Ein schlagender Beweis für supermassereiche Doppelsterne in aktiven galaktischen Kernen

Ein internationales Forschungsteam unter der Leitung von Silke Britzen vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn hat Blazare untersucht, die supermassereiche Schwarze Löcher in den Zentren von Galaxien ansammeln. Blazare treten auf, wenn einer der emittierten Jets im aktiven galaktischen Kern direkt auf die Erde zeigt.

Die Forscher legen Beweise dafür vor, dass es tatsächlich die Präzession der Strahlquelle ist, die entweder durch die Anwesenheit eines zweiten massiven Schwarzen Lochs in der Nähe des primären Lochs oder durch eine verzogene Akkretionsscheibe um ein einzelnes Schwarzes Loch verursacht wird, die für die beobachtete Variabilität verantwortlich ist in Blazaren.

Blazare sind die dramatischsten Beispiele im Zoo aktiver galaktischer Kerne (AGN), Materie ansammelnde, supermassereiche Schwarze Löcher in den Zentren von Galaxien. Sie erscheinen, wenn einer der emittierten Jets direkt auf die Erde zeigt.

Ergebnisse der jahrzehntelangen Überwachung von Blazaren wurden immer so interpretiert, dass die häufige und signifikante Aufhellung dieser Quellen, die sogenannte Flare-Aktivität, mit dem Ausstoß von Strahlkomponenten aus dem Kern in den Strahl verbunden ist, was zu einer plötzlichen verstärkten Emission führt.

Blazar-Jets sind oft gebogen und nicht so gerade, wie man es erwarten würde. Es wurde angenommen, dass mäanderförmige Strahlstrukturen mit den Komponentenauswürfen aus dem Kern zusammenhängen. Es wurde erwartet, dass sowohl die Schlangenstrahlen als auch die Aufhellung des AGN stochastischen Ursprungs sind – abhängig von der Speisung des Schwarzen Lochs. Allerdings haben im Laufe der Jahre detailliertere Beobachtungsergebnisse Zweifel an diesem möglicherweise zu einfachen kausalen Zusammenhang aufkommen lassen.

Ein Papier in Das Astrophysikalische Journal stellt diese etablierte Ejektions-Flare-Beziehung für die hellen und stark veränderlichen Blazare in Frage. „Wir legen Beweise vor und diskutieren die Möglichkeit, dass es sich tatsächlich um die Präzession der Jet-Quelle handelt, die entweder durch ein supermassives binäres Schwarzes Loch am Fußpunkt des Jets oder – was weniger wahrscheinlich ist – durch eine verzogene Akkretionsscheibe um ein einzelnes Schwarzes Loch verursacht wird.“ das ist für die beobachtete Variabilität verantwortlich“, sagt Silke Britzen vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn, die Erstautorin der Studie.

Wenn Jets aufgrund der Präzession herumwirbeln, führt diese Wirbelbewegung aufgrund des Effekts der Doppler-Strahlung natürlich auch zu periodischen Intensitätsänderungen. Dies wurde über viele Jahre hinweg bei einer Reihe von AGN-Jets festgestellt.

Für OJ 287 – den besten Kandidaten für die Aufnahme eines supermassereichen Doppelsternsystems aus Schwarzen Löchern – hatten Silke Britzen und ihr Team in ihrem Rosetta-Papier den Präzessionsursprung der starken Schwankungen in Helligkeit und Jet-Biegung ermittelt. Zuletzt wurden die Vorhersagen ihrer Arbeit von Komossa und seinem Team bestätigt.

Das Team wandte das gleiche Modell nun auf andere Blazare an. Für eine Stichprobe von 12 prominenten AGN zeigen ihre Ergebnisse, wie die Variabilität der Helligkeit und Strahlkrümmung tatsächlich durch die Modulationskraft der Präzession erklärt werden kann.

