Astrophysikalischer Jet in einer „Geschwindigkeitsfalle“ gefangen

Der Science-Fiction-Autor Arthur C. Clarke wählte 1997 in einer BBC-Fernsehserie seine sieben Weltwunder selbst aus. Das einzige astronomische Objekt, das er berücksichtigte, war SS 433. Es hatte bereits Ende der 1970er Jahre durch seine Röntgenemission Aufmerksamkeit erregt Später wurde entdeckt, dass er sich im Zentrum eines Gasnebels befindet, der wegen seiner einzigartigen Form, die an diese Wassersäugetiere erinnert, auch Seekuhnebel genannt wird.

SS 433 ist ein Doppelsternsystem, in dem ein Schwarzes Loch mit einer etwa zehnfachen Masse der Sonne und ein Stern mit ähnlicher Masse, aber einem viel größeren Volumen einander in einer Zeitspanne von 13 Tagen umkreisen.

Das intensive Gravitationsfeld des Schwarzen Lochs reißt Material von der Oberfläche des Sterns, das sich in einer heißen Gasscheibe ansammelt, die das Schwarze Loch speist. Während Materie auf das Schwarze Loch zufällt, werden zwei kollimierte Strahlen geladener Teilchen (Plasma) senkrecht zur Scheibenebene mit einem Viertel der Lichtgeschwindigkeit abgefeuert.

Die Jets von SS433 können im Radio- bis Röntgenbereich bis zu einer Entfernung von weniger als einem Lichtjahr auf beiden Seiten des zentralen Doppelsterns entdeckt werden, bevor sie zu dunkel werden, um gesehen zu werden. Doch überraschenderweise sieht man die Jets etwa 75 Lichtjahre von ihrem Startplatz entfernt plötzlich wieder als helle Röntgenquellen auftauchen. Die Gründe für dieses Wiederauftauchen sind seit langem kaum verstanden.

Ähnliche relativistische Jets werden auch beobachtet, die von den Zentren aktiver Galaxien (z. B. Quasare) ausgehen, obwohl diese Jets viel größer sind als die galaktischen Jets von SS 433. Aufgrund dieser Analogie werden Objekte wie SS 433 als Mikroquasare klassifiziert.

Bis vor kurzem wurde noch nie eine Gammastrahlenemission eines Mikroquasars nachgewiesen. Dies änderte sich jedoch im Jahr 2018, als es dem High Altitude Water Cherenkov Gamma-ray Observatory (HAWC) erstmals gelang, sehr energiereiche Gammastrahlen aus den Jets von SS 433 nachzuweisen. Das bedeutet, dass sich irgendwo in den Jets Partikel befinden werden auf extreme Energien beschleunigt.

Trotz jahrzehntelanger Forschung ist immer noch unklar, wie und wo Teilchen in astrophysikalischen Jets beschleunigt werden.

Die Untersuchung der Gammastrahlenemission von Mikroquasaren bietet einen entscheidenden Vorteil: Während die Jets von SS 433 50-mal kleiner sind als die der nächstgelegenen aktiven Galaxie (Centaurus A), befindet sich SS 433 innerhalb der Milchstraße tausendmal näher an der Erde . Infolgedessen ist die scheinbare Größe der Jets von SS 433 am Himmel viel größer und daher lassen sich ihre Eigenschaften mit der aktuellen Generation von Gammastrahlenteleskopen leichter untersuchen.

Angeregt durch die HAWC-Erkennung startete das HESS-Observatorium eine Beobachtungskampagne des SS 433-Systems. Diese Kampagne führte zu rund 200 Stunden Daten und einem eindeutigen Nachweis der Gammastrahlungsemission der Jets von SS 433.

Die im Vergleich zu früheren Messungen überlegene Winkelauflösung der HESS-Teleskope ermöglichte es den Forschern erstmals, den Ursprung der Gammastrahlenemission innerhalb der Jets zu bestimmen, was zu faszinierenden Ergebnissen führte:

Während aus der zentralen Doppelsternregion keine Gammastrahlenemission nachgewiesen werden kann, tritt die Emission in Übereinstimmung mit früheren Röntgenbeobachtungen abrupt in den äußeren Jets in einer Entfernung von etwa 75 Lichtjahren auf beiden Seiten des Doppelsterns auf.

Was die Astronomen jedoch am meisten überraschte, war eine Verschiebung der Position der Gammastrahlenemission bei Betrachtung bei unterschiedlichen Energien.

Die Gammastrahlenphotonen mit den höchsten Energien von mehr als 10 Teraelektronenvolt werden erst dort nachgewiesen, wo die Jets abrupt wieder auftauchen. Im Gegensatz dazu erscheinen die Regionen, die Gammastrahlen mit niedrigerer Energie aussenden, weiter entlang jedes Jets.

„Dies ist die erste Beobachtung einer energieabhängigen Morphologie in der Gammastrahlenemission eines astrophysikalischen Jets“, sagte Laura Olivera-Nieto vom Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg, die die HESS-Studie leitete SS 433 im Rahmen ihrer Doktorarbeit.

