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Astronomie+Physik

Kosmische Teilchenschleudern im Riesenmaßstab

Centaurus A
Kompositaufnahme der Galaxie Centaurus A überlagert mit der Gammastrahlen-Messung durch H.E.S.S. (Bild: ESO/WFI; MPIfR/ESO/ APEX, A.Weiss et al.; NASA/CXC/ CfA, R.Kraft et al.; H.E.S.S. Collaboration

Im Herzen aktiver Galaxien sitzen die größten Teilchenbeschleuniger des Kosmos – supermassereiche Schwarze Löcher. Sie erzeugen Plasmaströme, in denen Teilchen mit fast Lichtgeschwindigkeit durchs All rasen. Doch wie nun Beobachtungen der zwölf Millionen Lichtjahre entfernten Galaxie Centaurus A enthüllen, sind diese kosmischen Beschleuniger noch größer als bislang gedacht. Denn Centaurus A erzeugt seine enorm energiereichen Gammastrahlen nicht nur direkt am Schwarzen Loch, sondern auch in den bis zu tausend Lichtjahre weit ins All reichenden Plasma-Jets. Das deutet auf Beschleunigungsvorgänge auch in diesen ausgedehnten Teilchenströmen hin.

Wenn das zentrale Schwarze Loch einer Galaxie gerade große Mengen an Materie verschlingt, ist dies weithin sichtbar. Denn dabei werden große Mengen an energiereicher Strahlung, Radiowellen und Teilchen frei. Ausgangspunkt dieser Emissionen ist zum größten Teil die Akkretionsscheibe um das supermassereiche Schwarze Loch – eine rotierende Scheibe aus dem Material, das das Schwarze Loch angezogen hat. Bei einigen dieser aktiven Galaxien entstehen zusätzlich paarige Plasma-Jets, Ströme aus stark beschleunigten Teilchen, die senkrecht nach oben und unten aus der Galaxie hinausgeschleudert werden. Diese Jets können hunderte bis tausende Lichtjahre lang sein und sind vor allem im Radiowellenbereich gut zu sehen und zu vermessen. In kurzwelligen Strahlenbereichen wie der Röntgen- und Gammastrahlung war es bislang jedoch schwer, die Jets sichtbar zu machen. „Am höchstenergetischen Ende des elektromagnetischen Spektrums konnte Centaurus A aber bisher nur als unaufgelöste Punktquelle beobachtet werden“, erklärt Markus Holler von der Universität Innsbruck und Mitglied der H.E.S.S.-Kollaboration.

Nur am Schwarzen Loch oder auch im Jet?

Durch diese Einschränkung konnten Astrophysiker eine entscheidende Frage bisher nicht klären: Wo in den aktiven Galaxien die energiereichen Gammastrahlen entstehen. Sollte der Beschleuniger für die diese Strahlung aussendenden Elektronen unmittelbar am Schwarzen Loch sitzen, dann dürfte nur der galaxiennahe Teil der Plasma-Jets Gammastrahlung aussenden. Denn die beschleunigten Elektronen verlieren schnell an Energie und geben dann nur noch längerwellige Strahlung ab. Gibt aber der Plasma-Jet auf ganzer Länge Gammastrahlung ab, dann müssen die Teilchen auch im Jet selbst weiter beschleunigt werden. Welches dieser Szenarien zutrifft, haben die Wissenschaftler der H.E.S.S.-Kollaboration nun mithilfe der zwölf Millionen Lichtjahre entfernten Radiogalaxie Centaurus A untersucht. Sie ist einer der hellsten Galaxien des Südhimmels und vor allem im Radiobereich gut beobachtbar. Ihr rund tausend Lichtjahre langer Jet wurde daher bisher schon in Wellenbereichen vom Radio- bis zum Röntgenbereich vermessen.

Jetzt haben die Astronomen diese Radiogalaxie mit den Teleskopen des High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.) in Namibia ins Visier genommen. Diese Teleskope detektieren das Eintreffen von kosmischen Gammastrahlen auf indirekte Weise. Wenn Gammastrahlen auf die Atmosphäre treffen, erzeugen sie Kaskaden angeregter, geladener Teilchen, die bei ihrem Rückfall in den Grundzustand Licht abgeben. Dieses sogenannte Tscherenkow-Licht können die H.E.S.S.-Teleskope einfangen. Für ihre Studie haben die Forscher Centaurus A mehr als 200 Stunden mit dieser Anlage beobachtet. „Als die der Erde am nächsten gelegene Radiogalaxie war Centaurus A für eine solche Untersuchung günstig, da sie uns ermöglichte, die Herkunftsregion der sehr hochenergetischen Strahlung entlang der Plasma-Jets zu identifizieren“, sagt der stellvertretende H.E.S.S.-Direktor Mathieu de Naurois vom Forschungszentrum CNRS in Frankreich. Die erhaltenen Daten werteten mehrere Forscherteams mithilfe spezieller Simulationen aus, die dabei halfen, den Ursprungsort der verschiedenen Gammastrahlen zu lokalisieren.

Gammastrahlen auf ganzer Länge

Dadurch ist es den Mitgliedern der H.E.S.S.-Kollaboration erstmals gelungen, herauszufinden, ob auch im Plasma-Jet einer aktiven Galaxie Gammastrahlung entsteht. „Wir können nun nicht nur erstmals Centaurus A von einer Punktquelle unterscheiden, sondern sogar die Emission durch ihre Form zum Teil dem Jet zuordnen“, erläutert Markus Holler von der Universität Innsbruck. Demnach geht die starke Gammastrahlung von Centaurus A nicht nur vom Zentrum der Galaxie aus, sondern wird auch auf der gesamten Länge des Plasma-Jets freigesetzt. Das aber bedeutet, dass die Teilchen auch innerhalb dieses Jets weiter beschleunigt werden. „Allein die Tatsache, dass Photonen aus dem Jet bis in diesen hochenergetischen Gammastrahlenbereich nachgewiesen werden konnten, setzt dort die Existenz von geladenen Teilchen voraus, die eine Energie von mindestens 10 bis 100 Billionen Elektronenvolt erreichen müssen“, erklärt Anita Reimer von der Universität Innsbruck. Folglich muss es dort einen effizienten, entlang des Jets verteilten, kontinuierlich operierenden Beschleunigungsmechanismus geben.

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Die größten Teilchenbeschleuniger des Universums sind demnach noch größer als bislang gedacht. Sie sitzen nicht nur im Zentrum aktiver Galaxien, sondern reichen bis in ihre langen Jets hinaus. „Diese Entdeckung revolutioniert unser Verständnis der großräumigen Jets und bedeutet einen großen Schritt vorwärts für unser Verständnis der kosmischen Teilchenbeschleunigung insgesamt“, sagt H.E.S.S.-Wissenschaftler Andrew Taylor vom Deutschen Elektronensynchrotron (DESY) in Hamburg. Wie die Teilchen in den Plasma-Jets im Detail beschleunigt werden, müssen allerdings künftige Beobachtungen und Modelle klären. Auch die Frage, ob die Beobachtungen bei Centaurus A auf alle aktiven Galaxien mit Jets übertragen werden können, ist noch offen. Die Astronomen hoffen aber, diese Frage bald mit dem Cherenkov Telescope Array (CTA) zu klären. Dieses in Chile geplante Gammastrahlenobservatorium ist auflösungsstärker als H.E.S.S. und könnte daher weitere Einblicke liefern.

Quelle: .E.S.S. Collaboration, Nature, doi: 10.1038/s41586-020-2354-1

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