Jets sind die größten Teilchenbeschleuniger des Universums! Es handelt sich dabei um gebündelte Materieausflüsse von kosmischen Objekten, die auf einer großen Längenskala vertreten sind.

Mikro-Jets

So beobachten Astronomen protostellare Jets oder Jets junger Sterne (siehe YSOs), beispielsweise in Herbig-Haro-Objekten oder T-Tauri-Sternen, die auf der stellaren Längenskala auftreten.
In Röntgendoppelsternen fließt Materie eines massereichen Sterns auf ein kompaktes Objekt. Dabei entstehen auch stellare Jets. Im Extremfall bilden sich sogar relativistische Jets auf der stellaren Längenskala, z.B. bei Mikroquasaren, Mikroblazaren und in den Gamma Ray Bursts (GRBs). Sämtliche Jets dieser kleineren Größenordnung subsumieren Astrophysiker bisweilen unter dem Begriff Mikro-Jets.

Makro-Jets

Aber die Astronomen beobachten auch die viel größeren Jets – die Makro-Jets – von Aktiven Galaktischen Kernen (AGN), also beispielsweise bei Radiogalaxien oder (radiolauten) Quasaren. Sie haben Längen auf der kpc- oder sogar Mpc-Skala!
Baade und Minkowski prägten den Begriff Jet 1954 an der Radiogalaxie M87. Diese elliptische Zentralgalaxie des Virgo-Haufens zeigt eine längliche Struktur, die etwa zwei Bogensekunden lang ist und die mit dem Begriff Jet gemeint ist. Deutlich sichtbar ist der Jet von M87 in der optischen Aufnahme rechts, die mit dem Weltraumteleskop Hubble gemacht wurde (Credit: NASA and The Hubble Heritage Team 2000).

Entstehungsmechanismus: Vom Scheitern der Hydrodynamik

Ohne Materieeinfall, kein Materieausstoß: Jet und Akkretionsfluss sind immer untrennbar miteinander in der Astrophysik verbunden. Die Akkretionsscheibe füttert den Jet mit Materie, die aus äußeren Regionen einfällt. Der Antrieb für Materieeinfall ist die Gravitation: In Einsteins Sprache krümmt ein Zentralobjekt mit der Eigenschaft Masse die Raumzeit und zieht daher Materie aus der Umgebung an. Aber weshalb sammelt sich nicht alles 'auf einem Haufen im Zentrum' an? Die Schlüsselfrage ist, welche physikalischen Prozesse für ein Ausströmen der Materie sorgen.
Die sich bewegende Materie kann in der Theorie sehr gut als Flüssigkeit beschrieben werden, so dass einfache Akkretions- und Jetmodelle auf der reinen Hydrodynamik basieren. Viele beobachtete Sachverhalte können so reproduziert werden: das Einströmen auf das Zentralobjekt, die Turbulenz der Strömung, hydrodynamische Instabilitäten (z.B. Kelvin-Helmholtz- und Rayleigh-Taylor-Instabilität). Auch ein Ausfließen der Materie, das durch den rein hydrodynamischen Gasdruck und/oder Zentrifugaldruck angetrieben wird (falls die Konfiguration rotiert), tritt in Computersimulationen auf. Dennoch wurde bei diesen Forschungsarbeiten klar, dass es so noch nicht in der Natur funktioniert. Denn die beobachteten schnellen und gebündelten Jets konnten so nicht reproduziert werden.

vitale Zutat: Magnetfelder

In der einfallenden Materie gibt es elektrische Ladungsträger – das tritt umso gravierender auf, je heißer der Akkretionsstrom ist. Die Ionisierung führt zu einem Plasma, dessen Dynamik beschrieben werden muss. Die Elektrodynamik lehrt uns, dass mit den Ladungen Felder assoziiert sind, nämlich elektrische Felder und Magnetfelder. Wie sich herausstellte sind sie notwendig, um die Entstehung von Jets zu verstehen. Die Hydrodynamik muss also entsprechend zur Magnetohydrodynamik verallgemeinert werden.

Entstehungsmechanismus 1: Jets von magnetischen Winden

Der erste Prozess zur Bildung von Jets heißt Blandford-Payne-Szenario. Wie unter diesem Eintrag detaillierter beschrieben wird, treibt eine rotierende, magnetisierte Akkretionsscheibe einen Scheibenwind. Die Windgeschwindigkeiten sind vergleichbar mit der Rotationsgeschwindigkeit (Keplergeschwindigkeit) am jeweiligen Bahnorbit. Dieses von der Scheibe abströmende Material stellt einen breiten Ausfluss dar, der zu einem Jet werden kann. Zur weiteren Bündelung des breiten zu einem engen Ausfluss sind Magnetfelder erforderlich, die in einem der folgenden Abschnitte beschrieben werden.
Bei schwach magnetisierten Akkretionsscheiben ist für die Dynamik die so genannte magnetische Rotationsinstabilität (MRI) entscheidend. Sie sorgt effizient für eine Umverteilung des Drehimpulses: Drehimpulstransport nach außen ist gerade Voraussetzung für den Einfall. Denn sonst würde die einfallende Materie an der Drehimpulsbarriere reflektiert werden. Die MRI bewirkt Materieeinfall und letztlich das Wachstum des Zentralobjekts durch Akkretion.

