Ein riesiges Teleskop – achtmal so groß wie die Erde – offenbart einen beispiellosen Blick auf einen massiven kosmischen Jet

Astronomen haben beispiellose Bilder von Plasmastrahlen eines supermassereichen Schwarzen Lochs im Blazar 3C 279 erhalten und dabei komplexe Muster enthüllt, die aktuelle Theorien in Frage stellen. Im Rahmen dieser internationalen Anstrengung wurden mithilfe fortschrittlicher Radioteleskopnetzwerke spiralförmige Filamente in der Nähe der Quelle der Jets entdeckt, was auf eine mögliche Rolle von Magnetfeldern bei der Entstehung dieser Jets hinweist. (Konzept des Künstlers.)

Ein Teleskop, das größer als die Erde ist, hat im Universum ein Plasmaseil entdeckt.

Mithilfe eines Netzwerks von Radioteleskopen auf der Erde und im Weltraum konnten Astronomen das detaillierteste Bild eines Jets aller Zeiten aus … aufnehmen. Plasma Schießen aus Supermasse schwarzes Loch Im Herzen einer weit, weit entfernten Galaxie.

Der Strahl, der aus einem entfernten leuchtenden Kern namens 3C 279 stammt, bewegt sich nahezu mit Lichtgeschwindigkeit und zeigt in der Nähe seiner Quelle komplexe Verdrehungsmuster. Diese Muster stellen die Standardtheorie in Frage, die seit 40 Jahren verwendet wird, um zu erklären, wie sich diese Flüsse im Laufe der Zeit bilden und verändern.

Einen wesentlichen Beitrag zu den Beobachtungen leistete das Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn, wo die Daten aller beteiligten Teleskope zu einem virtuellen Teleskop mit einem effektiven Durchmesser von etwa 100.000 km kombiniert wurden.

Ihre Ergebnisse wurden kürzlich in veröffentlicht Naturastronomie.

Abbildung 1: Verschlungene Filamente im Blazar 3C 279. Hochaufgelöstes Bild der relativistischen Ebene in dieser Quelle, beobachtet von RadioAstron. Das Bild zeigt eine komplexe, in der Ebene liegende Struktur mit mehreren Parsec-großen Filamenten, die eine Spiralform bilden. Die Sammlung umfasst Daten von Radioteleskopen auf der ganzen Welt und aus der Erdumlaufbahn, einschließlich des 100-Meter-Radioteleskops Effelsberg. Die Daten wurden anschließend im Korrelationszentrum des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie verarbeitet. Quelle: NASA/DOE/FermiLAT-Zusammenarbeit; Vlba/Jorstad et al.; Radio Astron/Fuentes et al

Einblick in die Blazars

Blazer sind die hellsten und stärksten Quellen elektromagnetischer Strahlung im Universum. Es handelt sich um eine Unterklasse aktiver galaktischer Kerne, zu der Galaxien mit einem zentralen supermassereichen Schwarzen Loch gehören, das Materie aus der umgebenden Scheibe ansammelt. Etwa 10 % der aktiven galaktischen Kerne, die als Quasare klassifiziert werden, erzeugen relativistische Plasmastrahlen. Basare gehören zu einer kleinen Gruppe von Quasaren, bei denen wir sehen können, dass diese Jets fast direkt auf den Beobachter gerichtet sind.

Kürzlich hat ein Forscherteam, darunter Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie (MPIfR) in Bonn, die innerste Jet-Region im Blazar 3C 279 mit beispielloser Winkelauflösung abgebildet und dabei bemerkenswert regelmäßige Spiralfilamente entdeckt, die möglicherweise einer Überarbeitung bedürfen. Theoretisch Bisher verwendete Modelle zur Erklärung der Prozesse, durch die Jets in aktiven Galaxien entstehen.

„Dank RadioAstron, der Weltraummission, bei der das umlaufende Radioteleskop bis zum Mond vordrang, und einem Netzwerk von 23 über die Erde verteilten Radioteleskopen haben wir das Bild des Planeteninneren mit der höchsten Auflösung erhalten.“ ” „Die bisher fließenden Sternjets ermöglichen es uns zum ersten Mal, die innere Struktur der Jets so detailliert zu beobachten“, sagt Antonio Fuentes, leitender Forscher am Andalusischen Astrophysikalischen Institut (IAA-CSIC) in Granada, Spanien die Arbeit.