„Anfangs waren wir von diesen Erkenntnissen verwirrt. Die Konzentration solch hochenergetischer Photonen an den Stellen, an denen die Röntgenstrahlen wieder auftauchen, bedeutet, dass dort eine effiziente Teilchenbeschleunigung stattfinden muss, was nicht erwartet wurde.“ Die Ergebnisse wurden veröffentlicht In Wissenschaft.

Die Wissenschaftler führten eine Simulation der beobachteten Energieabhängigkeit der Gammastrahlenemission durch und konnten so erstmals die Geschwindigkeit der äußeren Strahlen abschätzen. Der Unterschied zwischen dieser Geschwindigkeit und der Geschwindigkeit, mit der die Strahlen abgefeuert werden, lässt darauf schließen, dass der Mechanismus, der die Teilchen weiter nach außen beschleunigt, ein starker Schock ist – ein scharfer Übergang in den Eigenschaften des Mediums.

Das Vorhandensein eines Schocks wäre dann auch eine natürliche Erklärung für das Wiederauftauchen der Jets im Röntgenbereich, da beschleunigte Elektronen auch Röntgenstrahlung erzeugen.

„Wenn diese schnellen Teilchen dann mit einem Lichtteilchen (Photon) kollidieren, übertragen sie einen Teil ihrer Energie – und erzeugen so die mit HESS beobachteten hochenergetischen Gammaphotonen. Dieser Vorgang wird als inverser Compton-Effekt bezeichnet“, erklärt Brian Reville, Gruppenleiter der Gruppe Astrophysikalische Plasmatheorie am Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg.

„Es gab viele Spekulationen über das Auftreten von Teilchenbeschleunigung in diesem einzigartigen System – nicht mehr: Das HESS-Ergebnis bestimmt wirklich den Ort der Beschleunigung, die Natur der beschleunigten Teilchen, und ermöglicht es uns, die Bewegung der Teilchen zu untersuchen.“ „Großflächige Jets, die das Schwarze Loch auslöst“, betont Jim Hinton, Direktor des Max-Planck-Instituts für Kernphysik in Heidelberg und Leiter der Abteilung Nichtthermische Astrophysik.

„Noch vor wenigen Jahren war es undenkbar, dass bodengestützte Gammastrahlenmessungen Aufschluss über die innere Dynamik eines solchen Systems geben könnten“, ergänzt Co-Autorin Michelle Tsirou, Postdoktorandin bei DESY Zeuthen.

Über den Ursprung der Erschütterungen an den Stellen, an denen der Jet wieder auftaucht, ist jedoch nichts bekannt. „Wir haben immer noch kein Modell, das alle Eigenschaften des Jets einheitlich erklären kann, da dieses Merkmal bisher noch von keinem Modell vorhergesagt wurde“, erklärt Olivera-Nieto.

Dieser Aufgabe möchte sie sich als Nächstes widmen – ein lohnendes Ziel, da die relative Nähe von SS 433 zur Erde eine einzigartige Gelegenheit bietet, das Auftreten der Teilchenbeschleunigung in relativistischen Jets zu untersuchen. Man hofft, dass sich die Ergebnisse auf die tausendmal größeren Jets aktiver Galaxien und Quasare übertragen lassen und so die vielen Rätsel um den Ursprung der energiereichsten kosmischen Strahlung lösen helfen.

Das HESS-Observatorium

Hochenergetische Gammastrahlen lassen sich vom Boden aus nur mit einem Trick beobachten. Wenn ein Gammastrahl in die Atmosphäre eindringt, kollidiert er mit Atomen und Molekülen und erzeugt neue Teilchen, die wie eine Lawine auf den Boden rasen. Diese Teilchen senden Blitze von nur wenigen Milliardstelsekunden Dauer aus (Tscherenkow-Strahlung), die mit speziell ausgestatteten Großteleskopen am Boden beobachtet werden können.

Die hochenergetische Gammaastronomie nutzt die Atmosphäre daher wie einen riesigen Leuchtschirm. Das HESS-Observatorium liegt im Khomas-Hochland von Namibia auf einer Höhe von 1.835 m und wurde 2002 offiziell in Betrieb genommen. Es besteht aus einer Reihe von fünf Teleskopen.

An den Ecken eines Quadrats befinden sich vier Teleskope mit Spiegeldurchmessern von 12 m, in der Mitte ein weiteres 28-m-Teleskop. Damit lässt sich kosmische Gammastrahlung im Bereich von einigen zehn Gigaelektronenvolt (GeV, 109 Elektronenvolt) bis zu einigen zehn Teraelektronenvolt (TeV, 1012 Elektronenvolt) nachweisen.

Zum Vergleich: Sichtbare Lichtteilchen haben Energien von zwei bis drei Elektronenvolt. HESS ist derzeit das einzige Instrument, das den Südhimmel im hochenergetischen Gammalicht beobachtet, und gleichzeitig das größte und empfindlichste Teleskopsystem seiner Art.