Neue Bilder vom Event Horizon Telescope zeigen, wie Schockwellen und magnetische Turbulenzen im Jet eines supermassiven Schwarzen Lochs zusammenwirken, und bieten einen noch nie dagewesenen Einblick in die Funktionsweise dieser kosmischen „Motoren”.
Ein internationales Team hat mit dem
Event Horizon Telescope (EHT) die ersten direkten, räumlich aufgelösten Bilder von Schockwellen gemacht, die mit magnetischen Turbulenzen im Jet eines supermassiven Schwarzen Lochs interagieren. Die Ergebnisse, die heute in
Astronomy & Astrophysics veröffentlicht wurden (siehe Link
hier), zeigen schnelle Veränderungen, die ganz in der Nähe des Schwarzen Lochs passieren, in dem Bereich, wo Jets geformt und mit Energie versorgt werden.
Eine Nahaufnahme von OJ 287Das Ziel der Beobachtungen ist OJ 287, eine bekannte aktive Galaxie, die etwa 1,6 Milliarden Lichtjahre entfernt im Sternbild Krebs liegt. OJ 287 zeigt seit mehr als einem Jahrhundert dramatische Aktivitäten und wird oft als mögliches binäres supermassives Schwarzes-Loch-System diskutiert. Seine langfristige Variabilität macht es zu einem wichtigen natürlichen Labor, um zu untersuchen, wie Schwarze Löcher sich ernähren und wie Jets reagieren.
Mit der außergewöhnlichen Auflösungsleistung des EHT – vergleichbar mit dem Erkennen eines Tennisballs auf dem Mond – hat das Team den innersten Bereich des Jets abgebildet und zwei kompakte helle Merkmale identifiziert, die sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten nach außen bewegen. Diese Merkmale verhalten sich wie sich ausbreitende Schocks, die das Plasma auf ihrer Reise komprimieren und erhitzen.
Polarisiertes Licht enthüllt ein verdrehtes MagnetfeldDer entscheidende Durchbruch kommt von der Polarisation, die Infos über Magnetfelder enthält. Während sich die beiden Schockmerkmale durch den inneren Jet bewegen, dreht sich die Polarisationsrichtung ihres ausgestrahlten Lichts. Bemerkenswert ist, dass sich die beiden Merkmale in entgegengesetzte Richtungen drehen. Dieses Muster liefert starke Hinweise darauf, dass der Jet von einem spiralförmigen (korkenzieherartigen) Magnetfeld durchzogen ist und dass die sich bewegenden Schocks verschiedene Teile (Phasen) dieser magnetischen Struktur beleuchten.
Die Bilder zeigen auch, dass der Jet nicht einfach gerade und glatt ist. Stattdessen weist er eine verdrehte, wellenförmige Gestalt auf, die mit Kelvin-Helmholtz-Instabilitäten übereinstimmt – einem häufigen physikalischen Effekt, der auftritt, wenn benachbarte Schichten einer Strömung sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten bewegen und dabei Wellen und Wirbel erzeugen. Im Fall von OJ 287 können solche Instabilitäten ein spiralförmiges Muster im Jet-Plasma erzeugen, das bestimmt, wo Schocks heller werden und wie sich die Polarisation entwickelt.
Veränderungen innerhalb von nur fünf TagenDie Analyse basiert auf EHT-Beobachtungen, die im April 2017 über einen Zeitraum von fünf Tagen gemacht wurden. In dieser kurzen Zeit haben sich die Struktur des Jets und seine Polarisation stark verändert, was zeigt, dass der innere Jet eine sehr dynamische Umgebung ist. Mit einer dichteren Zeitabdeckung in zukünftigen Beobachtungskampagnen könnte man diese Wechselwirkungen kontinuierlicher verfolgen und die sich entwickelnde magnetische Geometrie des Jets vollständiger rekonstruieren.
Umwandlung globaler Teleskopdaten in PolarisationsbilderDie Erstellung zuverlässiger Polarisationskarten in EHT-Auflösung ist technisch anspruchsvoll. Polarisationssignale sind vergleichsweise schwach und können durch kleine instrumentelle Unvollkommenheiten an jedem Teleskop stark beeinflusst werden. Die Analyse erfordert daher eine sorgfältige Kalibrierung, umfangreiche Validierung und Gegenprüfungen unter Verwendung mehrerer unabhängiger Bildgebungsverfahren, um sicherzustellen, dass die erfassten Polarisationsmuster die Quelle selbst widerspiegeln.
Relativistische Jets gehören zu den stärksten Phänomenen im Universum und können Energie über Tausende von Lichtjahren transportieren. Dennoch bleiben wichtige Fragen offen: Wie werden Jets ausgestoßen, wie bleiben sie kollimiert, wo bilden sich Schocks und wie werden Teilchen auf extreme Energien beschleunigt? Durch die direkte Auflösung von Schockmerkmalen und die Verknüpfung ihres Polarisationsverhaltens mit Instabilitäten und der Magnetfeldstruktur liefern diese EHT-Beobachtungen neue, strenge Tests für theoretische Modelle und numerische Simulationen der Jet-Dynamik.
Dieses Ergebnis eröffnet ein neues Beobachtungsfenster zur Jet-Physik in der Nähe des Schwarzen Lochs, wo Magnetfelder, Turbulenzen und Schocks auf den kleinsten zugänglichen Skalen interagieren.
Unser TeamDie Studie wird von einer Gruppe von Radioastronomen geleitet, darunter die folgenden Mitarbeiter des MPIfR: Efthalia Traianou, Thomas P. Krichbaum, Guang-Yao Zhao, Yuri Y. Kovalev und Stefanie Komossa. Außerdem sind diese anderen Kollegen, die an der Veröffentlichung beteiligt sind, auch mit dem MPIfR verbunden: Walter Alef, Rebecca Azulay, Uwe Bach, Anne-Kathrin Baczko, Silke Britzen, Gregory Desvignes, Sergio A. Dzib, Ralph P. Eatough, Christian M. Fromm, Michael Janßen, Ramesh Karuppusamy, Jae-Young Kim, Joana A. Kramer, Michael Kramer, Jun Liu,
Andrei P. Lobanov, Rusen Lu, Nicholas R. MacDonald, Nicola Marchili, Karl M. Menten, Cornelia Müller, Dhanya G. Nair, Georgios Filippos Paraschos, Eduardo Ros, Helge Rottmann, Alan L. Roy, Saurabh, Tuomas Savolainen, Lijing Shao, Pablo Torne, Jan Wagner, Robert Wharton, Gunther Witzel und J. Anton Zensus.
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