Die Autoren stellen nicht in Frage, dass die zugrunde liegende und schwer beherrschbare Jetphysik auch durch interne Wechselwirkungen im Jet, erklärt durch das sogenannte Shock-in-Jet-Modell, durch Instabilitäten im Jetstrahl oder durch energetische Ursachen verursacht werden kann magnetische Wiederverbindung. Sie schlagen jedoch vor, dass das Aussehen dieser Jets durch die Jet-Präzession stark moduliert und verändert wird. Im Wesentlichen würden diese Jets nicht so gekrümmt und so hell erscheinen, wenn sie nicht durch den Effekt der Präzession verstärkt würden.

Durch die Veröffentlichung der Eins-zu-Eins-Korrelation der Helligkeitssteigerungen mit dem Ausstoß von Strahlkomponenten lässt sich das Zusammenspiel eines dynamischen Systems untersuchen, das im Wesentlichen vorhersehbar ist, da es in geometrischen Begriffen verstanden werden kann.

„Die Blazar-Variabilität dürfte in vielen Galaxien überwiegend nicht stochastischer, sondern deterministischer Natur sein“, fährt Silke Britzen fort. „Es ist faszinierend, das Innenleben dieser Maschinerie des Schwarzen Lochs mithilfe von Variabilitätsstudien zu entschlüsseln.“

Eine der wichtigsten Schlussfolgerungen dieser Studie ist, dass die Strahlkrümmung wahrscheinlich ein aussagekräftiges Zeichen für die Existenz binärer Schwarzer Löcher im Zentrum dieser Galaxien ist. Dadurch wird der Jet aufgrund des Gravitationseinflusses eines zweiten Schwarzen Lochs auf das strahlemittierende Schwarze Loch gezwungen, sich zu schlängeln. Darüber hinaus gelang es dem Team, Spuren einer Nutationsbewegung mit kleinerer Amplitude in den Radiolichtkurven sowie in der Kinematik von Jet-Komponenten zu erkennen – ein Effekt zweiter Ordnung und ein zusätzlicher Beweis für die Präzession.

„Die Physik von Akkretionsscheiben und Jets ist ziemlich komplex, aber ihre Massenkinematik kann mit einfachen Gyroskopen verglichen werden – wenn man ein externes Drehmoment auf eine Akkretionsscheibe ausübt, zum Beispiel durch ein umlaufendes sekundäres Schwarzes Loch, präzediert und nutiert sie und damit auch.“ „Es ist auch der Jet, ähnlich der Rotationsachse der Erde, die von Mond und Sonne beeinflusst wird“, fügt Michal Zajaček von der Masaryk-Universität (Brünn, Tschechische Republik), Mitautor der Studie, hinzu.

Radiobeobachtungen erreichen die höchste Auflösung bei astronomischen Beobachtungen durch die Verbindung von Radioteleskopen über sehr große Entfernungen mit der Very Long Baseline Radio Interferometry (VLBI). Dies ist die gleiche Technik, die es der Event Horizon Telescope (EHT)-Kollaboration ermöglichte, zum ersten Mal den Schatten eines Schwarzen Lochs abzubilden und das 6,5 Milliarden Sonnenmassen schwere Schwarze Loch in der Galaxie M87 zu beobachten.

Die Suche nach diesen engen Paaren supermassiver binärer Schwarzer Löcher dauert seit Jahrzehnten und ähnelt der Anstrengung, die nötig ist, um die Nadel im Heuhaufen zu finden.

„Uns fehlt immer noch die ausreichende Auflösung, um die Existenz supermassiver binärer Schwarzer Löcher direkt zu untersuchen. Aber die Jet-Präzession scheint die beste Signatur dieser Objekte zu liefern, deren Existenz nicht nur von der Schwarzloch-/AGN-Gemeinschaft, sondern auch von der Gravitation erwartet wird.“ „Wir haben kürzlich Beweise für die Existenz eines kosmischen Gravitationshintergrunds aufgrund der Gravitationswellen veröffentlicht, die durch die Verschmelzungen massiver Schwarzer Löcher im Laufe der kosmischen Geschichte emittiert wurden“, schließt Silke Britzen.