Ein internationales Forschungsteam von Astronomen gab kürzlich bekannt, dass es das seit langem bestehende Rätsel um einen fernen Blazar PKS 1424+240 erfolgreich gelöst hat und erklärt, warum dieses Objekt immer noch eine der hellsten hochenergetischen Gammastrahlen und kosmischen Neutrinos erzeugen kann, die beobachtet wurden, obwohl seine Strahlbewegung langsam zu sein scheint. Die entsprechenden Ergebnisse wurden am 6. Juni in Astronomy & Astrophysics Letters veröffentlicht.
PKS 1424+240 ist Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernt, ist aber in der astronomischen Gemeinschaft seit langem bekannt. Es ist sowohl eine wichtige Quelle extrem energiereicher Gammastrahlung als auch einer der hellsten Neutrinoblazare, die derzeit am Himmel bekannt sind. Es entspricht einem der markantesten Hochenergiegipfel in der neunjährigen Neutrino-Gesamthimmelskarte des IceCube-Neutrino-Observatoriums. Das Forschungsteam wies darauf hin, dass sich diese Studie nicht nur auf einen einzelnen Himmelskörper bezieht, sondern auch direkt auf ein Kernproblem der heutigen Hochenergie-Astrophysik hinweist – wie extreme kosmische Objekte Teilchen auf extrem hohe Energien beschleunigen und gleichzeitig extrem energiereiche Photonen und Neutrinos erzeugen.
Ein Blazar ist eine Art aktiver galaktischer Kern, dessen Zentrum von einem supermassereichen Schwarzen Loch angetrieben wird. Während das Schwarze Loch das umgebende Material verschluckt, stößt es Plasmastrahlen mit nahezu Lichtgeschwindigkeit entlang seiner Rotationsachse in Richtung der Pole aus. Das Besondere an Blazaren ist im Vergleich zu anderen aktiven galaktischen Kernen, dass einer der Jets fast der Erde zugewandt ist und dadurch im gesamten elektromagnetischen Band außergewöhnlich hell erscheint. Es bietet Wissenschaftlern auch ein natürliches „Labor“, um die extremsten physikalischen Prozesse im Universum zu untersuchen. Einige Wissenschaftler beschreiben PKS 1424+240 aufgrund der geometrischen Struktur seines Bildes und der auf die Erde gerichteten Jets als das „Auge Saurons“ im Weltraum.
Theoretischen Erwartungen zufolge werden die hellsten Gammablazare häufig von Jet-Strukturen begleitet, die sich bei Radiobeobachtungen scheinbar sehr schnell bewegen. Allerdings zeigten Funkbeobachtungen von PKS 1424+240, dass seine Jets ungewöhnlich langsam zu sein schienen, ein Widerspruch, der Teil einer langjährigen Debatte wurde, die als „Doppler-Faktor-Krise“ bekannt ist. Um die Wahrheit herauszufinden, hat das Forschungsteam 15 Jahre Beobachtungsdaten vom Very Long Baseline Array (VLBA) abgerufen und analysiert, das aus insgesamt 10 Radioantennen auf dem Festland der Vereinigten Staaten, auf Hawaii und auf St. Croix besteht.
Wissenschaftler verwenden die VLBI-Technologie (Very Long Baseline Interferometry), um gemeinsam Signale von über ein weites Gebiet verteilten Radioteleskopen zu verarbeiten. Dies entspricht der Verwendung eines virtuellen Teleskops vom „Erdkaliber“, um eine extrem hohe Winkelauflösung zu erzielen. Das Team kombinierte insgesamt 42 Radiobilder mit Polarisationsinformationen, die zwischen 2009 und 2025 erfasst wurden, um eine tiefere und detailliertere Ansicht des Jets als je zuvor zu erstellen. Diese Beobachtungen sind Teil des Langzeitprojekts MOJAVE (Monitoring Active Galactic Nucleus Jets with VLBA), dessen Ziel es ist, systematisch die Helligkeit, Polarisation und Magnetfeldstruktur aktiver galaktischer Jets zu untersuchen, um zu verstehen, wie Aktivität in der Nähe supermassiver Schwarzer Löcher mit energiereicher Strahlung und Neutrinoproduktion zusammenhängt.