Theoretische Implikationen und Herausforderungen

Das durch die RadioAstron-Mission geöffnete neue Fenster zum Universum hat neue Details im Plasmastrahl von 3C 279 enthüllt, einem finsteren Stern mit einem supermassiven Schwarzen Loch in seinem Kern. Der Jet enthält mindestens zwei verdrillte Plasmafilamente, die sich mehr als 570 Lichtjahre vom Zentrum entfernt erstrecken.

„Dies ist das erste Mal, dass wir solche Filamente so nahe an der Quelle der Jets sehen, und es verrät uns mehr darüber, wie das Schwarze Loch das Plasma bildet. Der Zufluss wurde auch von zwei anderen Teleskopen, GMVA und EHT, beobachtet. bei viel kürzeren Wellenlängen (3,5 mm und 1,3 mm), aber sie konnten die filamentösen Figuren nicht erkennen, weil sie für diese Auflösung zu schwach und zu groß waren“, sagt Eduardo Ros, Mitglied des Forschungsteams und europäischer Planer für GMVA. „Dies zeigt, wie verschiedene Teleskope unterschiedliche Merkmale desselben Objekts offenbaren können“, fügt er hinzu.

Abbildung 2: Die VLBI-Beobachtung von RadioAstron bietet ein virtuelles Teleskop mit einem Durchmesser von bis zum Achtfachen der Erde (maximale Basislinie 350.000 km). Bildnachweis: Roscosmos

Die von den Blazern kommenden Plasmastrahlen sind nicht wirklich gerade und gleichmäßig. Sie zeigen die Drehungen und Wendungen, die zeigen, wie das Plasma von den das Schwarze Loch umgebenden Kräften beeinflusst wird. Astronomen, die diese Drehungen in 3C279, sogenannte Spiralfilamente, untersuchen, haben herausgefunden, dass sie durch Instabilitäten im Plasma des Jets verursacht werden. Dabei stellten sie auch fest, dass die alte Theorie, mit der sie erklärten, wie sich Ströme im Laufe der Zeit verändern, nicht mehr gültig war. Daher sind neue theoretische Modelle erforderlich, die erklären können, wie sich diese Spiralfilamente in der Nähe des Strahlursprungs bilden und entwickeln. Dies ist eine große Herausforderung, aber auch eine großartige Gelegenheit, mehr über diese erstaunlichen kosmischen Phänomene zu erfahren.

„Ein besonders interessanter Aspekt unserer Ergebnisse ist, dass sie auf das Vorhandensein eines spiralförmigen Magnetfelds hinweisen, das den Fluss begrenzt“, sagt Guang-Yao Zhao, derzeit am MPIfR assoziiert und Mitglied des Wissenschaftlerteams. „Daher könnte das Magnetfeld, das sich im Uhrzeigersinn um den Jet in 3C 279 dreht, das Plasma des Jets leiten und lenken, das sich mit der 0,997-fachen Lichtgeschwindigkeit bewegt.“

„Ähnliche Spiralfilamente wurden schon früher in extragalaktischen Jets beobachtet, allerdings in viel größeren Maßstäben, wo man annimmt, dass sie dadurch verursacht werden, dass sich verschiedene Teile des Jets mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten bewegen und gegeneinander scheren“, fügt Andrei Lobanov, ein weiterer MPIfR-Wissenschaftler, hinzu Forscherteam. . „Mit dieser Studie betreten wir völlig neues Terrain, in dem diese Filamente tatsächlich mit komplexeren Prozessen in der unmittelbaren Umgebung des Schwarzen Lochs, das die Jets erzeugt, in Verbindung gebracht werden können.“

Die Untersuchung des internen Flusses in 3C279, die jetzt in der neuesten Ausgabe von Nature Astronomy erscheint, erweitert die laufende Suche nach einem besseren Verständnis der Rolle von Magnetfeldern bei der anfänglichen Bildung relativistischer Ausflüsse aus aktiven galaktischen Kernen. Es betont die vielen Herausforderungen, die für die aktuelle theoretische Modellierung dieser Prozesse noch bestehen, und zeigt die Notwendigkeit einer weiteren Verbesserung radioastronomischer Instrumente und Techniken auf, die eine einzigartige Möglichkeit bieten, entfernte kosmische Objekte mit Standardwinkelauflösung abzubilden.