Entstehungsmechanismus 2: Jets durch schnell rotierende Raumzeit

Der zweite Prozess erfordert ein schnell rotierendes Schwarzes Loch, das in Einsteins Theorie mit der Kerr-Lösung beschrieben wird. Ein solches Loch hat zwar nur zwei Eigenschaften, nämlich Masse und Rotation, aber das birgt zwei gigantische Energieformen, nämlich Ruheenergie und Rotationsenergie. Die Rotationsenergie wird nun durch den einströmenden Akkretionsfluss angezapft – die Magnetfelder spielen dabei die Rolle 'eines langen Arms', mit dem die Rotationsenergie aus dem Loch gezogen wird. Das funktioniert jedoch nur, wenn die Magnetfelder sehr nahe an das Schwarze Loch herankommen, nämlich fast bis an den Ereignishorizont, in die so genannte Ergosphäre hinein. Denn hier ist die Rotation der Raumzeit besonders hoch (und nur hier funktioniert der Penrose-Prozess).
Das Szenario ist wie folgt: die vom Akkretionsstrom herangebrachten Magnetfelder wechselwirken mit dem rotierenden Loch. Frame-Dragging verdrillt die Magnetfelder und schnürt eine Art 'magnetischen Zopf'. Das geht allerdings nicht lange gut: Durch das Verdrillen stoßen irgendwann Magnetfeldlinien unterschiedlicher Polarität aufeinander. Dann setzt eine Art 'Kurzschluss' ein, der in der Fachsprache Rekonnexion (engl. reconnection) heißt. Dabei brechen die Magnetfelder lokal zusammen und übertragen die ehemals magnetische Feldenergie auf das Plasma in der Umgebung. Das Plasma hat nun so hohe kinetische Energie gewonnen, dass es sogar aus der unmittelbaren Umgebung eines Schwarzen Loches entkommen kann. Die MHD kommt auch auf die Weise ins Spiel, dass so genannte Poynting-Flüsse getrieben werden. Das sind elektromagnetische Energieflüsse, auf denen das Plasma 'reiten kann, wie ein Surfer auf der Welle'. Ein schnell rotierendes Loch ist ein guter Erzeuger für solche MHD-Wellen.
Auch bei diesem zweiten Mechanismus, dem Blandford-Znajek-Prozess, sind weitere Effekte zur Bündelung (Kollimation) zum Jet notwendig. Die Kollimation der Jets in AGN geschieht allerdings typischerweise deutlich weiter außen, ab etwa 100 Schwarzschildradien (zum Vergleich: die Ergosphäre schließt bei nur zwei Gravitationsradien ab!). Für einen Quasar mit einem 100-Millionen-Sonnenmassen-Loch entspricht die Distanz von 100 Schwarzschildradien nur etwa 200 Astronomischen Einheiten! Die Jetentstehung von aktiven Galaxien läuft offenbar nur im 'dunklen Herzen' der Galaxie ab.

Entscheidungen aus der Beobachtung

Die Forschung in der theoretischen Astrophysik hat also diese zwei Modelle herausgearbeitet, die die Entstehung von Jets magnetisch erklären. Die Aufgabe des astronomischen Beobachters ist nun zu entscheiden, ob eines der Modelle, beide oder keines dafür verantwortlich sind, dass kosmische Jets entstehen. Weil Modell 2, der Blandford-Znajek-Prozess, ein Kerr-Loch erfordert, ist die Sachlage zumindest dort klar, wo kein Schwarzes Loch vermutet wird, nämlich bei den protostellaren Jets. Hier scheint das Blandford-Payne-Szenario am Werke zu sein. Die Physik der Protosterne ist allerdings kompliziert genug, dass es auch hier noch viele Forschungsfragen zu klären gibt. Eine davon ist die Kühlung der Wasserstoffmoleküle durch Abgabe von Strahlung.
Schwieriger wird es im Falle der AGN und GRBs, in denen nach allgemeiner Lehrmeinung ein Schwarzes Loch verborgen ist. Moderne, hochauflösende Beobachtungen mittels VLBI haben das Potenzial, um den Entstehungsprozess relativistischer Jets zu entlarven. Denn sie kommen so nahe an das Loch heran, dass die Gestalt von Akkretionsfluss und Jet studiert werden kann. Die Abbildung der Zentralregion verspricht die Lösung, weil eine breite Jetbasis für die Scheibe spricht (Blandford-Payne-Szenario, Modell 1), aber eine kleine Entstehungsregion eher für das Loch (Blandford-Znajek-Prozess, Modell 2). Es ist auch plausibel anzunehmen, dass eine Mischung aus beiden Prozessen einen Jet speist. Die Jetentstehung um rotierende Schwarze Löcher fasst die nächste Illustration schematisch zusammen:

Verschwindet der Energielieferant?