„Als wir dieses Bild rekonstruierten, war es einfach atemberaubend“, sagte Erstautor Yuri Kovalev, der das Mu SES-Projekt leitet und jetzt am Max-Planck-Institut für Radioastronomie arbeitet. „Eine solche Szene haben wir noch nie gesehen – ein Jet, der uns fast zugewandt ist, begleitet von einer nahezu perfekten ringförmigen (ringförmigen) Magnetfeldstruktur.“ Die Ergebnisse zeigen, dass sich die Erde fast direkt auf der Achse dieses Jets befindet und der Winkel seiner Sichtlinie weniger als 0,6 Grad beträgt. Mit anderen Worten: Der Mensch blickt fast direkt in die Richtung des Strahls.
Diese geometrische Struktur wurde zum Schlüssel zur Lösung des Rätsels. Da der Strahl fast genau auf die Erde gerichtet ist, wird der Doppler-Aufhellungseffekt in der Relativitätstheorie seine scheinbare Helligkeit in unsere Richtung stark erhöhen. Die Studie ergab, dass dieser Effekt die Strahlung um etwa das 30-fache verstärken kann und gleichzeitig dazu führt, dass sich der Strahl aufgrund des Projektionseffekts langsamer zu bewegen scheint, als er es in Radiobildern tatsächlich tut, wodurch eine klassische „optische Täuschung“ entsteht. Co-Autor Jack Livingston, ebenfalls vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie, wies darauf hin, dass diese Ausrichtung nicht nur den extremen Helligkeitsanstieg erklärt, sondern auf natürliche Weise auch das seit langem bestehende Problem „Der Jet ist zu langsam“ löst.
Die fast „frontale“ Perspektive bietet Wissenschaftlern auch die seltene Gelegenheit, einen Blick auf die Details des Magnetfelds im Jet zu werfen. Mit Hilfe polarisierter Funksignale entdeckte das Team eine deutliche ringförmige (donutförmige) Magnetfeldkomponente im Jet, was darauf hindeutet, dass im Jet ein kontinuierlicher Strom herrscht und sein Magnetfeld eine wichtige Rolle bei der Emission, Kollimation und Stabilität des Jets spielt. Die Forscher vermuten, dass diese empfindliche magnetische Struktur auch einer der Schlüsselmechanismen sein könnte, der Teilchen so hoch beschleunigt, dass sie hochenergetische Gammastrahlen und Neutrinos erzeugen.
„Die Lösung dieses Problems bestätigt weiter, dass aktive galaktische Kerne, die supermassereiche Schwarze Löcher enthalten, nicht nur leistungsstarke Beschleuniger für hochenergetische Elektronen, sondern auch natürliche Fabriken für die Protonenbeschleunigung sind. Dies ist die Quelle der hochenergetischen Neutrinos, die wir beobachten.“ Kovalev betonte. Diese Forschung ist Teil des vom Europäischen Forschungsrat finanzierten MuSES-Projekts (Multi-Messenger High Energy Study), das sich auf die Untersuchung konzentriert, wie aktive galaktische Kerne Teilchen beschleunigen und ihre Spuren in einer Vielzahl kosmischer Signale wie Licht und Neutrinos hinterlassen. Die wissenschaftliche Gemeinschaft geht allgemein davon aus, dass die Aufklärung des genauen Zusammenhangs zwischen dem Protonenbeschleunigungsprozess und der Produktion von Neutrinos bis heute eines der bedeutendsten ungelösten Probleme der Astrophysik bleibt.
Die neuesten Ergebnisse erklären nicht nur, warum einige Blazare immer noch extrem helle hochenergetische Strahlung aussenden können, obwohl die Jets „langsam“ zu sein scheinen, sondern stärken auch die Verbindung zwischen mehreren wichtigen physikalischen Elementen auf einer eher makroökonomischen Ebene: relativistische Jets, Magnetfeldstrukturen, Gammastrahlen und hochenergetische Neutrinos. Das Forschungsteam gab an, dass diese Entdeckung neue Hinweise zum Verständnis des leistungsstärksten natürlichen Teilchenbeschleunigers im Universum liefert und wichtige Erkenntnisse für die Multi-Messenger-Astronomie liefert – durch die gemeinsame Analyse mehrerer „Boten“ wie Photonen und Neutrinos wird erwartet, dass der Mensch das wahre Erscheinungsbild extremer Ereignisse im Universum umfassender wiederherstellen kann.