Die Röntgenemissionen von Jets Schwarzer Löcher variieren unerwartet und stellen das führende Modell der Teilchenbeschleunigung in Frage

Forscher haben erst vor relativ kurzer Zeit herausgefunden, dass Jets von Schwarzen Löchern Röntgenstrahlen aussenden, und wie die Jets Teilchen in diesen hochenergetischen Zustand beschleunigen, ist immer noch ein Rätsel. Überraschende neue Erkenntnisse in Naturastronomie scheinen eine führende Theorie auszuschließen und öffnen die Tür für eine neue Vorstellung davon, wie die Teilchenbeschleunigung in den Jets – und möglicherweise auch anderswo im Universum – funktioniert.

Ein führendes Modell zur Erzeugung von Röntgenstrahlen durch Jets geht davon aus, dass die Röntgenemissionen der Jets über lange Zeiträume (Millionen von Jahren) stabil bleiben. Das neue Papier stellte jedoch fest, dass die Röntgenemissionen einer statistisch signifikanten Anzahl von Jets innerhalb weniger Jahre schwankten.

„Einer der Gründe, warum wir von der Variabilität begeistert sind, ist, dass es zwei Hauptmodelle dafür gibt, wie Röntgenstrahlen in diesen Jets erzeugt werden, und diese völlig unterschiedlich sind“, erklärt Hauptautorin Eileen Meyer, Astronomin an der University of Maryland , Baltimore County. „Ein Modell geht von sehr niederenergetischen Elektronen aus, das andere von sehr hochenergetischen Elektronen. Und eines dieser Modelle ist mit jeglicher Variabilität völlig inkompatibel.“

Für die Studie analysierten die Autoren Archivdaten des Chandra-Röntgenobservatoriums, dem Röntgenobservatorium mit der höchsten verfügbaren Auflösung. Das Forschungsteam untersuchte fast alle Schwarzloch-Jets, für die Chandra mehrere Beobachtungen hatte, was 155 einzigartige Regionen innerhalb von 53 Jets ergab.

Die Entdeckung relativ häufiger Variabilität auf so kurzen Zeitskalen „ist im Zusammenhang mit diesen Jets revolutionär, weil das überhaupt nicht erwartet wurde“, sagt Meyer.

Teilchenbeschleunigung neu denken

Neben der Annahme einer zeitlichen Stabilität der Röntgenemissionen geht die einfachste Theorie zur Erzeugung von Röntgenstrahlen durch Jets davon aus, dass die Teilchenbeschleunigung im Zentrum der Galaxie im „Motor“ des Schwarzen Lochs stattfindet, der den Jet antreibt. Die neue Studie ergab jedoch schnelle Veränderungen der Röntgenemissionen entlang der gesamten Länge der Jets. Das deutet darauf hin, dass die Teilchenbeschleunigung entlang des gesamten Jets auftritt, und zwar in großen Entfernungen vom Ursprung des Jets am Schwarzen Loch.

„Es gibt Theorien darüber, wie das funktionieren könnte, aber vieles von dem, womit wir gearbeitet haben, ist jetzt eindeutig nicht mehr mit unseren Beobachtungen vereinbar“, sagt Meyer.

Interessanterweise deuten die Ergebnisse auch darauf hin, dass Jets, die näher an der Erde sind, eine größere Variabilität aufweisen als Jets, die viel weiter entfernt sind. Letztere sind so weit entfernt, dass man, wenn das Licht von ihnen das Teleskop erreicht, wie einen Blick zurück in die Zeit fühlt. Für Meyer macht es Sinn, dass ältere Jets eine geringere Variabilität aufweisen würden. Früher in der Geschichte des Universums war das Universum kleiner und die Umgebungsstrahlung größer, was nach Ansicht der Forscher zu einer größeren Stabilität der Röntgenstrahlen in den Jets führen könnte.

Kritische Zusammenarbeit

Trotz Chandras hervorragender Bildauflösung stellte der Datensatz erhebliche Herausforderungen dar. Chandra beobachtete einige der Variabilitätstaschen mit nur einer Handvoll Röntgenphotonen. Und die Variabilität der Röntgenstrahlenproduktion in einem bestimmten Strahl betrug typischerweise etwa zehn Prozent. Um zu vermeiden, dass Zufälligkeit unbeabsichtigt als echte Variabilität gezählt wird, arbeitete Meyer mit Statistikern der University of Toronto und des Imperial College of London zusammen.

„Dieses Ergebnis aus den Daten zu ziehen, war fast wie ein Wunder, weil die Beobachtungen nicht darauf ausgelegt waren, es zu erkennen“, sagt Meyer. Die Analyse des Teams legt nahe, dass zwischen 30 und 100 Prozent der Jets in der Studie über kurze Zeiträume hinweg Schwankungen aufwiesen. „Obwohl wir uns bessere Beschränkungen wünschen würden“, sagt sie, „ist die Variabilität bemerkenswerterweise nicht Null.“

Die neuen Erkenntnisse werfen erhebliche Lücken in einer der wichtigsten Theorien zur Röntgenerzeugung in Jets von Schwarzen Löchern, und Meyer hofft, dass die Arbeit zukünftige Arbeiten anspornt. „Hoffentlich ist dies ein echter Aufruf an die Theoretiker“, sagt sie, „sich grundsätzlich mit diesem Ergebnis zu befassen und Jet-Modelle zu entwickeln, die mit dem übereinstimmen, was wir gefunden haben.“