prallen. An dieser Schockfront werden sie abrupt gestoppt und Röntgenstrahlen werden freigesetzt.
Hinter der Schockfront des Quasarjets strömen die Teilchen weiter, haben aber Energie verloren. „Infolgedessen senden sie jetzt Strahlung mit immer längeren Wellenlängen aus, wenn sie sich von diesem Bereich entfernen“, sagen Liodakis und Kollegen. Aus der ungleichmäßigen Polarisation dieser energieärmeren Strahlung schließen sie, dass der Jet in diesem Bereich immer turbulenter wird.
“Wendepunkt im Verständnis von Blazaren”
Astronomen ist es erstmals gelungen, die Mechanismen hinter den hellsten Strahlungsquellen im Kosmos zu verstehen. „Unsere Ergebnisse zeigen, dass Multi-Wellenlängen-Polarimetrie die physikalischen Bedingungen rund um supermassereiche Schwarze Löcher auf einzigartige Weise untersuchen kann“, sagen Liodakis und sein Team. Weitere Messdaten des IXPE und anderer Instrumente könnten in Zukunft noch mehr Details dieser Prozesse enthüllen.
Auch Astrophysikerin Lea Marcotulli von der Yale University, die nicht an der Studie beteiligt war, sieht in diesen Ergebnissen einen wichtigen Fortschritt. „Sie markieren einen Wendepunkt in unserem Verständnis von Blazaren“, schreibt er in einem begleitenden Kommentar. “Dies ist ein großer Schritt nach vorne in unserem Versuch, diese extremen Teilchenbeschleuniger zu verstehen.” Nun könnte Röntgenpolarimetrie auch klären, ob die Mechanismen bei allen Quasaren gleich sind und welche Rolle die unterschiedlichen Teilchen (Elektronen und Protonen) im Strahl spielen. Sie spielen Strahlerzeugung. (Nature, 2022; doi: 10.1038/s41586-022-05338-0)
Was: Natur
24. November 2022
– Nadja Podbregar