Technologischer Fortschritt und Zusammenarbeit

Mithilfe einer speziellen Technik namens Very Long Baseline Interferometry (VLBI) wird durch die Kombination und Korrelation von Daten verschiedener Radioobservatorien ein virtuelles Teleskop mit einem effektiven Durchmesser erstellt, der dem maximalen Abstand zwischen den an der Beobachtung beteiligten Antennen entspricht. Der RadioAstron-Projektwissenschaftler Yuri Kovalev, jetzt am MPIfR, betont die Bedeutung der internationalen Gesundheitskooperation, um solche Ergebnisse zu erzielen: „Observatorien aus zwölf Ländern wurden mithilfe von Wasserstoffuhren mit der Weltraumantenne synchronisiert und bildeten so ein virtuelles Teleskop in der Größe der Entfernung zur Erde.“ ” Mond.“

„Die Experimente mit RADIOASTRON, die zu Bildern wie diesem des Quasars 3C279 führten, sind außergewöhnliche Errungenschaften, die durch die wissenschaftliche Zusammenarbeit internationaler Observatorien ermöglicht wurden“, sagt Anton Zinsos, Direktor des MPIfR und eine der treibenden Kräfte hinter der RadioAstron-Mission in den letzten zwei Jahrzehnten. Und Wissenschaftler in vielen Ländern. Die Mission erforderte jahrzehntelange gemeinsame Planung, bevor der Satellit gestartet wurde. Die Aufnahme der tatsächlichen Bilder wird durch die Anbindung großer Teleskope am Boden wie dem Eifelsberg und durch eine sorgfältige Analyse der Daten in unserem VLBI-Linkzentrum in Bonn ermöglicht.

Referenz: „Neamatische Strukturen als Ursprung der Jet-Radioanisotropie“ von Antonio Fuentes, Jose L. Gomez, José M. Martí, Manel Perocho, Guang Yao Zhao, Rocco Lecco, Andre P. Kovalev, Andrew Chell, Kazunori Akiyama, Katherine Bowman, He Sun, Ilji Zhu, Eftalia Traiano, Teresa Toscano, Rohan Dahalli, Marianna Fushi, Leonid I. Gurvits, Svetlana Jorstad, Jae-Young Kim, Alan B. Marcher, Yusuke. Mizuno, Eduardo Ros und Tuomas Savolainen, 26. Oktober 2023, Naturastronomie.
doi: 10.1038/s41550-023-02105-7

Mehr Informationen

Die Erde-Weltraum-Radiointerferometer-Mission, die von Juli 2011 bis Mai 2019 aktiv ist, besteht aus einem 10-Meter-Radioteleskop im Orbit (Spektr-R) und einer Reihe von etwa zwei Dutzend der weltweit größten bodengestützten Radioteleskope, darunter das Radioteleskop Effelsberg 100 Meter. Durch die Kombination der Signale der einzelnen Teleskope mittels Radiowelleninterferometrie lieferte diese Teleskopgruppe eine maximale Winkelauflösung, die einem Radioteleskop mit 350.000 Kilometern Durchmesser entsprach – ungefähr der Entfernung zwischen Erde und Mond. Damit ist RadioAstron das Instrument mit der höchsten Winkelauflösung in der Geschichte der Astronomie. Das RadioAstron-Projekt wurde vom Weltraumastronomiezentrum des Lebedew-Physikalischen Instituts der Russischen Akademie der Wissenschaften und der Lavochkin Scientific Society geleitet und im Rahmen eines Vertrags mit dem staatlichen Raumfahrtunternehmen ROSCOSMOS in Zusammenarbeit mit Partnerorganisationen in Russland und anderen Ländern produziert. Die astronomischen Daten dieser Mission werden von einzelnen Wissenschaftlern auf der ganzen Welt analysiert, was zu Ergebnissen wie den hier gezeigten führt.

Die folgenden Mitarbeiter der eingereichten Arbeit gehören dem MPIfR an, in der Reihenfolge ihres Erscheinens in der Autorenliste: Guang-Yao Zhao, Andrei P. Lobanov, Yuri Y. Kovalev, Efthalia (Thalia) Traianou, Jae-Young Kim, Eduardo Ros und Tuomas Savolainen. Auch die Mitarbeiter Rocco Lecco und Gabriele Bruni waren während der Mission von RadioAstron mit dem MPIfR verbunden.

Yuri Y. Kovalev würdigt den Friedrich Wilhelm Bessel-Forschungspreis der Alexander von Humboldt-Stiftung.