Die gewaltigen Gravitationsfelder von Schwarzen Löchern können ganze Planeten verschlingen – oft sind sie so stark, dass sie Teilchenströme ausstoßen, die sich mit annähernd Lichtgeschwindigkeit bewegen, sogenannte Jets. Wissenschaftler verstehen, dass die Hochgeschwindigkeitsjets diese Teilchen (kosmische Strahlen) beschleunigen können, aber über diesen Prozess gibt es nur wenig gesichertes Wissen.
Neue Ergebnisse von Forschern, die den Imaging X-ray Polarimetry Explorer (IXPE) der NASA verwendeten, geben neue Hinweise darauf, wie die Teilchenbeschleunigung in dieser extremen Umgebung abläuft. Die Beobachtungen stammen von einem Mikroquasar – einem System, das aus einem Schwarzen Loch besteht, welches Materie von einem Begleitstern abzieht.
Der fragliche Mikroquasar namens „Stephenson and Sanduleak 433“ oder kurz SS 433 liegt im Zentrum des Supernova-Überrests W50, rund 18.000 Lichtjahre von der Erde entfernt in Richtung des Sternbildes Aquila (Adler). Die starken Jets von SS 433, die die Form des Überrests verzerren und ihm den Spitznamen „Manatee Nebula“ (Seekuh-Nebel) einbrachten, bewegen sich mit 26 Prozent der Lichtgeschwindigkeit – mehr als 76.000 Kilometer pro Sekunde. SS 433 wurde in den späten 70er Jahren entdeckt und ist der erste Mikroquasar, der jemals entdeckt wurde.
Die drei Teleskope an Bord des IXPE messen eine spezielle Eigenschaft des Röntgenlichts, die als Polarisation bezeichnet wird. Sie verrät Wissenschaftlern Informationen über die Ausrichtung der elektromagnetischen Wellen in Röntgenfrequenzen. Die Röntgenpolarisation hilft Forschern, die physikalischen Prozesse zu verstehen, die in extremen Regionen unseres Universums ablaufen (beispielsweise in den Umgebungen von Schwarzen Löchern), und wie die Teilchen in diesen Regionen beschleunigt werden.
IXPE verbrachte im April und Mai 2023 circa 18 Tage mit der Untersuchung solch einer Beschleunigungsregion im östlichen Bereich von SS 433, wo energiereiche Elektronen sich spiralförmig in einem Magnetfeld bewegen und Strahlung emittieren. Das ist ein Prozess, der als Synchrotronstrahlung bekannt ist.
„Die IXPE-Daten zeigen, dass das Magnetfeld in der Nähe der Beschleunigungsregion in die Richtung zeigt, in die sich auch die Jets bewegen“, sagte der Astrophysiker Philip Kaaret vom Marshall Space Flight Center der NASA in Huntsville (Alabama). Er ist der Projektleiter der IXPE-Mission und Hauptautor einer neuen Studie über die Ergebnisse zu SS 433.
„Der hohe Polarisationsgrad, den wir mit IXPE sehen, zeigt, dass das Magnetfeld sehr geordnet ist, wobei mindestens die Hälfte des Feldes in dieselbe Richtung ausgerichtet ist“, sagte Kaaret.
Die Entdeckung kam ihm zufolge unerwartet. Wissenschaftler haben lange vermutet, dass bei der Interaktion zwischen dem Jet und dem interstellaren Medium (die Umgebung aus Gas und Staub zwischen den Sternen) wahrscheinlich eine Schockwelle erzeugt wird, was zu ungeordneten Magnetfeldern führt.
Die Daten schlagen eine neue Möglichkeit vor. Sie besagt, dass die Magnetfelder innerhalb der gewaltigen Jets gefangen sein könnten und langgezogen werden, wenn sie mit interstellarer Materie kollidieren. Das beeinflusst direkt ihre Ausrichtung in der Region der Teilchenbeschleunigung.
Seit den 1980er Jahren haben Forscher vermutet, dass die Jets von SS 433 als Teilchenbeschleuniger agieren. Im Jahr 2018 bestätigten Beobachter am High-Altitude Water Cherenkov Observatory in Puebla (Mexiko) den Beschleunigungseffekt der Jets. Wissenschaftler nutzten die Weltraumteleskope NuSTAR (Nuclear Spectroscopic Telescope Array der NASA und XMM-Newton der ESA, um die Beschleunigungsregion zu lokalisieren.
Während die Wissenschaftler die IXPE-Ergebnisse auswerten und neue Ziele im Weltraum untersuchen, könnten seine Daten auch helfen festzustellen, ob der gleiche Mechanismus die Magnetfelder in jenen Abströmungen am Werk ist, die bei zahlreichen Phänomenen beobachtet werden – von den Jets Schwarzer Löcher, die von Supernova-Überresten wegströmen, bis hin zu den Überresten explodierter Sterne.
„Diese sehr empfindliche Messung wurde durch die Abbildungsfähigkeiten der Röntgenpolarimeter an Bord von IXPE ermöglicht, die den Nachweis des schwachen Signals in einer kleinen Region des Jets rund 95 Lichtjahre von dem zentralen Schwarzen Loch entfernt erlaubten“, sagte Paolo Soffitta, der leitende Wissenschaftler der IXPE-Mission aus Italien.
Die neue Studie, die die IXPE-Beobachtungen zu SS 433 detailliert beschreibt, wurde in der neuesten Ausgabe des Astrophysical Journal veröffentlicht.
(THK)
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