Die Energie für Entstehungsmechanismus 2 stammt zwar aus dem zentralen Schwarzen Loch, und es verliert Rotationsenergie. Dennoch kann man nun nicht zwingend davon ausgehen, dass rotierende Schwarze Löcher ihre Rotation in entwickelten Jet-Systemen aufgeben (und in die Schwarzschild-Lösung übergehen). Denn das Loch gewinnt durch Akkretion auch wieder an Drehimpuls/Rotation. Im Allgemeinen wird viel mehr Materie vom Loch aufgesammelt, als wieder im Jet weggeschleudert wird.

magnetische Bündelung und Beschleunigung

Die Abbildung oben (großes Bild) geht illustrativ auf eine Idee von Christian Fendt (MPIA Heidelberg) zurück und zeigt, wie Lorentz-Kräfte den (lokal geladenen) Plasmafluss des Jets ablenken: einerseits gibt es kollimierende Kräfte, die auf die Jetachse gerichtet sind und so den Jet auch auf großen Längenskalen (kpc bis Mpc!) bündeln; andererseits existieren beschleunigende Kräfte, die den Jet vorantreiben. Die jeweilige Richtung der Lorentz-Kraft folgt gemäß der bekannten Drei-Finger-Regel (Ursache, Vermittlung, Wirkung) unter Beachtung der Richtung des lokalen Plasmastroms und der zugeordneten Magnetfeldrichtung. Nebenbei gibt es Beschleunigungs- und Abbremsungseffekte, durch gasdruckgetriebene Kräfte (reine Hydrodynamik) und MHD-Effekten, wie den Alfv?n-Wellen.

Strukturen im Jet

Die Abbildung oben zeigt den Querschnitt eines klassischen, rein hydrodynamischen Jets (ohne Magnetfelder) entlang seiner Ausbreitungsrichtung von links nach rechts. In das Schema, das auf Computersimulationen basiert, sind die Bezeichnungen der Substrukturen eingetragen. Zunächst wird der Jet im Zentrum eines AGN oder YSOs erzeugt. Das geschieht hier links in der Region 'Antrieb'. Das Jetplasma propagiert dann im viel dünneren intergalaktischen (IGM; beim Makro-Jet) oder interstellaren Medium (ISM; beim Mikro-Jet) und bildet rechts einen Bugschock (engl. bow shock) aus. In diesem Bereich befindet sich die so genannte Kontaktdiskontinuität (engl. contact discontinuity), in der Dichte und Temperatur unstetig springen. Hier links von der Unstetigkeit befindet sich die Machscheibe (engl. Mach disk). Dort entsteht ein Rückfluss des Jetplasmas, der entlang der Jetachse einen so genannten Kokon (engl. cocoon) formt. Entlang der Jetachse kommt es ebenfalls zu internen, schrägen Schockwellen (engl. internal shocks), die vermutlich die hellen Emissionsknoten bekannter Quellen verursachen. Ein bekanntes Phänomen am Übergangsgebiet unterschiedlich strömender Schichten sind die zahlreichen Kelvin-Helmholtz-Instabilitäten, die charakteristische Wirbel (engl. eddies, vortices) zwischen auswärts propagierendem Jetplasma und inwärts propagierendem Plasma im Kokon ausbildet. Überlagert ist die ganze Jetströmung mit der für die Hydrodynamik typischen Turbulenz.
Zum Teil werden diese Strukturen direkt astronomisch beobachtet. In den extragalaktischen Jets von radiolauten Quasaren und Radiogalaxien gibt es eine Terminologie für die wesentlichen, beobachteten Strukturen im Jet:

• Die heißen Flecken (engl. hot spots) sind eine helle Region am äußeren Ende des Jets. Diese Flecken sind gerade mit dem oben beschriebenen Bugschock assoziiert. Die Dimension der Hot Spots liegt bei etwa 1 kpc. Die Strahlung ist stark polarisiert und auch optisch nachweisbar
• Die Bögen (engl. lobes) sind ausgedehnte, bogenförmige Strukturen, die mit dem 'verwirbelten Jet' in Zusammenhang stehen.
• Der Bugschock (engl. bow shock) ist in der Regel gut sichtbar. Es handelt sich dabei um eine ausgedehnte Region am Ende des Jets, wo das relativistisch bewegte Jetplasma auf das äußere Medium trifft und es daher 'schockt'.

