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Aktive Galaxien: Die mächtigsten Monster des Universums

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Ein internationales Team von Astronomen, einschließlich Wissenschaftlern des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie in Bonn, hat neue Ergebnisse zur Natur von Jets, den energiereichsten Objekte des Universums, gefunden. Jets sind stark gebündelte Materieströme, die von supermassereichen Schwarzen Löchern mit nahezu Lichtgeschwindigkeit ausgestoßen werden.

Mit dem amerikanischen Radioteleskop VLBA (Very Long Baseline Array) und dem im Juni 2008 gestarteten Fermi-Gammastrahlenteleskop wurden erstmals zwei der modernsten astronomischen Instrumente der Welt kombiniert. Diese Multiwellenlängen-Studie ergab, dass die Schwarzen Löcher mit den gewaltigsten und schnellsten Jets auch sehr große Mengen an Gammastrahlung produzieren. (Astrophysical Journal Letters, 1. Mai 2009)

Das internationale Team von Wissenschaftlern beobachtete Schwarze Löcher, die etwa eine Milliarde Mal massereicher als unsere Sonne sind, und sich in den Kerngebieten entfernter aktiven Galaxien befinden. Mit dem VLBA-Radioteleskop in den USA beobachteten sie dabei die im Radiobereich hell leuchtenden Jets, die von Schwarzen Löchern in entfernten Galaxien erzeugt werden. Ergänzend dazu ermittelte das Fermi-Gammastrahlenteleskop der NASA vom Weltraum aus die von den Jets produzierte Gammastrahlung.
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Aktive Galaxienkerne im Gammastrahlenbereich | Der Himmel im Gammastrahlungsbereich, aufgenommen vom Satelliten-Observatorium Fermi (Hintergrund). Die eingesetzten Bilder zeigen Radioaufnahmen der Jets von ausgewählten aktiven Galaxienkernen, die mit dem VLBA im Rahmen des MOJAVE-Projekts beobachtet wurden. Sie verdeutlichen, wie das VLBA die feinsten Details in den Radiojets auflöst. Die Auflösung von unterhalb eine Millibogensekunde ist rund eine Million mal höher als die der Gammastrahlungsmessung und 50-mal besser als mit jedem optischen Teleskop, wie beispielsweise dem Weltraumteleskop Hubble.


Yuri Kovalev, Humboldt-Stipendiat und Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Radioastronomie, ist enthusiastisch: "Diese Objekte sind erstaunlich: Endlich wissen wir, dass die schnellsten, kompakten und hellsten Jets die wir im Radioteleskop sehen, auch diejenigen sind, die die stärkste Gammastrahlung aussenden."

Supermassereiche Schwarze Löcher, die sich im Zentrum weit entfernter Galaxien befinden, sind nicht größer als unser Sonnensystem, haben jedoch aufgrund ihrer großen Masse starken Einfluss auf ihre Umgebung. Sie ziehen Sterne, Gas und Staub an und schaffen so ein großes magnetisches Feld. Dieses Feld schließt einen Teil des Gases ein und fokussiert es zu einem Jet, der vom Zentrum der Galaxie ausgestoßen wird und dabei nahezu Lichtgeschwindigkeit erreicht.

Astronomen versuchen schon seit Jahrzehnten, den Aufbau und die Zusammensetzung dieser strahlenden energiegeladenen Jets zu entschlüssen und herauszufinden, ob sie auch andere Formen elektromagnetischer Strahlung abgeben. Erste Hinweise dazu ergaben sich mithilfe des EGRET-Gammastrahlenteleskops in den späten 1990er-Jahren und mit dem Röntgensatelliten Chandra. Jetzt wurde die Vorhersage eines Zusammenhangs zwischen den verschiedenen Strahlungsarten bestätigt.

"Die Verbindung des erstklassigen VLBA-Radioteleskops mit dem neuen Gammastrahlenteleskop liefert erstaunliche Einsichten in die Mechanismen der Beschleunigung und der Strahlung in diesen rätselhaften Schwarzen Löchern", sagt Anton Zensus, Direktor am Max-Planck-Institut für Radioastronomie und Fermi-Affiliated Scientist. "Es ist nun bewiesen, dass auf einer Skala von nur wenigen Lichtjahren die Quellen mit starker Gammastrahlung leuchtkräftiger und kompakter sind, und die Jets sich schneller ausbreiten als in Quellen ohne nachweisbare Gammastrahlung".

Die Forscher beobachteten die Gammastrahlung mit dem Fermi-Gammastrahlenteleskop der NASA, das seit 2008 in Betrieb ist. Fermis "Large Area Telescope" (LAT) nimmt mehrmals täglich Bilder des gesamten Himmels auf, um außergewöhnliche und oft schnell veränderliche Phänomene des Universums zu erforschen wie zum Beispiel Pulsare, den Ausbruch von Schwarzen Löchern und anderer Gammastrahlungsquellen. Allerdings reicht dies nicht aus, um die exakte Position des Ursprungs der Strahlung festzustellen.

Das VLBA-Radioteleskop wirkt wie ein Vergrößerungsglas – unter diesem erscheinen die Details dieser energiereichen Ereignisse in entfernten Galaxien so, als würden sie sich in unserer unmittelbaren kosmischen Nachbarschaft abspielen. Interessanterweise entdeckten die Wissenschaftler durch das FERMI-Teleskop, dass viele Objekte, die starke Ausstöße von Gammastrahlung zeigen, auch zur gleichen Zeit Radiowellen ausstrahlen.

Das VLBA ist ein US-amerikanisches System von zehn Radioteleskopantennen, das sich von Hawaii im Westen bis zu den Jungferninseln im Osten erstreckt. Es wurde 1993 von dem NRAO (National Radio Astronomy Observatory) in Betrieb genommen, und wurde entwickelt, um die hellsten Objekte des Universums mit der astronomisch höchstmöglichen Auflösung zu beobachten.

Matthew Lister, Physikprofessor an der Purdue-Universität, sagt: "Wir haben nun schon über zehn Jahre Bilder der hellsten Galaxien am Radiohimmel gesammelt, um die Bewegungen ihrer Jets zu studieren. Wir haben eine lange Zeit gewartet, um unsere Messungen mit den Ergebnissen des Gammahimmels vergleichen zu können, wozu wir nun endlich in der Lage sind."

Die Astronomen identifizierten nun die Entstehungsregion der Jets nahe der Schwarzen Löcher zweifelsfrei als Ursprung sowohl der Radio- als auch der Gammastrahlung. Diejenigen Jets, die sich bisher der Entdeckung durch das Fermi Gammastrahlenteleskop erfolgreich entzogen, sind auch im Radiobereich weniger auffällig und senden schwächere Radiostrahlung aus. Die gewaltigen Vorgänge in der unmittelbaren Umgebung des Schwarzen Lochs führen demnach zu gekoppelten Helligkeitsausbrüchen in beiden Wellenlängenbereichen.

Dennoch müssen einige Teile des Puzzles noch gelöst werden: Fermi fand auch Quellen starker Gammastrahlung am Himmel, die weder Radiowellen noch sichtbares Licht ausstrahlen und deren Natur noch völlig ungeklärt ist. Der gemeinsame Blick auf das Universum durch Fermi und das VLBA, ermutigt die Astronomen jedoch, weitere faszinierende Rätsel zu erforschen und lässt neue aufregende Entdeckungen erwarten.

Quelle: Max-Planck-Institut für Radioastronomie

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