Teilchenbeschleuniger am Himmel: Das IXPE der NASA erforscht den „Mikroquasar“-Mechanismus

Die IXPE-Mission der NASA nutzt den Mikroquasar SS433 als Fallstudie, um die ausgerichteten Magnetfelder in seinen Jets aufzudecken und so unser Verständnis der Teilchenbeschleunigung in Schwarzen Löchern zu verändern. Die starken Gravitationsfelder von Schwarzen Löchern können die Materie ganzer Planeten verschlingen – oft so heftig, dass sie Teilchenströme mit Lichtgeschwindigkeit in Jets ausstoßen. Wissenschaftler wissen, dass diese Hochgeschwindigkeitsstrahlen diese Teilchen, die sogenannte kosmische Strahlung, beschleunigen, über den Prozess ist jedoch wenig bekannt.

Diese zusammengesetzte Ansicht des Manatee-Nebels fängt Jets von SS433 ein, einem Schwarzen Loch, das Material aus den Überresten der Supernova verschlingt, die es erzeugt hat. Neue Forschungen unter Verwendung von Daten der Raumsonde IXPE, insbesondere durch die Untersuchung des Mikroquasars SS433, werfen Licht auf das Phänomen der Teilchenbeschleunigung durch Schwarze Löcher. Die Arbeit zeigt, dass Magnetfelder innerhalb von Jets mit ihrer Bewegung im Einklang stehen, was früheren Theorien widerspricht und unser Verständnis dieses kosmischen Phänomens verbessert.

Die neueste Entdeckung, die Forscher anhand von Daten der Raumsonde IXPE (X-ray Polar Imaging Explorer) der NASA gemacht haben, gibt Wissenschaftlern neue Hinweise darauf, wie die Teilchenbeschleunigung in solch extremen Umgebungen auftritt. Die Beobachtungen stammen von einem „Mikroquasar“, einem System, das aus einem Schwarzen Loch besteht, das Material von einem Begleitstern absaugt.

Ein genauerer Blick auf SS433

Dieser Mikroquasar (Stephenson und Sanduleak 433, kurz SS433) befindet sich im Zentrum des Aquila-Supernova-Überrests W50, etwa 18.000 Lichtjahre von der Erde entfernt. Die mächtigen Jets von SS433, die die Form des Überrestes verzerren und ihm den Spitznamen „Der Seekuhnebel“ einbringen, bewegen sich mit etwa 26 Prozent der Lichtgeschwindigkeit oder mehr als 48.000 Meilen pro Sekunde. SS433 wurde Ende der 1970er Jahre entdeckt und war der erste jemals entdeckte Mikroquasar.

Die drei Bordteleskope des IXPE messen eine besondere Eigenschaft des Röntgenlichts namens Polarisation, die Wissenschaftlern Aufschluss darüber gibt, wie elektromagnetische Wellen bei Röntgenfrequenzen organisiert und angeordnet sind. Röntgenpolarisation hilft Forschern, die physikalischen Prozesse zu verstehen, die in extremen Regionen des Universums ablaufen, beispielsweise in der Umgebung von Schwarzen Löchern, und wie Teilchen in diesen Regionen beschleunigt werden.

Die von den Überresten emittierten Radiowellen sind blaugrün, während die von IXPE, XMM-Newton und Chandra synthetisierten Röntgenstrahlen von hellen Blau-Violett- und Rosa-Weiß-Tönen dominiert werden und die Infrarotdaten einen roten Hintergrund haben. Das Schwarze Loch schleudert zwei Materialstrahlen in entgegengesetzte Richtungen mit nahezu Lichtgeschwindigkeit aus und verzerrt dabei die Form der Überreste. Etwa 100 Lichtjahre vom Schwarzen Loch entfernt wird der Jet hell, und die Teilchen werden durch Stöße im Jet auf sehr hohe Energien beschleunigt. Die IXPE-Daten zeigen, dass Magnetfelder, die eine Schlüsselrolle bei der Teilchenbeschleunigung spielen, parallel zu den Jets ausgerichtet sind – was uns hilft zu verstehen, wie astrophysikalische Jets diese Teilchen auf hohe Energien beschleunigen.

Bahnbrechende Entdeckungen und zukünftige Auswirkungen

IXPE verbrachte im April und Mai 2023 18 Tage damit, einen solchen Beschleunigungspunkt im Ostlappen von SS433 zu untersuchen, wo hochenergetische Elektronen, die sich in einem Magnetfeld spiralförmig bewegen, Strahlung erzeugen – ein Prozess, der als Synchrotronstrahlung bekannt ist.

„Die IXPE-Daten zeigen, dass das Magnetfeld in der Nähe des Beschleunigungsbereichs in die Richtung zeigt, in die sich der Jet bewegt“, sagte der Astrophysiker Philip Kaaret vom Marshall Space Flight Center der NASA in Huntsville, Alabama, Hauptforscher der IXPE-Mission und Hauptautor eines neuen Artikels über die Ergebnisse von SS433. „Die bei IXPE beobachteten hohen Polarisationsgrade lassen darauf schließen, dass die Magnetfelder geordnet sind und mindestens die Hälfte davon in die gleiche Richtung ausgerichtet ist“, sagte er.

Die Entdeckung sei unerwartet gewesen, sagte er. Forscher gehen seit langem davon aus, dass Wechselwirkungen zwischen den Jets und dem interstellaren Medium (der Gas- und Staubumgebung zwischen Sternen) wahrscheinlich Erschütterungen erzeugen, die Magnetfeldstörungen verursachen.