Quelle hochenergetischer Teilchen

Auch Schockwellen beeinflussen die Propagation von Jets. Das Jetplasma kann durch den Mechanismus der Fermi-Beschleunigung auf äußerst hohe Geschwindigkeiten beschleunigen und so – vor allem in AGN- und GRB-Jets – die Quelle ultra-hochenergetischer Protonen und Neutrinos sein. Die Neutrinoforscher am Südpol jagen gerade diese UHE-Neutrinos mit den Experimenten AMANDA und ICECUBE.

Schneller als das Licht!

Messungen von Jetgeschwindigkeiten (beispielsweise bei Blazaren) haben erstaunlicherweise auch Geschwindigkeiten oberhalb der Lichtgeschwindigkeit ergeben (engl. superluminal motion)! Dies sieht zunächst nach einem Widerspruch zur Speziellen Relativitätstheorie (SRT) aus, kann aber leicht erklärt werden: Dieses mysteriöse Phänomen kommt nämlich nur dann zustande, wenn der betrachtete Jet relativistisch ist und fast genau auf den Beobachter zeigt. Die Astronomen beschreiben das so, dass der Jet dann einen kleinen Neigungswinkel (Inklination) aufweist. Eine Inklination von 0° bedeutet üblicherweise, dass der Jet exakt auf den Beobachter zeigt; 90° bedeutet, dass der Jet senkrecht zur Sichtlinie des Beobachters ('von links nach rechts' oder 'von rechts nach links') verläuft. Mit einer kleinen Rechnung, die nur auf der SRT und der Geometrie dieser Situation beruht kann man zeigen, dass typischerweise bei Inklinationen kleiner als etwa 10° ein (für den Beobachter!) überlichtschneller Jet resultieren kann.
Das geht so: Wir nehmen an, dass bei einem Quasar mit einer kosmologischen Rotverschiebung z der Jet sich mit einer Geschwindigkeit v_jet (im Quasarsystem) ausbreiten möge. Gemäß SRT gibt es zwischen Beobachter- und Quasarsystem eine Zeitdilatation, die einerseits kosmologisch und andererseits speziell relativistisch durch die schnelle Ausbreitung des Jets bedingt ist. Zwischen Beobachter- und Quasarsystem vermittelt daher ein Umrechnungsfaktor der unterschiedlichen Zeitmaße. Für kleine Winkel gilt näherungsweise, dass dieser Faktor (1+z)/(2γ²) ist, wobei z die Entfernung des Quasars und γ der Lorentz-Faktor (1-v²/c²)^-0.5 ist. Nehmen wir nun an, dass sich der Jet im Quasarsystem mit 99.5%iger Lichtgeschwindigkeit bewegen möge. Das nennen die Astrophysiker die intrinsische ('echte') Jetgeschwindigkeit. Für unser Beispiel resultiert ein Lorentz-Faktor von 10. Nehmen wir weiterhin an, dass sich der Quasar bei z = 1 befinden möge. Anschaulich besagt nun der Umrechnungsfaktor oben für dieses Zahlenbeispiel, dass sich in einem Jahr Beobachtungszeit eines leuchtenden Knotens im Jet, dieser sich für den Beobachter um 100 Lichtjahre weiterbewegt hat, und nicht nur um knapp ein Lichtjahr! Die Jetgeschwindigkeit senkrecht zur Sichtlinie v_senkr kann man auch angeben: sie beträgt [v_jet × sin i] / [1 – (v_jet/c) × cos i]. Für unser Beispiel mit v_jet = 0.995c und einer Inklination von 1° ergibt das eine scheinbare Überlichtgeschwindigkeit von etwa 3.4c! Diese Rechnung rettet Einstein.

Radio-Jets und Kosmologie

Für die Radioastronomie sind die Jets besonders relevant, weil die Elektronen im ausströmenden Jetplasma Synchrotronstrahlung im Radiobereich erzeugen. Die Unterschiede in den Radiostrukturen werden zur Fanaroff-Riley-Klassifikation herangezogen. Für die Kosmologie sind die Jets als Radiostrahler wichtig, weil die Astronomen über den Effekt der Faraday-Rotation das heiße intra- und intergalaktische Clustergas zwischen den Galaxien untersuchen können.

Weitere Informationen

• Vortrag: Magnetic Launching of AGN-Jets (Dezember 2006).
• Vortrag: Cosmic Jets as Sources for ultra-high energetic Neutrinos (Januar 2003).
• A. Müller, Dissertation (2004): mit vielen Einzelheiten zur Entstehung relativistischer Jets in der Umgebung rotierender Schwarzer Löcher; DOWNLOAD pdf (9.9 MB).
• Artikel bei Einstein online von A. Müller: Das Schwarze Loch als Materieschleuder: Kosmische Jets (2007)