Eine internationale Zusammenarbeit von mehr als 200 Wissenschaftlern aus 13 Ländern hat gezeigt, dass die sehr energiereichen Gammaemissionen von Quasaren (Galaxien mit einem sehr aktiven Kern) nicht auf die Region in der Nähe ihrer zentralen Schwarzen Löcher konzentriert ist, sondern sich in Wirklichkeit entlang ihrer Plasmajets über mehrere tausend Lichtjahre weit erstreckt.
Diese Entdeckung erschüttert aktuelle Szenarien zum Verhalten solcher Plasmajets. Die Arbeit wurde am 18. Juni 2020 im Journal Nature veröffentlicht und als Teil der H.E.S.S Collaboration durchgeführt. Daran waren insbesondere das Centre national de la recherche scientifique (CNRS) und das Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA) in Frankreich sowie die Max-Planck-Gesellschaft und eine Gruppe von Forschungseinrichtungen und Universitäten in Deutschland beteiligt.
In den letzten Jahren haben Forscher das Universum mithilfe von Gammastrahlung beobachtet, die aus sehr energiereichen Photonen besteht. Gammastrahlen bilden einen Teil der kosmischen Strahlen, welche die Erde ständig bombardieren, und stammen aus Regionen des Universums, wo Teilchen auf hohe Energien beschleunigt werden, die von Teilchenbeschleunigern auf der Erde nicht erreicht werden können. Gammastrahlen werden von einer Vielzahl kosmischer Objekte emittiert, beispielsweise Quasaren, also aktiven Galaxien mit sehr energiereichen Kernen.
Die Intensität der von diesen Systemen emittierten Strahlung kann innerhalb sehr kurzer Zeitspannen von bis zu einer Minute variieren. Wissenschaftler vermuteten daher, dass die Quelle dieser Strahlung sehr klein ist und in der Nähe eines supermassiven Schwarzen Lochs liegt, das mehrere Milliarden Sonnenmassen besitzen kann. Das Schwarze Loch verschlingt Materie, die in seine Richtung fällt, und katapultiert einen kleinen Teil davon in der Form großer Plasmajets mit relativistischen Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit fort. Dadurch trägt es zur Neuverteilung der Materie im Universum bei.
Mit dem H.E.S.S Observatory in Namibia beobachtete ein internationales Forschungsteam eine Radiogalaxie (eine Galaxie, die im Radiowellenbereich hell leuchtet) mehr als 200 Stunden lang in beispielloser Auflösung. Als die der Erde nächstgelegene Radiogalaxie ist Centaurus A ein schönes Objekt für eine solche Studie und erlaubt Forschern, die Region zu identifizieren, aus der die sehr energiereiche Strahlung stammt, während sie die Bahn der Plasmajets untersuchen.
Sie konnten zeigen, dass sich die Quelle der Gammastrahlung über eine Distanz von mehreren tausend Lichtjahren erstreckt. Diese ausgedehnte Emission spricht dafür, dass die Beschleunigung der Teilchen nicht ausschließlich in der Nähe des Schwarzen Lochs stattfindet, sondern auch entlang der gesamten Länge der Plasmajets. Basierend auf diesen neuen Ergebnissen vermutet man jetzt, dass die Teilchen durch zufällige Prozesse entlang der Jets wieder beschleunigt werden.
Die Entdeckung lässt darauf schließen, dass viele Radiogalaxien mit ausgedehnten Jets Elektronen auf extreme Energien beschleunigen und Gammastrahlen emittieren könnten. Das könnte möglicherweise die Ursprünge eines beträchtlichen Anteils an der diffusen, extragalaktischen Hintergrundgammastrahlung erklären.
Diese Ergebnisse geben wichtige neue Einblicke in Quellen kosmischer Gammastrahlung und besonders in die Rolle der Radiogalaxien als hocheffiziente, relativistische Elektronenbeschleuniger. Aufgrund ihrer großen Anzahl scheint es so, als würden Radiogalaxien gemeinsam einen hohen Beitrag zur Neuverteilung der Energie im intergalaktischen Medium liefern.
Die Ergebnisse dieser Studie erforderten umfangreiche Beobachtungen und optimierte Analysetechniken mit H.E.S.S., dem aktuell empfindlichsten Gammastrahlenteleskop. Teleskope der nächsten Generation wie das Cherenkov Telescope Array (CTA) werden es zweifellos ermöglichen, dieses Phänomen sogar noch detaillierter zu beobachten.
(THK)
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